土壤孔隙水饱和度对埋地天然气管道腐蚀影响研究

顾 颖 冯琛然 陈 兵 芦娅妮 任金平 张 琪

（1. 天华化工机械及自动化研究设计院有限公司，甘肃 兰州 730060；2. 兰州博源生物科技有限公司，甘肃 兰州 730060；3. 宁夏天利丰能源利用有限公司，宁夏 吴忠 751000；4. 陇东学院石油化工学院，甘肃 庆阳 745000）

0 引言

天然气管道是指将天然气（包括油田生产的伴生气）从开采地或处理厂输送到城市配气中心或企业用户的管道，按照用途可分为集气管道、输气管道、配气管道，其中输气管道是整个输气系统的主体。随着天然气工行业的快速发展，因为天然气管道具有相对安全、节能、经济、环保、最为稳定有效，适宜大规模输气等优点，已成为陆地上天然气输送设施发展的主要形式，目前全球建成的管道中一半为天然气管道。过去20年，我国天然气管道行业蓬勃发展，取得了显著的成就，全国性管网逐步形成，根据有关统计资料显示，从2016～2020年，我国天然气管道里程数一直处于逐年增长的趋势，2017年全国新增天然气管道历程约2941千米，总里程达到月7.72万千米，2019年天然气管道里程数达到8.1万千米，2021年年中国天然气管道里程数达8.55万千米。如今，在环保压力日益增大的背景下，会更加凸显天然气消费的清洁性及环保性等优势，在双碳政策的背景下，天然气作为过渡性清洁能源，支持能源转型，在政策方面的支持下，也定能促进天然气消费量的大幅度增加，这也意味着未来我国将会迎来天然气管道建设和发展的黄金时代。

目前，我国天然气消费量仅次于美国居世界第二位，而俄罗斯天然气产量居世界首位，也是国际天然气市场最重要的出口国。中国和俄罗斯部分天然气管道布局情况如表1所示，可以看出天然气输送管道管线长、运行环境复杂，因此采用钢质材料的天然气管道埋在地下受不同地区土壤、环境等因素影响，外表面容易产生较大腐蚀，引发安全事故，于是国内外学者围绕埋地天然气管道腐蚀开展了许多研究工作。孙广厚[1]、丁锐等[2]、侯世颖等[3]和林新宇等[4]分析了引发埋地油气管道腐蚀的化学、电化学、杂散电流、生物化学、管道材料不均匀等因素，并针对这些因素提出了耐蚀材料防护、涂层保护、阴极保护、缓蚀剂的等防腐措施。陈艳华等[5]采用室内试验、现场验证和光谱分析结合的方法，对北方盐碱土壤环境下油田埋地金属管道外腐蚀机理进行研究。蒋秀等[6]研究了某集气站埋地管段腐蚀失效原因及腐蚀机理。刘猛等[7]基于埋地管道应力腐蚀开裂现状调查结果，分析了国内发生应力腐蚀开裂埋地管道的特点和风险。赵书华等[8]通过COMSOL软件对靠近接地极的埋地管道沿线杂散电流密度分布进行模拟分析，研究各干扰参数对管道沿线杂散电流密度分布及干扰腐蚀的影响规律。古彤等[9]针对接地极入地电流的特征以及不同环境条件，对管道金属材料腐蚀产生影响的各项参数进行调研及分析，确定了接地极对管道腐蚀产生影响的参数。杨朝晖等[10]针对机场多次发生腐蚀泄漏的钢质输油管道进行了腐蚀状况检测及数据分析。张鹏等[11]建立了管道土壤腐蚀后评价的逻辑结构模型，对管道的腐蚀壁厚进行了预测，并对该结构模型的可靠性做了评估；金龙等[12]引入云模型对埋地油气管道土壤腐蚀进行了综合评价，结果与现场勘测一致；章强等[13]对核电厂埋地管道外腐蚀状态进行检测和综合评价，并提出了埋地管道的防腐蚀措施和建议；苗金明等[14]在管道风险分析评价模型的基础上，引入管道腐蚀损伤失效理论，建立了新的城市燃气埋地钢管腐蚀失效风险评估模型。

表1 中国和俄罗斯部分天然气管道布局情况

埋地天然气管道腐蚀情况直接关系到输气过程的安全和稳定性，然而天然气管道的操作温度和工作压力等变化范围大，输送的天然气中含有各种酸、碱、盐等腐蚀性成份，经过的地形复杂多变，土壤成份多样，正是这些众多的影响因素，容易对天然气管道形成腐蚀。土壤孔隙度和含水率是土壤的主要物理参数，两者之间相互作用，并随外部环境湿度、温度及土壤结构的变化而变化，对埋地天然气管道有重要的腐蚀作用。但是从上述国内近年来的相关文献研究中可以看出，鲜有土壤孔隙水饱和度对埋地天然气管道腐蚀的影响研究。因此，本文拟采用数值模拟的方法，在建立埋地天然气管道仿真模型的基础上，对其进行数值模拟，研究土壤孔隙度和含水率对埋地天然气管道腐蚀速率的影响。对我国天然气运输行业管道防腐，确保天然气安全运输具有重要意义。

1 模拟软件和数值模型

1.1 数值模拟软件

COMSOL软件是由瑞典COMSOL公司基于先进数值方法，研发的一款集成了传热、CFD、化学反应工程、结构力学、微流、电池与原料电池、岩土力学、多孔介质流、电镀、等离子体、管道流、腐蚀、非线性力学等模块于一体的单一物理场及多物理场耦合的通用有限元仿真软件，能够在同一界面中实现从完整的几何建模流程到结果计算，模拟这些模块真实场景下的物理现象，设计和优化实际工程问题。其中COMSOL软件中的腐蚀模块能够对诸如原电池腐蚀、点蚀以及缝隙腐蚀等进行建模和模拟，还包括对阴极保护、牺牲阳极保护和阳极保护等体系的模拟。

1.2 数值模型

本文采用COMSOL软件，建立天然气管道（阴极）、土壤（电解质）和锌（阳极）组成的电化学腐蚀系统的二维横截面数值模型如图1所示，矩形表示土壤，矩形上边半圆表示钢材质的埋地天然气管道，阳极锌被均匀的涂覆在表示土壤的矩形左边上，电流从矩形左侧流入天然气管道后从矩形右侧流出。通过对该数值模型进行模拟计算，得到土壤孔隙水饱和度对埋地天然气管道表面不同位置处电极电位、局部氧气浓度、局部氧化还原电流密度、局部析氢电流密度、界面处铁腐蚀电流密度的影响规律，进而研究土壤孔隙水饱和度对埋地天然气管道腐蚀速率的影响。

图1 数值模型

2 土壤域电场分布方程和边界条件

2.1 土壤域电场分布方程

土壤是一种多孔材料，孔隙度和含水率影响离子和气体的传递性，因此在模型中使电解质的电导率和氧气扩散系数会随着土壤孔隙水饱和度变化，这样电解质电导率和氧气扩散系数就是土壤孔隙水饱和度的函数。使用二次电流分布接口对电化学电流进行建模计算，电解质电导率与空隙水饱和度呈现正比例关系。氧气的传递是利用稀物质传递接口来描述，氧气扩散系数与空隙水饱和度呈现反比例关系。

2.2 边界条件[15]

选择阳极锌的电位为接地，假设Zn阳极的反应动力学非常快，可以忽略激化，因此设置电解质电位为：

其中Eeq,Zn是现场测试的锌电极平衡电位，设置为-0.68V。Zn阳极上的氧气浓度采用大气中的氧气浓度值：

在天然气管道边界上考虑铁氧化、氧还原及析氢三个不同的电极反应：

这些反应的动力学通过电极表面节点进行建模，在该边界条件上，天然气管道的外电位фs,steel，设置为施加的电池电位-1V。

天然气管道反应的电极动力学根据塔菲尔表达式描述：

使用表2中参数，其中每个反应的过电位都根据以下公式计算：

表2 反应参数

根据法拉第定理，在天然气管道表面发生的氧化还原反应产生氧气通量，要设置这一通量，在电极反应节点中输入化学当量系数。其他边界都应用绝缘类型的对称边界条件，大气浓度则用氧气浓度的初始值。

3 模拟结果与分析

3.1 电解质电位和氧气浓度

埋地天然气管道腐蚀模型属于稳态方程，因此选用软件自带的PDE模式进行稳态分析，其中孔隙水饱和度参数的扫描从0.2～0.8。如图2所示为孔隙水饱和度为0.8时的电解质电位分布云图，从图中可以看出受天然气管道的影响土壤电解质电位分布不均匀，天然气管道左侧的电解质电位高，右侧电解质电位低。如图3所示为孔隙水饱和度为0.8时电解质中氧气浓度分布云图，从图中可以看出天然气管道左侧的电解质中氧气浓度高，右侧电解质中氧气浓度低，且距离越远浓度越低，而天然气管道附近的氧气浓度最低，说明在孔隙水饱和度为0.8时氧气的反应受质量传递的限制。

图2 孔隙水饱和度为0.8时的电解质电位分布云图

图3 孔隙水饱和度为0.8时的氧气浓度分布云图

工作电极电位是电极电位和电解质电位之差，是影响天然气管道腐蚀的重要因素。图4所示是天然气管道-土壤界面三个不同位置处（前、中、后）在不同孔隙水饱和度情况下的工作电极电位，从图中可以看出，随着孔隙水饱和度的增加工作电极电位均呈现降低的趋势，当孔隙水饱和度为0.6时随着孔隙水饱和度的增加工作电极电位开始显著降低。图5所示为天然气管道-土壤界面三个不同位置处在不同孔隙水饱和度时天然气管道上的局部氧气浓度，从图中看出随着孔隙水饱和度的增大天然气管道-土壤界面三个不同位置处局部氧气浓度呈现降低趋势，从0.4开始三个不同位置处局部氧气浓度显著降低，从0.7开始氧气浓度下降趋于平缓，这是因为当孔隙水饱和度增加时降低了土壤中的氧气扩散速率。

图4 天然气管道-土壤界面三个不同位置处工作电极电位

图5 天然气管道-土壤界面三个不同位置处局部氧气浓度

3.2 各类电流密度分布

如图6所示为天然气管道-土壤界面处局部氧化还原电流密度，从图中可以看出当孔隙水饱和度在0.2～0.6之间时，随着孔隙水饱和度的增加局部氧化还原电流密度增大，这是因为在该段电解质电导率是增大的；当孔隙水饱和度在0.6～0.8之间时，随着孔隙水饱和度的继续增加局部氧化还原电流密度减小，因为该段氧气扩散速率的是下降的；孔隙水饱和度在0.6～0.65范围时，还原电流的绝对值最大。

图6 天然气管道-土壤界面三个不同位置处局部氧化还原电流密度

如图7所示为天然气管道-土壤界面三个不同位处置局部析氢电流密度，从图中可以看出孔隙水饱和度小于0.65时，析氢反应很微弱，几乎不进行，此时析氢反应的电极电位低于平衡电位。天然气管道-土壤界面三个不同位置处铁腐蚀电流密度如图8所示，图中可以看出在较低的孔隙水饱和度时铁腐蚀电流密度更高，这是因为低孔隙水饱和度时会有更高的电极电位，通常情况下，铁氧化电流越低，意味着天然气管道得到了越好的保护。

图7 天然气管道-土壤界面三个不同位处置局部析氢电流密度

图8 天然气管道-土壤界面三个不同位置处铁腐蚀电流密度

4 结语

本文对天然气管道在土壤中腐蚀过程建立数学模型并进行数值模拟。研究了在不同孔隙水饱和度下工作电极电位、局部氧气浓度、局部氧化还原电流密度、局部析氢电流密度、铁腐蚀电流密度的变化情况，得到如下结论。

（1）工作电极电压、局部氧气浓度、铁腐蚀电流密度随孔隙水饱和度的增大而降低。工作电极电压在孔隙水饱和度为0.65时显著降低，局部氧气浓度、铁腐蚀电流密度在孔隙水饱和度在0.7左右之后趋于稳定，基本不再发生变化；

（2）局部氧还原电流密度随孔隙水饱和度先减小后增大，在0.65左右达到极小值，局部析氢电流密度在孔隙水饱和度低于0.65时基本保持不变，在高于0.65之后急剧下降；

（3）综上所述，泥土孔隙水饱和度在0.65～0.7之间天然气管道腐蚀速率最慢，防腐效果最好。