涂层孔隙率对钢质套管穿越段管道阴保电位影响规律的数值模拟

刘 波,王树立,杨 燕,李靖博,汪敏慧,冯旻祎

(常州大学 江苏省油气储运技术重点实验室，常州 213016)

涂层孔隙率对钢质套管穿越段管道阴保电位影响规律的数值模拟

刘 波,王树立,杨 燕,李靖博,汪敏慧,冯旻祎

(常州大学 江苏省油气储运技术重点实验室，常州 213016)

采用COMSOL Multiphysics软件，对管道极化电位和管地电位进行模拟计算，从套管有涂层和无涂层的两个方面，研究了涂层孔隙率对套管处埋地管道的阴保电位影响规律。结果表明：套管内管道涂层质量越差，管道所需的极化电流就越多，管道的阴保效果就越差；加涂层套管在环形空间内的电位比无涂层套管的更正，但在地表处却稍微偏负，所以仅仅依靠管地电位来判断管道的极化电位是有误差的；当套管无涂层时，只要环形空间内有电解质，其对管道的极化电流无屏蔽作用，所以利用密间隔电位测量(CIPS)、直流电压梯度法(DCVG)和交流电压梯度法(ACVG)等地面检测方法可以判断出套管内管道防腐层的质量和阴极保护的等级状况。

涂层孔隙率；埋地管道；阴极保护；模拟

在我国城市化急剧扩张和经济快速发展的背景下，管道与越来越多的人类公共走廊交叉穿越，按照现行的油气管道穿越工程设计规范，穿越铁路或二级及二级以上公路时，应在套管或涵洞内敷设穿越管段[1]。由于套管与管道之间无电解质，所以阴极保护电流和检测设备的发射信号无法抵达和反馈，使得该处的管道成为腐蚀的易发点和外腐蚀直接评价技术(ECDA)检测的盲点[2]。因此，管道安全评估行业急需利用数值模拟技术预测管道的腐蚀电位，从而决定该处的阴极保护等级。COMSOL Multiphysics是一款大型的高级数值仿真软件，在各个科学领域和工程计算中都有广泛的应用，其中在金属电化学方面的研究颇多[3-5]。

目前，油气管道的防腐蚀系统绝大多数采用阴极保护和防腐涂层联合保护，阴保电流通过涂层材料的空隙进入管道从而建立起阴极保护。对于套管穿越段，管道涂层采用加强级防护，而套管外表面是否加涂层一般视现场情况而定。管道保护电位的大小及其分布状况与多种因素有关，其中与管道涂层质量有着密切的关系[6-7]。涂层质量越好，管道所需的阴保电流就越小，阳极使用寿命就越长，但是随着管道运行时间的推移，涂层的质量会有所下降，此时会影响到管道阴极保护等级状况[8-10]。本工作结合一条500 m长的管道，运用COMSOL Multiphysics软件对管道和套管的涂层孔隙率与管道阴保电位(极化电位)以及管地电位之间的影响规律进行计算，为套管穿越段管道保护方法与检测技术提供参考。

1 控制方程与边界条件

对于均一、各向同性的体系而言，所建立的几何模型在溶液中的静电控制方程满足拉普拉斯方程，如式(1)所示。

式中：φi为几何中ith域的电解质静电势(几何体中有两个域：套管内、外的土壤)。

管道表面的总电流(Ip)与流经管道和电解质界面的电流密度有关，如式(2)所示。

式中：Dp为主管道的外径；inetpi为ith域内流过管道与电解质界面的净电流密度。

管道金属壁面沿轴向的金属电位Ψp，遵循欧姆定律，如式(3)所示。

式中：ρFe为管道的电阻率；t为管道壁厚。

把式(3)代入式(2)中得到管道中金属电位的控制方程，如式(4)所示。

以式(1)和式(4)为模型获取的腐蚀电位即为所需要解决的控制方程。

根据控制方程所需的边界条件，对模型进行物理定义，包括管道和套管表面的电流密度、各电解质及土壤的电阻率、阴阳极极化斜率、与管道平行方向的地表面设置无限域等，土壤上表面和四周均采用绝缘边界条件，二者的电流设为零，边界条件可定义为φi=0。

2 模型建立及验证

2.1 模型建立与参数设置

根据现场套管处管道的埋设特点，利用COMSOL Multiphysics软件对管道表面的电位进行模拟。第一步，选择三维、一次电流分布、稳态的计算环境。第二步，利用Geometry建立分析模型，先建立套管、管道和阳极模型，而后建立土壤环境，具体几何参数见图1。第三步，对模型进行物理定义，包括管道和套管涂层孔隙率、涂层和土壤的电阻率、阳极电位以及边界无限域。第四步，对已生成的模型采用自由剖分四面体网格划分，划分后的模型见图2。最后对计算结果进行后处理，得出设定位置的结果值。

涂层的孔隙率是指整个有涂层的管道上，裸露金属的表面积占总管段表面积的百分比，例如孔隙率为10-4相当于1 m2的涂层表面有1 cm2的裸露面积。套管和管道涂层的孔隙率分别设为10-5，10-4，10-3，土壤和涂层的电阻分别为150Ω和1.5×10-6Ω，阳极电位为-1.5 V，交换电流密度为0.1 mA/m2。

图1 几何模型示意图(单位：m)Fig. 1 Sketch of the model geometry

图2 管道及土壤网格划分Fig. 2 Grid generation of pipeline and soil

2.2 模型验证

通过试验测套管内管道极化电位，对此模型进行验证，试验装置如图3所示。管道长8 m，距管道左端2 m处设有套管，套管全长4 m，管道下方设有牺牲阳极，每0.5 m有一电位测试点，模拟结果与测试结果如图4。

由图4可知，该模型模拟电位的最大误差为0.246%，平均误差为0.087%，在允许的范围之内。由于模型是对实际情况的简化，而且本身计算过程是迭代过程，所以会产生一定的误差，但误差在允许范围内。验证试验结果表明采用COMSOL Multiphysics所建立的模型是可用于研究套管内管道的电位分布。

图3 试验装置示意图Fig. 3 Schematic diagram of experimental equipment

图4 模拟电位与实测电位对比Fig. 4 Comparison between simulated potential and measured potential

3 结果与讨论

3.1 管道涂层孔隙率的影响

对埋地管道的现场检测，通常利用参比电极在管道上方沿管道铺设方向获取管道极化电位，但是由于管道与土壤间存在IR降，使得检测数据并不等于真实电位。图5为套管无涂层时，管道涂层孔隙率对管地电位的影响。结果表明，管地电位和管道极化电位有很明显的差别，而且随着涂层孔隙率的减小，二者差别增大。涂层孔隙率越小，管道与地表之间的电阻

图5 管道涂层孔隙率对管地电位的影响(套管无涂层)Fig. 5 Effect of coating porosity of pipeline on pipe-to-soil potential (no coating on casing)

越大，IR降则变化越大，所以二者差别越大。虽然涂层和土壤都有一定的电阻，但可以看出，涂层孔隙率的变化是造成电位降的主要原因。

从图5中还可以看出，管道极化电位和管地电位在套管段没有任何变化，表明无涂层的钢质套管对环形空间内管道的阴极保护没有影响。相比土壤和涂层的电阻，金属套管的极化电阻很小，而且被分散到整个表面，所以外部阴保电流可以通过套管流入管道，同样对该特殊段起到保护作用。

图6为套管无涂层时，管道涂层孔隙率对管道极化电位的影响。从图6中可以看出，随着管道涂层孔隙率的增大，管道极化电位越来越正，这主要是因为随着涂层孔隙率的增大，管道需要更多的阴保电流，但是阳极所能提供的保护电位以及其表面积无法改变，所以管道的极化电位就朝着正方向移动。该模拟结果与现场实际相吻合，通常随着运行时间的推移，其管道涂层的电阻越来越小，即孔隙率越来越大，所需的阴保电流就会增加，致使管道的极化电位达不到保护的标准。当管道涂层孔隙率由1×10-5增大到5×10-5时，管道的保护电位就正移了约100 mV，低于标准规定的-850 mV，达不到阴极保护的效果。

图6 管道涂层孔隙率对管道极化电位的影响(套管无涂层)Fig. 6 Effect of coating porosity of pipeline on polarized potential of pipeline (no coating on casing)

由图6还可见，管道在穿越套管段时，其电位并没有改变，同样表明无涂层的钢质套管对环形空间内管道的阴极保护电位无影响，而管道整体涂层孔隙率的变化对管道极化电位有很明显的影响。

图7为套管涂层孔隙率10-5时，管道涂层孔隙率对管道极化电位的影响。从图7中可以看出，虽然套管涂层孔隙率保持不变，但随着环形空间内管道涂层孔隙率的不断增大，管道的整体电位朝着正方向偏移，表明环形空间内管道涂层的质量不仅对其内部电位有影响，同时也影响整个管道的极化电位。当环形空间内的管道无涂层或涂层孔隙率相对套管涂层更大时，外部阴保电流更容易通过此处流回管道，同时需要更大阴保电流来达到阴极保护的目的。由于外部阳极所提供的阴保电流是一定的，所以造成该特殊段管道的阴保电位下降，大部分电流通过涂层孔隙率更大的地方流回，也致使套管外管道整体的阴保电位下降。

图7 管道涂层孔隙率对管道极化电位的影响(套管涂层孔隙率10-5)Fig. 7 Effect of coating porosity of pipeline on polarized potential of pipeline (casing coating porosity of 10-5)

管道涂层孔隙率的改变对套管内管道极化电位有很明显的影响，在现场，如果环形空间内进入水或土壤等电解质，此时可以利用直流电压梯度法(DCVG)、密间隔电位测量(CIPS)和交流电压梯度法(ACVG)等地面检测方法判断管道涂层是否存在漏点和阴极保护的等级。

3.2 套管涂层孔隙率的影响

套管涂层孔隙率对管道极化电位的影响如图8所示。由图8可见，与套管无涂层时相比，套管有涂层时，管道在套管外的电位轻微偏负，而且随着套管涂层孔隙率的减小，管道极化电位偏移越大，而套管内管道极化电位更偏向正方向。外部阴保电流是通过套管流入管道的，当套管有涂层时，限制了部分阴保电流流入管道，所以在某种程度上，可以认为套管屏蔽了阴保电流，当套管涂层孔隙率越小时，流入环形空间内管道的电流就越少，该处管道的极化效果就越差，所以套管内管道极化电位更正。

图8 套管涂层孔隙率对管道极化电位的影响(管道涂层孔隙率为10-5)Fig. 8 Effect of coating property of casing on polarized potential of pipeline (pipeline coating property of 10-5)

图9为套管涂层孔隙率对管地电位的影响。从图9中可以看出，套管涂层的孔隙率越小，管地电位就越负。当套管涂层孔隙率在10-5时，管地电位在套管处稍微偏负，但数值很小，所以在地表检测套管内管道极化电位时，该误差可以忽略不计。当套管有涂层时，管地电位在套管段基本无明显变化，这是由于套管屏蔽了大部分从套管内部反馈到外部的电流信号，所以才使得地表处的电位没有明显变化。这表明在工程检测现场，当套管有涂层时，仅仅通过管地电位的大小变化是很难判断出套管内部管道的阴保状况和腐蚀环境，需要做进一步的调查研究。

图9 套管涂层孔隙率对管地电位的影响(管道涂层孔隙率为10-5)Fig. 9 Effect of coating property of casing on pipe-to-soil potential (pipeline coating property of 10-5)

4 结论

(1) 利用COMSOL Multiphysics软件建立的阴极保护模型，可以模拟研究套管内管道的电位变化，该模型可以预测一些现场无法检测的管道极化电位，能为管道完整性评估提供参考依据。

(2) 管道涂层的质量对管道的腐蚀防护影响很大，环形空间内涂层质量越差，管道得到的阴极保护就越少，阳极损耗的阴保电流就越多，这与现场检测情况相符合，而且该种情况在套管内尤为明显。

(3) 加涂层套管在环形空间内的电位比无涂层的更正，但在地表处却稍微偏负。此情况可以说明，在不了解套管环形空间内管道的真正极化电位时，利用管地电位来判断管道的阴保电位是有误差的。

(4) 计算结果表明，当套管无涂层时，只要环形空间内有电解质，其对管道的阴保电流无屏蔽作用，所以利用CIPS、DCVG和ACVG等地面检测方法可以判断出套管内管道防腐层的质量和阴极保护的等级状况。

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Numerical Simulation of The lnfluence Rule of Coating Porosity on Cathodic Potential of Pipeline in Steel Casing

LIU Bo, WANG Shu-li, YANG Yan, LI Jing-bo, WANG Min-hui, FENG Min-yi

(Jiangsu Key Laboratory of Oil-Gas Storage and Transportation Technology, Changzhou Universtiy, Changzhou 213016, China)

Using COMSOL Multiphysics software, the influence rule of coating porosity on polarized potential of buried pipelines and pipe-to-soil potential was investigated from two aspects of casing with coating and without coating. Results show that the worse the pipeline coating quality is, the more polarization current is required, so the results of cathodic protection is more undesirable. The potential in coating casing annular space is more positive than that in uncoated casing, but more negative on ground surface, so it is inaccurate to determine the polarization potential of pipeline just rely on the pipe-to-soil potential. When the casing has no coating, there is no shield influence to polarization current of pipe as long as electrolyte is in the annular space. So CIPS, DCVG, ACVG can be used to determine the pipe coating quality and cathodic protection level.

coating porosity; buried pipe; cathodic protection; simulation

2015-00-00

江苏省科技厅资助项目(BY2014037-33)

王树立(1957-)，教授，博士，从事油气管道腐蚀与防护研究，0519-83293890，wsl@cczu.edu.cn

10.11973/fsyfh-201612003

TE988

A

1005-748X(2016)12-0961-05