长输管道辅助牺牲阳极阴极保护影响因素研究及效果分析

2023-10-12 03:15李洪福吕祥鸿刘艳明张鑫鑫郑文龙
关键词:长输阴极保护镁合金

李 宁,李 妍,李洪福,廖 臻,吕祥鸿,王 晨,刘艳明,张鑫鑫,郑文龙

(1.西安石油大学 材料科学与工程学院,陕西 西安 710065; 2.中国石油 新疆油田油气储运分公司,新疆 克拉玛依 831100)

引 言

长输管道是油气运输的重要设施,其安全运行是我国经济建设的重要保障[1-2]。目前,服役的长输管道大多以钢材为主,易与土壤中的微生物、水分及可溶性盐发生电化学腐蚀,影响管道的安全运行与服役寿命,因此长输管道的腐蚀防护非常重要[3-6]。在现役长输管道的阴极保护措施中,最常用的手段是外加电流保护法[7-9],虽然该方法优势明显,但也存在显著不足。当两个外加电流防腐站之间距离过远时,可能导致长输管道某些特殊位置欠保护,通常的解决办法是提高两端防腐站的端电压,使其输出更大电流对欠保护管段施加防护,但该方法也存在一系列问题:一方面,提高防腐站的端电压,可能造成靠近防腐站处的管道过保护,加速管道防腐层的快速剥离;另一方面,提高防腐站的端电压会增加能耗,增加油田公司的经济成本。为解决这一问题,在不改变两端防腐站端电压的前提下,在长输管道的欠保护区域埋设合适的牺牲阳极以提供管道所需的保护电流,可以避免对长输管道造成的过保护以及产生的经济问题。

埋设牺牲阳极是短距离欠保护管道的有效辅助保护方案[10-13],具体的防护效果、保护距离受多种因素影响,比如管道运行环境中的土壤电阻率、涂层破损率以及周围管道的运行情况。但管道在实际运行过程中服役环境复杂、涂层破损率难以测得,使得上述因素对牺牲阳极阴极保护效果的影响规律及牺牲阳极保护措施的适用条件尚不明确。近些年,随着计算机技术、有限元仿真模拟的不断发展,采用有限元分析工具计算长输管道的阴极保护电位进而指导现场的管道防护已日趋成熟[14-16],如侯静等[17]基于边界元开展管道的阴极保护仿真计算,获得了涂层破损率、海水流速和海水电导率对管道牺牲阳极阴极保护效果的影响;席光兰等[18]通过有限元法模拟沉船在海水中的保护效果,获得了不同数量牺牲阳极时基体的阴极保护电位。

因此,本文以新疆油田某埋地管道部分欠保护管段为研究对象,通过数值模拟软件建立长输管道和牺牲阳极的仿真模型,对存在不同涂层破损率、土壤电阻率和并行管道工况下的目标管道电位进行模拟计算,探讨以上因素对牺牲阳极保护效果的影响规律,明确在长输管道保护中牺牲阳极辅助阴极保护方法的适用条件,为长输管道牺牲阳极的阴极保护设计提供理论指导,并用于指导现场管道防护。

1 研究方案

1.1 仿真原理

本文所研究的电解质区域为稳态电场,满足欧姆定律[14,16,18],即

i=-σ∇φ。

(1)

式中:i为电流密度,A/m2;σ为土壤电导率,S/m;φ为电位,V。

根据能量守恒定律,任意一个微元体中任何时刻电量Q的变化量为:

(2)

式中:Q为电量,C;σ为土壤电导率,S/m;φ为电位,V。

当阴极保护系统产生的电场达到平衡时,任意微元体中Q=0,即σ∇2φ=0。

上述控制方程是一个典型的偏微分方程,即阴保过程满足Laplace方程,从数学的角度讲,Laplace方程的解有很多,要得到定解,必须对其研究区域进行限制并确定相应的边界条件。阴极保护系统是由阳极、阴极和绝缘面组成。在阴极保护的数值模拟中,边界条件一般可分为以下3类:

(1)第一类边界条件:认为边界电位已知,阳极电位为恒定值,即φ0,对于阴极保护系统中无穷远处土壤界面电位定义为0,恒电位仪输出电位恒定,即

φ0=φ。

(3)

(2)第二类边界条件:认为边界电流密度已知,阳极输出为固定的电位梯度值,对于阴极保护系统中无穷远处土壤界面电流密度定义为0,恒电位仪输出电流密度恒定,即

(4)

(3)第三类边界条件:认为边界处电位与电流密度成函数关系,且阴极保护系统中阴极极化曲线已知。

1.2 模型建立

以新疆油田某埋地管道部分欠保护管段为研究对象,利用有限元建模软件建立管道牺牲阳极的阴极保护几何模型。如图 1所示,长方体表示土壤域,圆柱体表示直径0.377 m 、长度8 000 m 的目标管道,短直线表示水平埋设于管道长度方向4 000 m 处的牺牲阳极,管道两侧各4支,每支间距1 m,设置牺牲阳极和目标管道的间距为3 m,模型图如图1(a)所示。在现场工况中,距离目标管道左右两侧约6 m 处各有1条管线,为其并行管道,并行管道直径分别为0.610 m 和0.273 m,其余条件不变,建立如图1(b)所示模型。

图1 管道牺牲阳极阴极保护几何模型示意图 Fig.1 Schematic diagrams of geometric models for cathodic protection of pipeline by sacrificing anode

1.3 网格划分

对于8 000 m 的管道而言,其管道横截面的电位变化远小于纵向电位变化,因此可假设管道横截面处电位变化为0[19],重点研究管道的轴向电位分布。由于管道较长,并且4 000 m 处排布了以8条线单元表示的牺牲阳极,增加了系统网格划分的难度。因此,建立几何模型时,采用体单元离散对所建立的模型进行网格划分,即每个体单元代表一段管道。同时在线单元附近建立两个工作平面(工作平面1和工作平面2),将整个几何模型进行分割,形成3块独立的分割域(域1、域2、域3),对域2采用自由四面体网格划分,域1以工作平面1为基准进行扫掠,域3以工作平面2为基准进行扫掠,该划分网格的方法既可以加快网格划分速度,又可以减少网格划分数目,同时降低网格划分的出错率,具体网格划分如图2所示(插图为牺牲阳极部位网格划分示意图)。

图2 埋地管道网格划分示意图Fig.2 Schematic diagram for meshing of buried pipeline

1.4 边界条件

设置目标管道的涂层破损率分别为0.05%、0.1%、0.5%、1%、5%、10%,土壤电阻率分别为0.942 Ω·m 、8.51 Ω·m 、29.20 Ω·m 、50 Ω·m、100 Ω·m。所选土壤电阻率分别为研究区域最小土壤电阻率、平均土壤电阻率、最大土壤电阻率及镁合金牺牲阳极适用的最大土壤电阻率。由于现场并行管道防腐层破损严重,因此建模时将其定义为导电率较高的导体。

在本文的研究体系中,电解质区域为稳态电场,阴极保护系统满足第三类边界条件[20],即认为边界处电位与电流密度成函数关系,且阴极保护系统中阴极极化曲线已知。本文采用三电极电化学方法获得极化曲线,电化学工作站型号为CS310H,测试软件为CS Studio5,使用自腐蚀电位为-0.697 V (vs CSE) 的20#钢片作为工作电极,饱和Cu/CuSO4电极作为参比电极,铂金片作为辅助电极,溶液为模拟现场环境溶液,极化曲线的扫描速率为10 mV/min。获得20#钢片裸金属的极化曲线后,将其电位保持不变,电流密度乘以涂层破损率得到不同涂层破损率下电极试样的极化曲线。图3(横轴为电流的对数值)为不同涂层破损率下试样的极化曲线,以此作为长输管道极化的边界条件。现场选用镁合金牺牲阳极,根据GB/T 21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》[21]和GB/T17731—2015《镁合金牺牲阳极》[22]测试AZ63B型镁合金牺牲阳极的主要成分(表1),从表中可以看出镁合金牺牲阳极的成分满足标准规定。图4为在模拟现场土壤溶液环境中测得的AZ63B型镁合金牺牲阳极的极化曲线阳极部分,文中取-1.56 V 作为牺牲阳极边界条件。

图3 不同涂层破损率下20#钢的极化曲线 Fig.3 Polarization curves of 20# steel pipelines with different coating damage ratio

表1 镁合金牺牲阳极化学成分Tab.1 Chemical composition of sacrificed anode of magnesium alloy

图4 AZ63B型镁合金牺牲阳极的极化曲线Fig.4 Polarization curve of sacrificed anode of AZ63B magnesium alloy

2 辅助牺牲阳极阴极保护效果影响因素分析

2.1 涂层破损率对牺牲阳极阴极保护效果的影响

图5为当土壤电阻率为8.51 Ω·m 时,不同涂层破损率下的长输管道表面电位分布及保护距离。有效保护电位范围是根据GB/T 21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》[21]中的埋地管道阴极保护电位应为-0.85 VCSE或更负取得。由图可见,靠近牺牲阳极处的管道表面保护电位最负,离阳极越远,管道的极化程度越弱,电位也逐渐正向偏移。在涂层破损率为 0.05%的工况条件下,埋设牺牲阳极处(即4 000 m处)管道的保护电位最负,约-1.540 VCSE,有效保护距离最长,约为1 503 m,这是因为该破损率涂层基本上接近于无缺陷状态,因此保护距离较大;当涂层破损率从0.1%增加到0.5%时,电位衰减较为严重;随着涂层破损率从0.05%增大到10%,埋设牺牲阳极处的管道阴极保护电位减小了0.158 V,有效保护距离也缩短至110 m。综上可知,当管道涂层出现破损后,涂层破损处失去了对管道的物理保护作用,使金属管道直接暴露于土壤环境中,需要较大的极化电流才能使其极化到阴极保护准则的要求,即随着涂层破损率增大,管道所需的保护电流增大,牺牲阳极工作电位逐渐正移,使其对管道的保护距离缩短。因此,牺牲阳极辅助阴极保护措施在现场应用过程中,应考虑涂层破损率带来的不同保护效果。当长输管道涂层破损率超过5%时,牺牲阳极辅助阴极保护方法效果不佳,应适时考虑其他阴极保护方式或者修补、更换防腐层。

图5 不同涂层破损率下目标管道的表面电位分布和有效保护距离Fig.5 Surface potential distribution and effective protection length of target pipelines with different coating damage ratio

2.2 土壤电阻率对牺牲阳极阴极保护效果的影响

通过在仿真软件中设置不同的土壤电阻率,模拟相应工况和环境下的模型进行计算,探析土壤电阻率对牺牲阳极阴极保护效果的影响规律。如图6所示,固定涂层破损率为0.5%,随着土壤电阻率从0.942 Ω·m 增大到100 Ω·m 时,埋设牺牲阳极处(即4 000 m处)管道的阴极保护电位减小了0.147 V。这是因为随着土壤电阻率的增大,腐蚀介质电导率逐渐减小,导致电流流动的阻力增大,管道表面的阴极保护电位也随之正移。同时,管道的有效保护距离从1 413 m 缩短至123 m,当土壤电阻率超过29.2 Ω·m 时,有效保护距离急剧缩短。尽管GB/T21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》标准对镁合金牺牲阳极适用的土壤电阻率范围作出明确规定(其适用的土壤电阻率为50~100 Ω·m)[21],但上述研究结果说明,对于长输管道,当土壤电阻率超过29.2 Ω·m(约30 Ω·m)时,牺牲阳极辅助阴极保护效果不佳,应适时考虑在长输管道欠保护部位添置外加电流防腐站的方法,以保证管道的安全运行。因此,在使用辅助牺牲阳极阴极保护措施下,必须考虑土壤电阻率对防护效果的影响,否则盲目施加牺牲阳极保护措施有可能造成管线保护不足或不必要的经济损失。

图6 不同土壤电阻率时目标管道的表面电位分布和有效保护距离Fig.6 Surface potential distribution and effective protection length of target pipelines under different soil resistivity

2.3 并行管道对牺牲阳极阴极保护效果的影响

2.3.1 涂层破损率对存在并行管道时牺牲阳极阴极保护效果的影响

图7所示为存在并行管道情况下,当土壤电阻率为8.51 Ω·m,并行管道相距6 m,目标管道不同涂层破损率条件下,采用牺牲阳极方法进行阴极保护的管道阴极保护电位及有效保护距离。由图可见,在埋设牺牲阳极处的管道阴极保护电位最负,离阳极越远,电位逐渐正向偏移。值得注意的是,当管道涂层破损率分别为0.05%和0.1%时,虽然电位也逐渐向正向偏移,但是整条管道都在有效保护范围之内。随着涂层破损率从0.5%增大到10%,牺牲阳极对整条管道的阴极保护距离缩短,保护效果降低。

图7 存在并行管道时不同涂层破损率下目标管道的表面电位分布和有效保护距离Fig.7 Surface potential distribution and effective protection length of target pipelines with different coating damage ratio in the presence of parallel pipelines

对比图7和图5可知,在目标管道涂层破损率较小(≤1%)的情况下,当存在防腐层质量不好的并行管道时,在同等涂层破损率条件下目标管道的阴极保护距离明显变长,说明并行管道的存在对管道保护距离有着重要影响。这是由于当存在涂层质量不高的并行管道时,牺牲阳极产生的电流可由并行管道上的某一防腐层破损点(图8黄色部位)流入管道,通过管道传导到较远处,再从另一处破损点流出。在这种情况下,电流优先在低电阻率的管道中传导,使并行管道承担了输送保护电流的作用,导致保护距离增加。当目标管道的涂层破损率为5%和10%时,存在并行管道时的牺牲阳极保护距离有所减少。

图8 存在涂层质量不好的并行管道时目标管道处牺牲阳极的电流流向分布图Fig.8 Current distribution of sacrificed anode of target pipeline in the presence of parallel pipeline with poor coating quality

2.3.2 土壤电阻率对存在并行管道时牺牲阳极阴极保护效果的影响

图9所示为存在并行管道情况下,当涂层破损率为0.5%,并行管道相距6 m,在不同土壤电阻率条件下,采用牺牲阳极方法进行阴极保护的管道阴极保护电位分布及有效保护距离。由图可见,在牺牲阳极埋设处(即4 000 m处)的管道阴极保护电位最负,离阳极越远,电位逐渐正向偏移。随着土壤电阻率从0.942 Ω·m 增大到100 Ω·m 时,埋设牺牲阳极处管道的阴极保护电位减小了0.465 V。这是因为随着土壤电阻率的增大,由土壤产生的IR 降增大,导致管道表面的阴极保护电位相应正移。随着土壤电阻率增大,牺牲阳极对管道的保护距离缩短。对比图9与图6可知,当土壤电阻率较小(≤8.51 Ω·m)时,存在防腐层质量不高的并行管道会显著增加目标管道的保护距离;当土壤电阻率为0.942 Ω·m 时,牺牲阳极可对全管段进行阴极保护;当土壤电阻率较大(> 29.2Ω·m)时,存在防腐层质量不高的并行管道反而会降低牺牲阳极的防护效果。

图9 存在并行管道时不同土壤电阻率下目标管道的表面电位分布和有效保护距离Fig.9 Surface potential distribution and effective protection length of target pipelines under different soil resistivity and the presence of parallel pipelines

3 现场应用效果分析

现场试验中测试管道总长38 000 m,外径0.377 m,材质20#钢,防腐层为沥青玻璃丝布涂层,两侧伴有并行管道,并行管道与目标管道间距6 m,且并行管道由于铺设年代较久,涂层破损严重。在目标管道起点和终点处设有防腐工作站为其提供外加电流阴极保护,测试管道部分管段在运行时管道电位高于-0.85 V,即不满足-0.85 VCSE阴极保护准则。因此,以该管道欠保护管段为研究对象,其管段长度8 000 m,所经区域土壤电阻率为8.51 Ω·m,涂层破损率约为0.5%。

选择梯形镁合金牺牲阳极对欠保护管段施加阴极保护,单根牺牲阳极质量22 kg。采用 CS 1002恒电流仪,在模拟现场土壤溶液中测试所选AZ63B镁合金牺牲阳极(30×30×30 mm3)的工作电位和输出电流。根据GB/T17848—1999《牺牲阳极电化学性能试验方法》[23]、GB/T17731—2015《镁合金牺牲阳极》[22]和GB/T21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》[21]对镁合金牺牲阳极进行电化学性能和化学成分测试,均达到标准要求,具体参数见表2。根据GB/T21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》[21]在研究管段4 000 m位置处埋设牺牲阳极。具体流程如下:在距离目标管道两侧3 m 处开挖2个阳极坑,每个坑内安装4根牺牲阳极,各牺牲阳极的间距为1 m,平行于管道方向水平埋设;牺牲阳极安装结束后浇水浸泡,回填并恢复开挖现场;待牺牲阳极工作状态稳定,使用便携式Cu/CuSO4电极和万用表在目标管段测试桩上测量工作电位,各测试桩之间距离约为1 000 m。

表2 镁合金牺牲阳极电化学性能Tab.2 Electrochemical performance of sacrificed anode of magnesium alloy

图10所示为目标管道自腐蚀电位、正常运行时管道电位及添加牺牲阳极后的管道电位。由图可见,目标管段自腐蚀电位位于-0.581~-0.664 VCSE,正常运行电位位于-0.722~-0.815 VCSE。在镁合金牺牲阳极埋设附近管道电位最负,远离牺牲阳极,管道电位逐渐变正,极化效果降低,根据-0.85 VCSE阴极保护准则可以看出,镁合金牺牲阳极的保护距离大于2 000 m。对于采用牺牲阳极辅助阴极保护措施的管道,将其在不同涂层破损率条件下的电位有限元模拟结果与现场实测结果作比较,如图11所示。由图可见,管道实测电位与存在并行管道且涂层破损率为0.5%的目标管道模拟电位结果较为吻合,有效保护距离约为3 292 m,再次说明镁合金牺牲阳极对管道保护结果的有效性。同时说明可以通过有限元模拟计算结果对埋地管道防腐层质量进行间接评估;反之,当已知涂层破损率时,可以通过有限元模拟计算手段对管道某些难以测试的特殊位置进行电位计算。综上,当管道涂层破损率和土壤电阻率较小时,镁合金牺牲阳极可作为长输管道欠保护区域的有效辅助阴极保护措施,且防腐层质量不高的并行管道可提高牺牲阳极的保护效果。

图10 目标管道自腐蚀电位、正常运行电位及施加牺牲阳极保护措施后的管道电位Fig.10 Self-corrosion potential,normal operating potential, and sacrificial anode protection potential of target pipeline

图11 采用牺牲阳极阴极保护措施的管道模拟电位与实测电位对比图Fig.11 Comparison between simulated potential and measured potential of target pipeline with cathodic protection of sacrificed anode

图12所示为采取外加电流联合牺牲阳极的阴极保护措施前后,目标管道表面的阴保电位测量结果。测量电位时,起点处防腐站的输出电压和输出电流分别为0.9 V和0.8 A,终点处防腐站的输出电压和输出电流分别为5.0 V和7.03 A。由图12可看出,采取联合保护措施前,所研究管段的管道表面电位均高于-0.85 V,不满足-0.85 VCSE阴极保护准则,采取联合保护措施后,除了埋设牺牲阳极处电位为-1.351 VCSE,负于-1.2 VCSE(根据GB/T 21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》[21]中的埋地管道阴极保护电位不应比-1.20 VCSE更负),其余所研究管段的管道阴极保护电位分布较均匀,阴极保护电位分布介于-1.032~-1.094 VCSE之间,使目标管道欠保护管段得到有效保护。综上所述,采用牺牲阳极可以作为提高长输管道阴极保护效果的辅助手段,且保护效果良好。

图12 实施联合保护措施前后目标管道表面的阴极保护电位Fig.12 Cathodic protection potential on the surface of target pipeline before and after implementation of joint protection measures

4 结 论

(1)当长输管道涂层破损率从0.05%增加到10%时,管道所需的保护电流增大,牺牲阳极工作电位正移,保护效果减弱。当长输管道涂层破损率超过5%时,牺牲阳极辅助阴极保护方法效果不佳,应适时考虑修补或更换防腐层。

(2)随着土壤电阻率的增大,牺牲阳极有效保护距离缩短;当土壤电阻率较高时(超过30 Ω·m),长输管道辅助牺牲阳极阴极保护措施的适用性较差,应适时考虑在长输管道欠保护部位添置外加电流防腐站的方法,以保证管道的安全运行。

(3)在目标管道涂层破损率和土壤电阻率较小的情况下,存在防腐层质量不高的并行管道可以提高目标管道的防护效果。反之,当目标管道涂层破损率和土壤电阻率较大时,存在防腐层质量不高的并行管道会降低目标管道的防护效果。

(4)在目标管道涂层破损率和土壤电阻率较小的情况下,现场镁合金牺牲阳极可以提供良好的辅助阴极保护效果。

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