含缺陷油氣管道在土壤環(huán)境下應(yīng)力腐蝕數(shù)值模擬

摘 要 基于有限元數(shù)值模擬的方法，分析研究高強(qiáng)度管線鋼在應(yīng)力作用下，不同土壤離子（Cl-、HCO3-、SO42-）濃度和不同溫度時(shí)的電化學(xué)腐蝕特征。結(jié)果表明：隨著離子濃度和溫度的增加，缺陷處的腐蝕電流密度均呈現(xiàn)增加的趨勢；在塑性應(yīng)變階段，由于缺陷中心應(yīng)力集中，機(jī)械-電化學(xué)效應(yīng)顯著，缺陷中心位置相較于兩端腐蝕更加嚴(yán)重，中心位置的腐蝕電流密度顯著增加。

關(guān)鍵詞 油氣管道 管線鋼 應(yīng)力腐蝕 機(jī)械-電化學(xué)效應(yīng) 離子濃度 溫度

中圖分類號 TQ055.8+1" "文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A" "文章編號 0254?6094（2024）05?0723?05

基金項(xiàng)目：陜西延長石油（集團(tuán)）有限責(zé)任公司項(xiàng)目（批準(zhǔn)號：ycsy2023ky?B?65）資助的課題；山東省油氣儲運(yùn)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金資助的課題；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（批準(zhǔn)號：19CX05007A）資助的課題。

作者簡介：李騰飛（1986-），助理工程師，從事城市燃?xì)獍踩芾?、油氣儲運(yùn)系統(tǒng)安全管理工作，434888798@qq.com。

引用本文：李騰飛，張成斌，馬春迅，等.含缺陷油氣管道在土壤環(huán)境下應(yīng)力腐蝕數(shù)值模擬［J］.化工機(jī)械，2024，51（5）：723-727.

管道是五大運(yùn)輸方式與九大基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，管道運(yùn)輸具有良好的安全性和經(jīng)濟(jì)性，現(xiàn)已成為油氣能源主要的輸送方式。截至2022年底，我國管道總里程達(dá)18.5×104 km，初步形成橫跨東西、縱貫?zāi)媳薄⒏采w全國、聯(lián)通海外的油氣“全國一張網(wǎng)”［1］。隨著人們對能源需求量的日益攀升，長輸油氣管道朝著大口徑、高強(qiáng)度和高壓力的方向發(fā)展［2］。埋地管道主要采用防腐層和外加電流陰極保護(hù)聯(lián)合防護(hù)［3～5］。然而，在復(fù)雜的土壤環(huán)境中，由于防腐層破損老化、土壤環(huán)境物化性質(zhì)和電化學(xué)腐蝕綜合因素的作用，管材在遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，造成管道失效［6，7］。張秀云等主要通過電化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究X100管線鋼在鹽漬土壤模擬溶液中的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的SO42-下，陽極均表現(xiàn)出活性溶解，說明SO42-對腐蝕的發(fā)生起到促進(jìn)作用［8，9］。王彬彬等利用電化學(xué)工作站測得電化學(xué)極化曲線和阻抗譜，研究X70鋼在不同Cl-濃度的酸性紅壤中的腐蝕行為，結(jié)果表明，低Cl-濃度下發(fā)生局部腐蝕，且隨著濃度的增加點(diǎn)蝕坑數(shù)量和尺寸增加［10］。楊霜等利用電化學(xué)阻抗技術(shù)，研究了X80鋼在不同溫度的酸性模擬紅壤溶液中的腐蝕性能，結(jié)果表明土壤電阻和電荷轉(zhuǎn)移電阻隨溫度的升高而降低［11］。梁錕等利用電化學(xué)實(shí)驗(yàn)測試技術(shù)，研究不同溫度下X90鋼母材及其焊縫在近中性土壤中的腐蝕行為，結(jié)果表明，隨溫度的增加，腐蝕電位負(fù)移、腐蝕傾向增加，腐蝕電流密度增大，腐蝕速率加快，相同情況下焊縫腐蝕比母材更為嚴(yán)重［12］。WANG Y X等研究不同應(yīng)變下X80鋼在0.62 mol/L的NaCl溶液中的腐蝕行為，隨著應(yīng)變增加，腐蝕活性的增加并不是線性變化的，而是呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢［13］。宮克等研究X90管線鋼在沈陽土壤環(huán)境中不同HCO3-濃度下的應(yīng)力腐蝕特性，研究表明，HCO3-主要通過改變鈍化膜的保護(hù)特性影響管道腐蝕，腐蝕速率隨著HCO3-濃度的增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，HCO3-濃度為7%時(shí)腐蝕速率達(dá)到峰值［14］。然而，當(dāng)前高強(qiáng)度管線鋼土壤應(yīng)力腐蝕大多數(shù)局限在電化學(xué)腐蝕的實(shí)驗(yàn)研究中［15～17］，缺少對機(jī)械-電化學(xué)協(xié)同效應(yīng)的綜合考慮，有關(guān)管線鋼應(yīng)力腐蝕的數(shù)值模擬研究鮮有報(bào)道。筆者應(yīng)用COMSOL多物理場耦合軟件，考慮機(jī)械-電化學(xué)協(xié)同效應(yīng)建立含缺陷管道有限元模型，分析高強(qiáng)度管線鋼在應(yīng)力作用下，不同土壤離子（Cl-、HCO3-、SO42-）濃度和不同溫度時(shí)的電化學(xué)腐蝕特性。

1 含缺陷管道有限元模型

含缺陷管道外表面與土壤環(huán)境的有限元二維幾何模型如圖1所示。取X90管線鋼長200 mm，壁厚19.6 mm，管道缺陷長20 mm，深5.88 mm（管道壁厚的30%），腐蝕電解質(zhì)溶液區(qū)域選擇高100 mm作為模擬區(qū)域。

同時(shí)，基于COMSOL有限元仿真軟件，采用三角形網(wǎng)格類型，實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬計(jì)算域的網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 Cl-濃度對應(yīng)力腐蝕的影響

在0.1%和0.3%的應(yīng)變下，不同Cl-濃度（0.024 5、0.049 0、0.073 5、0.098 0 mol/L）時(shí)缺陷處的陽極腐蝕電流密度如圖3所示。從圖3a可知，在0.1%應(yīng)變條件下，缺陷中心和缺陷兩端的腐蝕電流密度幾乎重合，差異很小，陽極腐蝕電流密度變化為4.765、5.170、5.744、6.070 μA/cm2，機(jī)械電化學(xué)效應(yīng)不顯著。從圖3b的結(jié)果來看，在0.3%應(yīng)變條件下，缺陷中心陽極腐蝕電流密度變化為7.408、8.063、8.686、10.312 μA/cm2，呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。

Cl-是一種腐蝕性離子，隨著Cl-濃度的增加，土壤的侵蝕作用不斷加強(qiáng)，破壞金屬基體導(dǎo)致金屬發(fā)生陽極溶解，加快腐蝕進(jìn)程［18］，腐蝕電流密度逐漸增大。0.1%應(yīng)變下從缺陷中心到缺陷兩端比較平滑，說明此階段管道處于彈性變形階段，機(jī)械-電化學(xué)效應(yīng)對陽極反應(yīng)的影響效果不顯著；應(yīng)變?yōu)?.3%時(shí)，缺陷中心腐蝕電流密度明顯大于缺陷兩端的，管道處于塑性變形階段，缺陷中心的應(yīng)力較大，超過材料的屈服強(qiáng)度，故在缺陷中心處的機(jī)械-電化學(xué)效應(yīng)更加顯著。

2.2 HCO3-濃度對腐蝕的影響

在0.1%和0.3%的應(yīng)變下，不同HCO3-濃度（0.029、0.058、0.087、0.116 mol/L）時(shí)缺陷處陽極腐蝕電流密度如圖4所示。從圖4a可以看出，在0.1%應(yīng)變條件下，缺陷中心和缺陷兩端的腐蝕電流密度相差很小，陽極腐蝕電流密度變化為9.851、14.000、18.466、19.548 μA/cm2，但隨著HCO3-濃度的增加，侵蝕作用不斷加強(qiáng)，加速腐蝕速率進(jìn)程，腐蝕電流密度逐漸增大。從圖4b可以看出，在0.3%應(yīng)變條件下，缺陷中心處陽極腐蝕電流密度變化為14.014、19.354、23.973、25.461 μA/cm2，呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。在0.1%應(yīng)變下，從缺陷中心到缺陷兩端比較平滑，說明在此階段管道處于彈性變形階段，機(jī)械-電化學(xué)效應(yīng)對陽極反應(yīng)的影響效果不顯著。在0.3%應(yīng)變下，缺陷中心腐蝕電流密度明顯大于兩端的腐蝕電流密度，說明此階段材料處于塑性變形，缺陷中心的應(yīng)力較大，超過屈服強(qiáng)度，故在中心處的機(jī)械-電化學(xué)效應(yīng)更加顯著。

2.3 SO42-濃度對應(yīng)力腐蝕的影響

在0.1%和0.3%的應(yīng)變下，不同SO42-濃度（0.002 5、0.005 0、0.007 5、0.010 0 mol/L）時(shí)缺陷處陽極腐蝕電流密度如圖5所示。從圖5a可看出，在0.1%應(yīng)變條件下，缺陷中心和缺陷兩端的腐蝕電流密度變化不明顯，不同SO42-濃度下，陽極腐蝕電流密度為3.329、3.547、4.467、5.005 μA/cm2。隨著SO42-濃度的增加，陽極腐蝕電流密度呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，侵蝕作用不斷加強(qiáng)，金屬基體穩(wěn)定性變差，加快腐蝕速率［19］。從缺陷中心到缺陷兩端比較平滑，說明在此階段管道處于彈性變形階段，機(jī)械-電化學(xué)效應(yīng)對陽極反應(yīng)的效果不顯著。從圖5b可以看出，在0.3%應(yīng)變條件下，缺陷中心處陽極腐蝕電流密度變化為5.244、5.926、7.566、8.312 μA/cm2，陽極腐蝕電流密度呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。缺陷中心腐蝕電流密度明顯大于兩端的腐蝕電流密度，且隨SO42-濃度增加差距逐漸增大。說明當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.3%時(shí)，管道處于塑性變形階段，缺陷中心的應(yīng)力較大，超過材料的屈服強(qiáng)度，故在缺陷中心處的機(jī)械-電化學(xué)效應(yīng)更加顯著。

2.4 溫度對腐蝕的影響

在0.1%和0.3%的應(yīng)變下，不同溫度（25、40、50、60 ℃）時(shí)缺陷處陽極腐蝕電流密度如圖6所示。從圖6a的結(jié)果來看，在0.1%應(yīng)變條件下，缺陷中心和缺陷兩端的腐蝕電流密度幾乎重合，陽極腐蝕電流密度變化為2.509、14.260、18.319、28.261 μA/cm2。從圖6b的結(jié)果來看，在0.3%應(yīng)變條件下，缺陷中心處陽極腐蝕電流密度變化為4.228、19.549、27.287、37.967 μA/cm2，呈現(xiàn)不斷增加的趨勢。在0.1%應(yīng)變下，從缺陷中心到缺陷兩端比較平滑，說明在此階段管道處于彈性變形階段，機(jī)械-電化學(xué)效應(yīng)對陽極反應(yīng)的效果并不顯著［20］。當(dāng)應(yīng)變?yōu)?.3%時(shí)，缺陷中心腐蝕電流密度明顯大于兩端的腐蝕電流密度，說明管道處于塑性變形階段，缺陷中心的應(yīng)力較大，超過材料的屈服強(qiáng)度，故在缺陷中心處的機(jī)械-電化學(xué)效應(yīng)更加顯著。隨著溫度的增加，陽極腐蝕電流密度呈現(xiàn)不斷增加的趨勢，溫度升高物質(zhì)傳輸和擴(kuò)散速度加快，溶液中離子擴(kuò)散到電極表面的阻力減?。?1］，擴(kuò)散速率增加，電荷轉(zhuǎn)移電阻減小，破壞金屬基體導(dǎo)致金屬發(fā)生陽極溶解，加速腐蝕速率進(jìn)程。

3 結(jié)束語

通過研究土壤離子（Cl-、HCO3-、SO42-）和溫度對管道缺陷處腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)隨著離子濃度和溫度增加，缺陷處腐蝕電流密度均呈現(xiàn)增加的趨勢，其中溫度比離子濃度對于腐蝕影響更加敏感，腐蝕速率增加更顯著。

管道在發(fā)生彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變階段對應(yīng)力腐蝕影響程度不同。0.1%應(yīng)變（彈性應(yīng)變），在缺陷中心和兩端受到應(yīng)力差異不顯著，腐蝕電流密度變化差異不顯著，此應(yīng)變下缺陷處的機(jī)械-電化學(xué)效應(yīng)不顯著。0.3%應(yīng)變（塑性應(yīng)變），在缺陷中心位置應(yīng)力較大，機(jī)械-電化學(xué)效應(yīng)更加顯著，中心處的腐蝕電流密度顯著增加。

參 考 文 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-11-17，修回日期：2024-09-11）

Numerical Simulation of Stress Corrosion of Oil and Gas

Pipelines with Defects in the Soil Environment

LI Teng?fei1， ZHANG Cheng?bin2， MA Chun?xun3， ZHANG Chen3，

ZHOU Yang?yang3， ZHANG Yu?hong3， BI Hai?sheng3

（1. PetroChina Jovo Natural Gas Co.， Ltd.； 2. Research Institute， Shaanxi Yanchang Petroleum （Group） Company Ltd .；

3. College of Electromechanical Engineering， Qingdao University of Science and Technology）

Abstract" "Having the FEM simulation method based to analyze electrochemical corrosion characteristics of high?strength steel pipeline stressed with different soil ion（Cl-， HCO3-， SO42-） concentrations and at different temperatures was implemented. The results show that， with the increase of both ion concentration and temperature， the corrosion current density at the defect tends to increase； in the plastic strain stage， the stress becomes concentrated in the defect center and the mechanical?electrochemical effect gets to be significant and the corrosion at the defect center becomes more seriously than that at both ends and the corrosion current density at the defect center becomes significantly increased.

Key words" "oil amp; gas pipeline， pipeline steel，stress corrosion， mechanical?electrochemical effect， ion concentration， temperature