冀潔梅 何川 王文明

1.中國石油物資滄州有限公司北京分公司 2.中國石油大學(xué)(北京)機械與儲運工程學(xué)院

隨著社會的快速發(fā)展，城市建設(shè)規(guī)模不斷擴大，大埋深管道在現(xiàn)代化城市建設(shè)中發(fā)揮著重要作用[1]。大埋深管道是指埋深較大的管道。由于大埋深管道長時間埋于地下，在溫度、土壤、水分等環(huán)境的影響下，管道的防腐層容易出現(xiàn)老化、損壞、脫落，甚至導(dǎo)致管道破裂、穿孔，從而引發(fā)管道的泄漏，在給國家和社會帶來巨大經(jīng)濟財產(chǎn)損失的同時，也會造成環(huán)境污染和災(zāi)難事故的發(fā)生[2-5]。

為避免由于防腐層損壞導(dǎo)致重大事故的發(fā)生，應(yīng)采取有效的方式檢測大埋深油氣管道防腐層的破損情況。在檢測防腐層情況的實際工況下，目前運用的常見手段有直流電位梯度測試、PCM法、Pearson法、CIPS法等，通過檢測結(jié)果可以掌握防腐涂層的具體信息[6-9]。然而受復(fù)雜管道環(huán)境以及不斷升級的管道技術(shù)的影響，我國對管道外檢測提出了更高的要求，單一化的檢測模式已無法滿足管道發(fā)展的需求[10-13]。

針對當(dāng)前大埋深油氣管道防腐層破損檢測技術(shù)存在的弊端，利用電磁波衰減理論，對大埋深管道檢測防腐層破損處的變化規(guī)律進行了分析，同時，采用Comsol仿真軟件建立了相應(yīng)的三維埋地管道仿真模型來模擬管道防腐層破損檢測研究。

1 大埋深管道檢測防腐層破損處變化規(guī)律

為了研究大埋深管道檢測防腐層破損處的變化規(guī)律，采用電磁波衰減理論進行分析，無界、無源的導(dǎo)電介質(zhì)的麥克斯韋方程組表達見式(1)。

(1)

由(1)得：

(2)

通過對上述公式的推導(dǎo)和轉(zhuǎn)化，得出的波動方程見式(3)和式(4)。

(3)

γ2=ω2μεc

(4)

假設(shè)在直角坐標(biāo)系，一個沿著z軸正方向傳播的均勻的電場強度大小只有x的一個分量Ex的平面電磁波，它的波動方程的一個解是：

E=exE0e-jrz

(5)

式中:ex為沿x軸正向的單位矢量;E0為電場在地表時的初始振幅 ,V/m;z為笛卡爾坐標(biāo)系的z軸坐標(biāo),m。

令γ=β-jα，則：

E=exE0e-j(β-jα)z=exE0e-αze-jβz

(6)

式中：α為電磁波衰減常數(shù)；β為相位常數(shù)；γ為傳播常數(shù)。

由上式可得電場強度E隨著因子z的增大而減小，所以電場強度的瞬時表達式為：

E(z,t)=exEme-αzcos(ωt-βz+φ0)

(7)

式中:Em為電場強度的振幅值；φ0代表電場強度的初相角，t為時間，即：

E0=Eme-jφ0

(8)

因為：

γ2=ω2μεc

(9)

所以：

(10)

故有：

β2-α2-j2αβ=ω2με-jωμσ

(11)

從而可以推出 ：

β2-α2=ω2με

(12)

2αβ=ωμσ

(13)

由以上的方程可以解得：

(14)

時諧平面電磁波情況下，由麥克斯韋推出電場強度波動方程：

(15)

(16)

式中：kc為復(fù)波數(shù)，在垂直地面入射的平面電磁波條件下，可以由波動方程解出的電場強度的表達式如下：

E(z,t)=exE0e-j(β-jα)

(17)

電磁波在有損介質(zhì)中傳播會逐漸衰減，電場與磁場的最大幅度會隨傳播距離的增大按照e-αz的指數(shù)規(guī)律慢慢減小，衰減的快慢速度取決于衰減率α：

(18)

對衰減系數(shù)公式進行取極限：

(19)

(20)

(21)

綜上可知，電磁波衰減系數(shù)的極限是一個只與電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、介電常數(shù)有關(guān)的正數(shù)。其在傳播過程中呈指數(shù)形式衰減。通常情況下，電磁波衰減系數(shù)會隨頻率的增大而增大，但當(dāng)頻率達到了一定數(shù)值以后，電磁波衰減系數(shù)基本上不會再隨頻率的增大而一直增加；當(dāng)頻率增大到某個極值后，衰減系數(shù)會急劇下降。

2 仿真分析

通過Comsol軟件對管道進行分析，埋地管道建?；緟?shù)見表1，模型材料屬性見表2。管道內(nèi)的介質(zhì)是空氣，土壤模型采用半徑為15 m、高10 m的圓柱體, 位于正中間的防腐層破損處俯視圖為20 mm×20 mm正方形，用土壤材料填充破損處。

表1 埋地管道建?；緟?shù)模型管徑/mm管長/m壁厚/mm埋深/m防腐層厚度/mm參數(shù)325106103

表2 模型材料屬性定義參數(shù)有限元模型材料電導(dǎo)率/(S·m-1)相對磁導(dǎo)率/(H·m-1)相對介電常數(shù)/(F·m-1)土壤層泥土50155管道45號鋼0.000 012001防腐層3PE0.000 0113管內(nèi)介質(zhì)空氣0.000 000 0111

為了分析土壤層表面的電流密度，在平行于管道軸向方向上設(shè)置一條路徑，且該直線也正好處于管道防腐層破損處的正上方。通過檢測該軸線上的電流密度大小來研究大埋深管道的具體變化規(guī)律。

當(dāng)管道防腐層完好時，設(shè)置該路徑與管道的垂直距離分別為0.2 m、3 m、6 m、10 m，對應(yīng)的電流密度曲線見圖1。由圖1可以看出，當(dāng)管道防腐層完好時，土壤層距離管道0.2 m、3 m、6 m平行管道軸線土壤層上直線的電流密度大小基本一致，但是隨著土壤層上設(shè)置路徑和管道軸線距離的增大，路徑上的電流密度數(shù)值逐漸減小，而且深度越大，其數(shù)值越小，檢測難度就會增加，對相應(yīng)檢測設(shè)備的要求也會越來越高。

當(dāng)防護層破損時，不同埋深的電流密度曲線見圖2。從圖2可看出，當(dāng)管道防腐層存在破損時(破損點在管道正中間，大小為20 mm×20 mm)，土壤層距離管道0.2 m、3 m、6 m、10 m設(shè)置路徑上的電流密度會先緩慢增大，在管道正中心達到最大值后再慢慢變小，可以根據(jù)峰值的大小和其突變判斷防腐層破損點的位置；在豎直方向上，隨著距離的增大，峰值也在變小，即管道埋地越深，破損處產(chǎn)生的電流到地面的信號強度越微弱，檢測難度越大。電流密度最大時(即在5 000 mm處)為防腐層破損點的位置，在管道埋地0.2 m處較明顯。

在管道服役過程中，由于人為或環(huán)境因素，管道可能會在不同位置造成不同程度的損傷。為了研究上述情況下電流的傳輸方式，將防腐層破損點設(shè)置在管道中心5 m處，且破損區(qū)域邊長分別為10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 的正方形破損。埋深10 m時不同破損點的電流密度見圖3。由圖3可知，當(dāng)管道防腐層存在破損點時，管道上的電流從管道防腐層的破損點處流進土壤，以破損點為球心往四面八方傳播。隨著管道防腐層破損面積的增大，流進土壤的電流也就越大，土壤層上路徑的曲線峰值也就越高，破損點的正上方電流密度要比兩邊的電流密度大，曲線趨勢呈一個反U字型；邊長為30 mm的正方形的破損區(qū)域處電流密度最大，由此方法可檢測埋地管道防腐層的破損程度。

除此之外，通過改變激勵電流的頻率也可以實現(xiàn)對大埋深管道防腐層破損時的檢測研究，控制頻率為8 Hz、32 Hz、64 Hz、128 Hz、256 Hz，檢測電流密度情況，見圖4。由圖4可知，當(dāng)管道埋深和防腐層上破損點相同時，施加相同大小的電流信號源，激勵頻率越小，土壤層上路徑的電流密度越大。管道上泄漏的電流在低頻情況下穿透土壤的能力越強，其峰值也隨著頻率的減少而增大。

綜合以上研究，對大埋深油氣管道防腐層破損規(guī)律進行了進一步分析。如圖5所示，通過鐘表切分法將管道切分成多份，然后從中選取幾個鐘點方向的個點作為分析點，進而更清晰地分析管道防腐層破壞規(guī)律。以管道橫切面圓心位置為原點，順管道一周將管道切分為8塊，從中選取5個點作為分析點，分別為A1(4點鐘方向)、A2(3～9點鐘方向)、A3(12點鐘方向)、A4(10點鐘方向)、A5(3點鐘方向)。然后將帶有破損的管道展開，如圖6所示。A2位置處的防腐層破損較為嚴(yán)重，A4處的防腐層破損較弱，管道A1～A5位置的防腐層破損程度如表3所示。由此可得，在實際工況中，深埋管道的A1和A2位置較薄弱，更容易出現(xiàn)破損，應(yīng)加強該處的防護。該方法能夠較為便捷地發(fā)現(xiàn)油氣管道防腐層相對薄弱的位置，對于進一步研究大埋深油氣管道防腐層破損規(guī)律及解決措施提供了良好的參考。

表3 埋地管道展開管道破損位置位置管圓周時鐘位置破損程度A14點鐘較高A23～9點鐘高A312點鐘中等A410點鐘最低A53點鐘較低

3 結(jié)論

研究了大埋深管道的探測檢測過程，通過利用電磁波衰減的理論研究，對大埋深管道檢測防腐層破損處的變化規(guī)律進行了分析；通過Comsol軟件建立了相應(yīng)的三維埋地管道仿真模型來模擬管道防腐層破損檢測研究，得出以下結(jié)論：

(1) 當(dāng)管道防腐層完好或者破損時，仿真結(jié)果所得曲線存在巨大的差異。當(dāng)管道防腐層完好時，檢測到土壤層軸線的電流密度和磁場強度大小基本一致，曲線圖形是一條直線；當(dāng)管道防腐層破損以后，管道中的電流泄漏，在土壤層軸線上檢測到的電流大小是一個倒U字型曲線，在破損位置的電流大小是最大的。

(2) 當(dāng)大埋深管道防腐層存在不同破損點時，管道防腐層破損面積越大，流進土壤的電流也就越大，土壤層上路徑的電流密度大小曲線峰值也就越高。

(3) 當(dāng)其他基本條件都一樣時，施加激勵頻率越小，對檢測大埋深管道的破損情況越有利。