埋地钢质管道防腐蚀层检测中地表电位的ANSYS模拟

何 萌,陶文亮,李龙江,秦 硕

(1. 贵州大学 化学与化工学院,贵阳 550025; 2. 贵州民族大学 贵阳 550025; 3. 贵州大学 矿业学院,贵阳 550025)

应用技术

埋地钢质管道防腐蚀层检测中地表电位的ANSYS模拟

何 萌1,陶文亮2,李龙江3,秦 硕1

(1. 贵州大学 化学与化工学院,贵阳 550025; 2. 贵州民族大学 贵阳 550025; 3. 贵州大学 矿业学院,贵阳 550025)

利用ANSYS有限元分析软件，建立了土壤、空气、带防腐蚀涂层钢质管道的模拟模型，研究了土壤介质、管道埋深、邻近交叉载流管线、杂散电流等因素对埋地管道防腐蚀层检测中地表电位的影响。结果表明：不同土壤介质交界处和不同土壤埋深处，地表电位出现畸变，邻近载流管线和杂散电流的存在使地表电位信号出现类似漏点电位信号分布的趋势；杂散电流源距管道越近，对地表电位影响越大，反之越小；载流管线与检测管道交叉角度越小，对地表电位的影响越小。

埋地管道;防腐蚀层;定位;ANSYS

埋地钢质管道的防护系统是由阴极保护和管道外防腐蚀层共同组成的，防腐蚀层的完整性有利于阴极保护的充分发挥，防腐蚀层一旦破损，会使保护电流流失，保护距离缩短，保护效果降低，甚至失效[1]，因此管道外防腐蚀层的非开挖检测显得非常重要。人体电容法是管道外防腐蚀层非开挖检测常用的方法之一。该法是利用防腐蚀层破损点处泄漏的电流辐射至地表的电位(简称漏点电位或泄漏电位)分布来判断破损点的位置[2-3]。检测时，给地下管线通入交流电信号。管道上若存在防腐蚀层破损，通入地下管线的交流电流就会在防腐蚀层破损处流入大地，地下的等电位以破损点为中心呈立体球形分布，当此交流电流到达地表后，则以破损点正上方地表为中心呈平面圆形分布，其周围的电位呈等距离等电位分布[4]。采用该法检测时，检测过程会受到一些外界因素的影响，如：位于待测管道上方的交叉裸管，深埋在管道附近的广告牌、接地线等良导体(泥土传导信号变为金属传导信号)，管道埋深不一致的河坎、爬坡、沟槽及管道埋设土壤介质分布不均等。这些因素给防腐蚀层破损点的定位带来一定的困难，导致检测人员对破损位置误判或者漏检，从而造成不必要的或者大面积的开挖验证，浪费人力、物力、财力。本工作基于人体电容法原理，利用ANSYS有限元软件的电磁模块模拟了不同土壤介质、管道埋深、邻近交叉载流管线、杂散电流等因素对管道防腐蚀层检测信号的影响，直观形象地展现了在这些因素影响下地表电位的分布趋势，给检测信号分析以及防腐蚀层破损点定位提供理论依据。

1 模型的设计和材料参数的选定

考虑到实际检测时环境复杂以及埋地管道的长度较长，为计算简便，采用了缩小简化的模型，如图1所示。管道模型采用外径200 mm、壁厚5 mm、长度4 m、覆土深度1 m、防腐蚀层厚度3 mm的空心圆柱，管内介质为空气；土壤模型采用2.5 m×2.5 m×4 m的立方体；防腐蚀层破损处材料填充为土壤,各材料特性参数如表1所示。

图1 ANSYS模型Fig. 1 ANSYS model

材料电阻率/(Ω·m)介电常数土壤15～10015空气-1管道4×10-7107防腐蚀层50008

2 ANSYS有限元仿真分析

仿真采用SOLID231单元模拟三维电磁场，将模型划分为六面体网格，在防腐蚀层破损处对模型分割进行网格细化以提高计算精度和准确性。管道模型一端施加30 V电位，另一端施加29 V电位，设模拟土壤下方无限远处电位为0 V。考虑不同土壤介质、不同管道埋深、杂散电流、载流管线对防腐蚀层检测信号的影响，进而找出不同影响因素下，地表电位的分布趋势。

2.1 土壤介质对检测信号的影响

埋地管道防腐蚀层检测时,在不同土壤介质交界处检测信号会受到影响。为了研究土壤介质交界处从管道防腐蚀层破损处泄漏的电流在土壤中的电位分布趋势，将土壤模型电阻率一半设置为50 Ω·m，另一半设置为100 Ω·m，即同一根管道穿过两种不同电阻率的土壤，在管道中央设置半径为0.02 m的圆形破损点，再分别建立电阻率分别为50 Ω·m和100 Ω·m的均一土壤模型作为参照。从图2可以看出：管道穿过同一电阻率的均一土壤时，土壤中的等电位均呈立体球状分布，土壤电阻率越大，球状体积越小;管道穿过不同电阻率的非均一土壤时，土壤中的等电位分布不规则。从图3可以看出：管道穿过同一电阻率的均一土壤时，地表电位符合以破损点为中心呈等距等电位分布的漏点电位分布规律；管道穿过不同土壤电阻率的非均一土壤时，地表电位在不同土壤交界处变化率变大，该电位不符合以破损点为中心呈等距等电位分布的漏点电位分布规律。实际检测中，这样的电位分布可能使检测人员忽略掉此破损点导致漏检。

(a) 电阻率50 Ω·m的均一土壤

(b) 电阻率100 Ω·m的均一土壤

(c) 电阻率50 Ω·m和100 Ω·m的非均一土壤图2 不同土壤介质中模拟的土壤电位剖面云图(单位:V)Fig. 2 Potential profiles of soil simulated in different soil media (unit V): (a) uniform soil with resistivity of 50 Ω·m; (b) uniform soil with resistivity of 100 Ω·m; (c) non-uniform soil with resistivity of 50 Ω·m and 100 Ω·m

图3 不同土壤介质中模拟的地表电位曲线Fig. 3 Surface potential curves simulated in different soil media

2.2 管道埋深对检测信号的影响

埋地管道土壤回填时，回填土厚度(即埋深)通常不一，这使管道的检测和漏点定位变得异常困难，特别是对于经验不足的检测人员。为了解在不同厚度回填土的交界处检测信号的变化趋势，建立了不同埋深的管道模型，管道埋深分别为1，1.2，1.4 m，在不同厚度土壤的交界处(1 m处)设置防腐蚀层破损点，设置管道埋深相同且1 m处破损和埋深不同无破损点模型作为参照。

由图4可见，无论管道埋深是否相同，土壤中的等电位都呈立体球状分布。由图5可见：管道埋深相同时，地表电位在破损点处电势最高，以破损点为中心其周围呈等距等电位分布；管道埋深不同时，在不同土壤厚度交界处，地表电位呈突然变大或者变小的畸变趋势。即使管道防腐蚀层在交界处出现破损，地表电位却呈现异于漏点电位分布规律的趋势，给检测人员定位防腐蚀层破损点带来困难。检漏时,若出现畸变电位，检测人员可将信号强度与探管深度结合起来,或者将探头转动90°至与管道平行的方位，然后在管线上作左右平行移动，从而排除管道埋深变化对管道电位变化的影响。

2.3 杂散电流对检测信号的影响

杂散电流的存在不仅会腐蚀管道本身，也会造成管道电位变化，从而给管道检测及防腐蚀层破损点定位带来困难。在土壤模型中插入钢电极,通过钢电极引入直流杂散电流，探讨了直流杂散电流对检测信号的影响。钢电极长度为40 cm，入土深度为20 cm，直径为1 cm，材质为碳钢，电阻率为10-7Ω·m，介电常数为107，在钢电极上下两端施加电位差1 V的电压。分别考虑杂散电流强度(无杂散电流,上端10 V、下端9 V的电位,上端30 V、下端29 V的电位),杂散电流源与管道的距离(管道正上方、距管道0.2 m、距管道0.4 m)对地表电位的影响。

(a) 埋深不同，有破损

(b) 埋深不同，无破损

(c) 埋深相同，有破损图4 不同埋深的管道模型模拟的土壤电位剖面云图(单位:V)Fig. 4 Potential profiles of soil simulated using pipe models in different buried depths (unit V): (a) different buried depths and damage; (b) different buried depths and no damage; (c) same buried depth and damage

图5 不同埋深的管道模型模拟的地表电位曲线Fig. 5 Surface potential curves simulated using pipe model in different buried depths

由图6和图7可见：杂散电流源的位置不同，其对地表电位的影响也不同;杂散电流源距离管道越远，影响越小，反之，影响越大。由图8和图9可见:杂散电流大小不同，对地表电位的影响也不同。杂散电流较小时，杂散电流源处的地表电位值小于其他位置的电位值；反之则大于其他位置的电位值。但这种电位分布类似防腐蚀层破损时以破损点为中心呈等距等电位分布的特征，容易使检测人员将杂散电流源位置当作破损点位置,从而做出错误的判断。如果在实际检测时遇到这种情况，为避免此类误判，一人可在管道上方站立不动，另一人在最大信号处沿管道垂直方向移动检测，移动过程中若信号不变,则最大信号位置就为破损点，否则，说明土壤周围存在金属良导体所耦合或者是牺牲阳极泄露引起的杂散电流。

(a) 管道正上方

(b) 距管道0.2 m处

(c) 距管道0.4 m处图6 不同杂散电流源位置时模拟的土壤电位剖面云图(单位:V)Fig. 6 Potential profiles of soil simulated at positions of stray current source (unit: V): (a) above the pipe; (b) a distance of 0.2 m from the pipe; (c) a distance of 0.4 m from the pipe

图7 杂散电流源位置不同时模拟的地表电位曲线Fig. 7 Surface potential curves simulated at different positions of stray current source

(a) 无杂散电流

(b) 较小杂散电流

(c) 较大杂散电流图8 不同杂散电流大小时模拟的土壤电位剖面云图(单位:V)Fig. 8 Potential profiles of soil simulated at different values of stray current (unit: V): (a) no stray current; (b) small stray current; (c) large stray current

图9 杂散电流大小不同时模拟的地表电位曲线Fig. 9 Surface potential curves simulated at different values of stray current

2.4 邻近载流管线对检测信号的影响

地下管网错综复杂，尤其是城市地下管线，埋地钢质管道周围经常存在一根甚至多根载流管线，对管道进行非开挖检测时，载流管线上的电流会通过土壤传到地表或者管道从而影响检测信号的获取,进而影响检测人员对检测信号的判断。建立载流管线与检测管道呈不同角度(0°，45°，90°)交叉的模型，为计算简便，设置载流管线为直径0.01 m的实心圆柱，材质为碳钢，电阻率为10-7Ω·m,介电常数为107。载流管线位于管道上方，与管道最近距离为30 cm，二者施加相同载荷。

由图10和图11可见:载流管线的存在对地表电位是有影响的。若载流管线平行检测管道，沿管道方向地表电位变化不大。载流管线与检测管道呈一定角度时，地表电位以载流管线与检测管道交叉点在地表的投影为中心呈等距等电位分布。实际检测时，即使管道的防腐蚀层不存在破损，检测人员也能检测出类似防腐蚀层破损的信号。此时一名检测人员可站在信号最大点处，另一检测人员在相距5 m左右的距离以信号最大点位置为中心作圆周状移动检测，移动过程中信号若发生变化，则说明管道周围存在交叉载流管线，若无变化，则可判断最大信号位置处为漏点。

3 结论

(1) 土壤介质分布不均时，在两种土壤介质交界处，地表电位变化率大于均一土壤介质处，即出现畸变趋势。

(a) 0°

(b) 45°

(c) 90°图10 载流管线与检测管道呈不同角度交叉时模拟的土壤电位剖面云图(单位:V)Fig. 10 Potential profiles of soil simulated at different crossing angles between carrying current pipeline and detected pipeline (unit: V)

图11 不同载流管线与检测管道呈不同角度交叉时模拟的地表电位曲线Fig. 11 Surface potential curves simulated at different crossing angles between carrying current pipeline and detected pipeline

(2) 管道埋深不同时，无论管道防腐蚀层是否破损，在不同土壤厚度交界处，地表电位出现突然变大或变小的畸变趋势。

(3) 土壤中存在直流杂散电流时，地表电位会呈现类似等距等电位的漏点电位分布。杂散电流源距离管道越近，对地表电位影响越大，反之影响越小。

(4) 管道附近存在载流管线时，地表电位与载流管线和管道的位置有关。载流管线与管道呈一定角度时，地表电位会呈现类似漏点电位的分布趋势。

[1] 王强,苗金明. 地下管网检测技术[M]. 北京:机械工业出版社,2014:109.

[2] 袁厚明. 地下管道涂层人体电容法检测中的判断技术[J]. 腐蚀与防护,2007,28(5):259-262,265.

[3] EYRE D. The Pearson survey method for detecting corrosion in underground pipelines[M]//Underground Pipeline Corrosion. [S.l.]:Woodhead Publishing Limited,2014:247-254.

[4] 曹光贵,谭丽娜,郑光耀. 基于Pearson法对钢质燃气管道防腐层检测的探讨[J]. 煤气与热力,2016,36(2):44-46.

ANSYS Simulation of Surface Potential in Detection of Anticorrosive Coating of Buried Steel Pipeline

HE Meng1, TAO Wenliang2, LI Longjiang3, QIN Shuo1

(1. Chemistry and Chemical Engineering College, Guizhou University, Guiyang 550025, China; 2. Guizhou Minzu University, Guiyang 550025, China; 3. Mining College, Guizhou University, Guiyang 550025, China)

Finite element analysis software ANSYS was used to build models of soil, air, pipeline with anticorrosive coating. The effects of soil medium, buried depth of pipeline in soil, adjacent carrying-current pipeline, stray current and other factors on the surface potential in detection of anticorrosive coating of buried pipeline were studied. The results show that the surface potential changed abnormally in the junction of different soil media or in the place where buried depth changed. Surface potentials showed a distribution trend similar to that of leak potential signals when carrying-current pipeline and stray current existed nearby. The nearer the stray current source was, the greater the influence on surface potential was. On the contrary, the influence was smaller. The smaller the angle of carrying-current pipeline crossing with test pipeline was, the smaller the influence on surface potential was.

buried pipeline; anticorrosive coating; location; ANSYS

10.11973/fsyfh-201706011

2016-12-30

贵州省科技厅工业攻关项目(Z113169)

陶文亮(1962-)，教授，博士，主要从事化工装备可靠性、风险评价，膜科学技术及应用的研究

TG174

A

1005-748X(2017)06-0461-05