土壤孔隙水飽和度對埋地天然氣管道腐蝕影響研究

顧 穎 馮琛然 陳 兵 蘆婭妮 任金平 張 琪

（1. 天華化工機械及自動化研究設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730060；2. 蘭州博源生物科技有限公司，甘肅 蘭州 730060；3. 寧夏天利豐能源利用有限公司，寧夏 吳忠 751000；4. 隴東學(xué)院石油化工學(xué)院，甘肅 慶陽 745000）

0 引言

天然氣管道是指將天然氣（包括油田生產(chǎn)的伴生氣）從開采地或處理廠輸送到城市配氣中心或企業(yè)用戶的管道，按照用途可分為集氣管道、輸氣管道、配氣管道，其中輸氣管道是整個輸氣系統(tǒng)的主體。隨著天然氣工行業(yè)的快速發(fā)展，因為天然氣管道具有相對安全、節(jié)能、經(jīng)濟、環(huán)保、最為穩(wěn)定有效，適宜大規(guī)模輸氣等優(yōu)點，已成為陸地上天然氣輸送設(shè)施發(fā)展的主要形式，目前全球建成的管道中一半為天然氣管道。過去20年，我國天然氣管道行業(yè)蓬勃發(fā)展，取得了顯著的成就，全國性管網(wǎng)逐步形成，根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計資料顯示，從2016～2020年，我國天然氣管道里程數(shù)一直處于逐年增長的趨勢，2017年全國新增天然氣管道歷程約2941千米，總里程達到月7.72萬千米，2019年天然氣管道里程數(shù)達到8.1萬千米，2021年年中國天然氣管道里程數(shù)達8.55萬千米。如今，在環(huán)保壓力日益增大的背景下，會更加凸顯天然氣消費的清潔性及環(huán)保性等優(yōu)勢，在雙碳政策的背景下，天然氣作為過渡性清潔能源，支持能源轉(zhuǎn)型，在政策方面的支持下，也定能促進天然氣消費量的大幅度增加，這也意味著未來我國將會迎來天然氣管道建設(shè)和發(fā)展的黃金時代。

目前，我國天然氣消費量僅次于美國居世界第二位，而俄羅斯天然氣產(chǎn)量居世界首位，也是國際天然氣市場最重要的出口國。中國和俄羅斯部分天然氣管道布局情況如表1所示，可以看出天然氣輸送管道管線長、運行環(huán)境復(fù)雜，因此采用鋼質(zhì)材料的天然氣管道埋在地下受不同地區(qū)土壤、環(huán)境等因素影響，外表面容易產(chǎn)生較大腐蝕，引發(fā)安全事故，于是國內(nèi)外學(xué)者圍繞埋地天然氣管道腐蝕開展了許多研究工作。孫廣厚[1]、丁銳等[2]、侯世穎等[3]和林新宇等[4]分析了引發(fā)埋地油氣管道腐蝕的化學(xué)、電化學(xué)、雜散電流、生物化學(xué)、管道材料不均勻等因素，并針對這些因素提出了耐蝕材料防護、涂層保護、陰極保護、緩蝕劑的等防腐措施。陳艷華等[5]采用室內(nèi)試驗、現(xiàn)場驗證和光譜分析結(jié)合的方法，對北方鹽堿土壤環(huán)境下油田埋地金屬管道外腐蝕機理進行研究。蔣秀等[6]研究了某集氣站埋地管段腐蝕失效原因及腐蝕機理。劉猛等[7]基于埋地管道應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，分析了國內(nèi)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂埋地管道的特點和風(fēng)險。趙書華等[8]通過COMSOL軟件對靠近接地極的埋地管道沿線雜散電流密度分布進行模擬分析，研究各干擾參數(shù)對管道沿線雜散電流密度分布及干擾腐蝕的影響規(guī)律。古彤等[9]針對接地極入地電流的特征以及不同環(huán)境條件，對管道金屬材料腐蝕產(chǎn)生影響的各項參數(shù)進行調(diào)研及分析，確定了接地極對管道腐蝕產(chǎn)生影響的參數(shù)。楊朝暉等[10]針對機場多次發(fā)生腐蝕泄漏的鋼質(zhì)輸油管道進行了腐蝕狀況檢測及數(shù)據(jù)分析。張鵬等[11]建立了管道土壤腐蝕后評價的邏輯結(jié)構(gòu)模型，對管道的腐蝕壁厚進行了預(yù)測，并對該結(jié)構(gòu)模型的可靠性做了評估；金龍等[12]引入云模型對埋地油氣管道土壤腐蝕進行了綜合評價，結(jié)果與現(xiàn)場勘測一致；章強等[13]對核電廠埋地管道外腐蝕狀態(tài)進行檢測和綜合評價，并提出了埋地管道的防腐蝕措施和建議；苗金明等[14]在管道風(fēng)險分析評價模型的基礎(chǔ)上，引入管道腐蝕損傷失效理論，建立了新的城市燃氣埋地鋼管腐蝕失效風(fēng)險評估模型。

表1 中國和俄羅斯部分天然氣管道布局情況

埋地天然氣管道腐蝕情況直接關(guān)系到輸氣過程的安全和穩(wěn)定性，然而天然氣管道的操作溫度和工作壓力等變化范圍大，輸送的天然氣中含有各種酸、堿、鹽等腐蝕性成份，經(jīng)過的地形復(fù)雜多變，土壤成份多樣，正是這些眾多的影響因素，容易對天然氣管道形成腐蝕。土壤孔隙度和含水率是土壤的主要物理參數(shù)，兩者之間相互作用，并隨外部環(huán)境濕度、溫度及土壤結(jié)構(gòu)的變化而變化，對埋地天然氣管道有重要的腐蝕作用。但是從上述國內(nèi)近年來的相關(guān)文獻研究中可以看出，鮮有土壤孔隙水飽和度對埋地天然氣管道腐蝕的影響研究。因此，本文擬采用數(shù)值模擬的方法，在建立埋地天然氣管道仿真模型的基礎(chǔ)上，對其進行數(shù)值模擬，研究土壤孔隙度和含水率對埋地天然氣管道腐蝕速率的影響。對我國天然氣運輸行業(yè)管道防腐，確保天然氣安全運輸具有重要意義。

1 模擬軟件和數(shù)值模型

1.1 數(shù)值模擬軟件

COMSOL軟件是由瑞典COMSOL公司基于先進數(shù)值方法，研發(fā)的一款集成了傳熱、CFD、化學(xué)反應(yīng)工程、結(jié)構(gòu)力學(xué)、微流、電池與原料電池、巖土力學(xué)、多孔介質(zhì)流、電鍍、等離子體、管道流、腐蝕、非線性力學(xué)等模塊于一體的單一物理場及多物理場耦合的通用有限元仿真軟件，能夠在同一界面中實現(xiàn)從完整的幾何建模流程到結(jié)果計算，模擬這些模塊真實場景下的物理現(xiàn)象，設(shè)計和優(yōu)化實際工程問題。其中COMSOL軟件中的腐蝕模塊能夠?qū)χT如原電池腐蝕、點蝕以及縫隙腐蝕等進行建模和模擬，還包括對陰極保護、犧牲陽極保護和陽極保護等體系的模擬。

1.2 數(shù)值模型

本文采用COMSOL軟件，建立天然氣管道（陰極）、土壤（電解質(zhì)）和鋅（陽極）組成的電化學(xué)腐蝕系統(tǒng)的二維橫截面數(shù)值模型如圖1所示，矩形表示土壤，矩形上邊半圓表示鋼材質(zhì)的埋地天然氣管道，陽極鋅被均勻的涂覆在表示土壤的矩形左邊上，電流從矩形左側(cè)流入天然氣管道后從矩形右側(cè)流出。通過對該數(shù)值模型進行模擬計算，得到土壤孔隙水飽和度對埋地天然氣管道表面不同位置處電極電位、局部氧氣濃度、局部氧化還原電流密度、局部析氫電流密度、界面處鐵腐蝕電流密度的影響規(guī)律，進而研究土壤孔隙水飽和度對埋地天然氣管道腐蝕速率的影響。

圖1 數(shù)值模型

2 土壤域電場分布方程和邊界條件

2.1 土壤域電場分布方程

土壤是一種多孔材料，孔隙度和含水率影響離子和氣體的傳遞性，因此在模型中使電解質(zhì)的電導(dǎo)率和氧氣擴散系數(shù)會隨著土壤孔隙水飽和度變化，這樣電解質(zhì)電導(dǎo)率和氧氣擴散系數(shù)就是土壤孔隙水飽和度的函數(shù)。使用二次電流分布接口對電化學(xué)電流進行建模計算，電解質(zhì)電導(dǎo)率與空隙水飽和度呈現(xiàn)正比例關(guān)系。氧氣的傳遞是利用稀物質(zhì)傳遞接口來描述，氧氣擴散系數(shù)與空隙水飽和度呈現(xiàn)反比例關(guān)系。

2.2 邊界條件[15]

選擇陽極鋅的電位為接地，假設(shè)Zn陽極的反應(yīng)動力學(xué)非常快，可以忽略激化，因此設(shè)置電解質(zhì)電位為：

其中Eeq,Zn是現(xiàn)場測試的鋅電極平衡電位，設(shè)置為-0.68V。Zn陽極上的氧氣濃度采用大氣中的氧氣濃度值：

在天然氣管道邊界上考慮鐵氧化、氧還原及析氫三個不同的電極反應(yīng)：

這些反應(yīng)的動力學(xué)通過電極表面節(jié)點進行建模，在該邊界條件上，天然氣管道的外電位фs,steel，設(shè)置為施加的電池電位-1V。

天然氣管道反應(yīng)的電極動力學(xué)根據(jù)塔菲爾表達式描述：

使用表2中參數(shù)，其中每個反應(yīng)的過電位都根據(jù)以下公式計算：

表2 反應(yīng)參數(shù)

根據(jù)法拉第定理，在天然氣管道表面發(fā)生的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生氧氣通量，要設(shè)置這一通量，在電極反應(yīng)節(jié)點中輸入化學(xué)當量系數(shù)。其他邊界都應(yīng)用絕緣類型的對稱邊界條件，大氣濃度則用氧氣濃度的初始值。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 電解質(zhì)電位和氧氣濃度

埋地天然氣管道腐蝕模型屬于穩(wěn)態(tài)方程，因此選用軟件自帶的PDE模式進行穩(wěn)態(tài)分析，其中孔隙水飽和度參數(shù)的掃描從0.2～0.8。如圖2所示為孔隙水飽和度為0.8時的電解質(zhì)電位分布云圖，從圖中可以看出受天然氣管道的影響土壤電解質(zhì)電位分布不均勻，天然氣管道左側(cè)的電解質(zhì)電位高，右側(cè)電解質(zhì)電位低。如圖3所示為孔隙水飽和度為0.8時電解質(zhì)中氧氣濃度分布云圖，從圖中可以看出天然氣管道左側(cè)的電解質(zhì)中氧氣濃度高，右側(cè)電解質(zhì)中氧氣濃度低，且距離越遠濃度越低，而天然氣管道附近的氧氣濃度最低，說明在孔隙水飽和度為0.8時氧氣的反應(yīng)受質(zhì)量傳遞的限制。

圖2 孔隙水飽和度為0.8時的電解質(zhì)電位分布云圖

圖3 孔隙水飽和度為0.8時的氧氣濃度分布云圖

工作電極電位是電極電位和電解質(zhì)電位之差，是影響天然氣管道腐蝕的重要因素。圖4所示是天然氣管道-土壤界面三個不同位置處（前、中、后）在不同孔隙水飽和度情況下的工作電極電位，從圖中可以看出，隨著孔隙水飽和度的增加工作電極電位均呈現(xiàn)降低的趨勢，當孔隙水飽和度為0.6時隨著孔隙水飽和度的增加工作電極電位開始顯著降低。圖5所示為天然氣管道-土壤界面三個不同位置處在不同孔隙水飽和度時天然氣管道上的局部氧氣濃度，從圖中看出隨著孔隙水飽和度的增大天然氣管道-土壤界面三個不同位置處局部氧氣濃度呈現(xiàn)降低趨勢，從0.4開始三個不同位置處局部氧氣濃度顯著降低，從0.7開始氧氣濃度下降趨于平緩，這是因為當孔隙水飽和度增加時降低了土壤中的氧氣擴散速率。

圖4 天然氣管道-土壤界面三個不同位置處工作電極電位

圖5 天然氣管道-土壤界面三個不同位置處局部氧氣濃度

3.2 各類電流密度分布

如圖6所示為天然氣管道-土壤界面處局部氧化還原電流密度，從圖中可以看出當孔隙水飽和度在0.2～0.6之間時，隨著孔隙水飽和度的增加局部氧化還原電流密度增大，這是因為在該段電解質(zhì)電導(dǎo)率是增大的；當孔隙水飽和度在0.6～0.8之間時，隨著孔隙水飽和度的繼續(xù)增加局部氧化還原電流密度減小，因為該段氧氣擴散速率的是下降的；孔隙水飽和度在0.6～0.65范圍時，還原電流的絕對值最大。

圖6 天然氣管道-土壤界面三個不同位置處局部氧化還原電流密度

如圖7所示為天然氣管道-土壤界面三個不同位處置局部析氫電流密度，從圖中可以看出孔隙水飽和度小于0.65時，析氫反應(yīng)很微弱，幾乎不進行，此時析氫反應(yīng)的電極電位低于平衡電位。天然氣管道-土壤界面三個不同位置處鐵腐蝕電流密度如圖8所示，圖中可以看出在較低的孔隙水飽和度時鐵腐蝕電流密度更高，這是因為低孔隙水飽和度時會有更高的電極電位，通常情況下，鐵氧化電流越低，意味著天然氣管道得到了越好的保護。

圖7 天然氣管道-土壤界面三個不同位處置局部析氫電流密度

圖8 天然氣管道-土壤界面三個不同位置處鐵腐蝕電流密度

4 結(jié)語

本文對天然氣管道在土壤中腐蝕過程建立數(shù)學(xué)模型并進行數(shù)值模擬。研究了在不同孔隙水飽和度下工作電極電位、局部氧氣濃度、局部氧化還原電流密度、局部析氫電流密度、鐵腐蝕電流密度的變化情況，得到如下結(jié)論。

（1）工作電極電壓、局部氧氣濃度、鐵腐蝕電流密度隨孔隙水飽和度的增大而降低。工作電極電壓在孔隙水飽和度為0.65時顯著降低，局部氧氣濃度、鐵腐蝕電流密度在孔隙水飽和度在0.7左右之后趨于穩(wěn)定，基本不再發(fā)生變化；

（2）局部氧還原電流密度隨孔隙水飽和度先減小后增大，在0.65左右達到極小值，局部析氫電流密度在孔隙水飽和度低于0.65時基本保持不變，在高于0.65之后急劇下降；

（3）綜上所述，泥土孔隙水飽和度在0.65～0.7之間天然氣管道腐蝕速率最慢，防腐效果最好。