王 鵬，譚川江，趙玉飛，王福善，常澤亮，陳廣明，解魯平

(1. 中國石油天然氣集團有限公司塔里木油田分公司，新疆 庫爾勒 841000；2. 中國石油集團工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451)

0 前 言

絕緣接頭是陰極保護系統(tǒng)的重要附屬設(shè)施，主要用來分割保護管道與非保護管道、干擾區(qū)與非干擾區(qū)，以提高管道的陰極保護效率和隔斷雜散電流，其電絕緣性能嚴(yán)重影響陰保系統(tǒng)的有效性，對于管道的安全運行起著重要作用[1]。絕緣接頭保護側(cè)采取的陰極保護措施導(dǎo)致保護側(cè)與非保護側(cè)的管地電位不同，能產(chǎn)生0.5～1.0 V的電位差。這對沒有陰極保護的管道部分內(nèi)表面構(gòu)成陽極性腐蝕危險，一旦管輸介質(zhì)具有良好的導(dǎo)電性，管道內(nèi)壁就會被迅速腐蝕，其腐蝕機理如圖1所示。目前國內(nèi)各大油田均出現(xiàn)多次絕緣接頭非保護側(cè)內(nèi)腐蝕穿孔泄漏的現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了管道的安全運行。絕緣接頭非保護側(cè)內(nèi)腐蝕具有一定的規(guī)律性和普遍性，但國內(nèi)對于其腐蝕影響因素及規(guī)律尚存爭論。

隨著陰極保護應(yīng)用范圍的不斷擴大，陰極保護所要保護的對象越來越復(fù)雜，利用公式計算無法對復(fù)雜的被保護結(jié)構(gòu)上的陰極保護電位分布做出準(zhǔn)確的評價；在計算機技術(shù)飛速發(fā)展的今天，很多微型計算機的性能已經(jīng)超過了原來的大型計算機，隨之而來的是數(shù)值計算方法有了空前的發(fā)展。近年來，使用數(shù)值模擬計算方法來研究陰極保護體系的電位和電流分布成為陰極保護技術(shù)發(fā)展的一個新方向，如有限元法[2，3]、有限差分法[4]、邊界元法[5，6]等多種數(shù)值計算方法已成功應(yīng)用于陰極保護問題的數(shù)值計算中，具有預(yù)知性強、設(shè)計更具理論依據(jù)、影響因素和規(guī)律更容易量化等優(yōu)點。

本工作采用陰極保護BEASY計算軟件，建立了埋地管道絕緣接頭保護側(cè)與非保護側(cè)陰極保護系統(tǒng)模型，耦合了有限元和邊界元的計算方法，研究了不同內(nèi)部介質(zhì)導(dǎo)電率、保護側(cè)與非保護側(cè)電位差和內(nèi)涂層破損率等影響因素對絕緣接頭非保護側(cè)內(nèi)的腐蝕影響規(guī)律，是國內(nèi)首次系統(tǒng)地開展埋地管道絕緣接頭非保護側(cè)內(nèi)腐蝕影響因素及規(guī)律的研究，對于明確絕緣接頭非保護側(cè)內(nèi)腐蝕的影響因素及其規(guī)律，有效抑制內(nèi)腐蝕的發(fā)生具有重要意義。

1 數(shù)值模擬

1.1 幾何模型建立

選取典型的帶有絕緣接頭的埋地管道結(jié)構(gòu)，構(gòu)建計算的幾何模型如圖2所示。其中管道材質(zhì)為20鋼，規(guī)格為φ219 mm×10 mm，埋深為2 m。陰極保護側(cè)和非保護側(cè)管道外壁均帶有熱縮套防腐層，保護側(cè)管道內(nèi)壁為裸鋼，非保護側(cè)管道內(nèi)壁帶有涂層，常見的涂層破損率為1%，設(shè)定為5個均勻破損點的情況，沿非保護側(cè)等距分布。陰極保護側(cè)管道陰極保護系統(tǒng)是以深井陽極(MMO)為地床的外加電流陰極保護系統(tǒng)，深井陽極地床的深度為80 m，距離管道100 m。

1.2 邊界條件及參數(shù)設(shè)定

本數(shù)值模擬中涉及輔助陽極、管道外壁和管道內(nèi)壁等結(jié)構(gòu)的邊界條件。其中，輔助陽極采用恒電流邊界條件，即陽極輸出電流/陽極表面積，通過條件陽極輸出電流可得到絕緣接頭兩側(cè)不同大小的電位差；管道外壁和管道內(nèi)壁均采用極化邊界條件，當(dāng)管道裸露時管材在土壤中和在不同濃度NaCl介質(zhì)中的極化曲線及化學(xué)參數(shù)如圖3和表1所示，所用土壤為農(nóng)田黏質(zhì)土，呈弱堿性(pH值8.38)，礦化度較高(主要為 Cl-、SO42-、K+、Na+、Mg2+、Ca2+等離子)，水溶性鹽總量為 72.4 g/kg，電阻率測試值為10 Ω·m，對應(yīng)電導(dǎo)率為0.1 S/m。有涂層管道未破損處的邊界條件為電流密度等于0。

表1 20鋼在不同介質(zhì)環(huán)境下的電化學(xué)參數(shù)

1.2.1 介質(zhì)導(dǎo)電率

考察的內(nèi)部介質(zhì)分別為5%(質(zhì)量百分數(shù)，下同)，10%，15%，20%，25%NaCl溶液5種，20鋼在上述5種溶液中的極化曲線如圖3b所示，5種介質(zhì)的電導(dǎo)率分別為5.4，10.6，16.4，22.9，30.3 S/m。

設(shè)定的其他相同條件為非保護側(cè)內(nèi)涂層破損率為1%和保護側(cè)與非保護側(cè)電位差為1 000 mV(陽極輸出電流為1.020 A)。

1.2.2 電位差

考察的保護側(cè)與非保護側(cè)電位差為0，500，1 000，1 500 mV，此時對應(yīng)的陽極輸出電流分別為0，0.394，1.020，1.902 A，該電流主要用于保護絕緣接頭保護側(cè)的2 m管道，保護面積為6.55×105mm2。

設(shè)定的其他相同條件為內(nèi)部介質(zhì)為25%NaCl溶液和非保護側(cè)內(nèi)涂層破損率為1%。

1.2.3 涂層破損率

考察的非保護側(cè)內(nèi)壁涂層(總面積為1.31×106mm2)破損率為0.1%，1.0%，10.0%，100.0%，在涂層破損率為0.1%，1.0%，10.0%時設(shè)置5個獨立圓形缺陷，單個破損點面積分別為262.504，2 625.040，26 250.400 mm2。

設(shè)定的其他相同條件為內(nèi)部介質(zhì)25%NaCl溶液和保護側(cè)與非保護側(cè)電位差為1 000 mV(陽極輸出電流為1.020 A)。

2 結(jié)果與分析

絕緣接頭保護側(cè)施加陰極保護后，管地電位負移，在其周圍形成陰極電勢場。絕緣接頭非保護側(cè)剛好處于陰極電勢場影響范圍內(nèi)，當(dāng)非保護側(cè)內(nèi)涂層存在漏點時，就會發(fā)生放電，即在非保護側(cè)影響區(qū)外的遠端管道外防腐層破損處吸收陰極保護電流和其他雜散電流，形成陰極干擾，產(chǎn)生陽極電流。如果管道中存在良好的導(dǎo)電介質(zhì)，由于管道與介質(zhì)的界面電阻(Rml)遠小于管道接地電阻(Rmg)，且介質(zhì)電阻(Rl)遠小于土壤電阻(Rg)和絕緣接頭電阻(Rd)，因此，陽極電流沿導(dǎo)電介質(zhì)(離子通路)流入保護側(cè)管體，經(jīng)匯流點流回電源陰極，絕緣接頭非保護側(cè)電流流出點發(fā)生腐蝕。

2.1 內(nèi)部介質(zhì)導(dǎo)電率對非保護側(cè)內(nèi)腐蝕的影響規(guī)律

設(shè)定非保護側(cè)涂層破損率為1%、保護側(cè)與非保護側(cè)電位差為1 000 mV(陽極輸出電流1.020 A)，當(dāng)內(nèi)部介質(zhì)為5%NaCl溶液時，數(shù)值模擬得到非保護側(cè)內(nèi)壁總的泄漏電流量為0.278 A，最大泄漏電流密度為190.14 A/m2。此時，管道外壁和內(nèi)壁的電位及電流密度(電流密度為負表示電流從介質(zhì)流向管道，管道被保護；電流密度為正表示電流從管道流向介質(zhì)，管道被腐蝕)分布云圖如圖4所示。從圖4a可以看出，保護側(cè)管道外壁(左)電位明顯負于非保護側(cè)管道外壁(右)電位，而非保護側(cè)電位也明顯負于管道在土壤中的自然電位(-673 mV)。 這表明保護側(cè)管道和非保護側(cè)管道外壁均得到了陰極保護，如圖4c所示保護側(cè)獲得的電流更多，占比為(1.020-0.278) A/1.020 A=72.7%。從電流密度分布云圖也可以印證該結(jié)論。保護側(cè)管道內(nèi)壁(左)電位明顯負于非保護側(cè)管道內(nèi)壁漏點處(右)電位，結(jié)合電流密度分布云圖可知，保護側(cè)管道內(nèi)壁電流密度為負值，即獲得了陰極保護電流，在接頭位置處獲得的電流密度達到最大；非保護側(cè)管道內(nèi)壁電流密度為正值，即電流流出。在接頭位置處，流出的電流密度達到最大，高達130.14 A/m2，該位置最大腐蝕速率可達150.96 mm/a。

通過改變邊界條件，即不同介質(zhì)下20鋼的極化曲線，進行了管道內(nèi)壁介質(zhì)為10%、15%、20%和25%NaCl時的數(shù)值模擬計算，其結(jié)果見表2。從表2可以看出，腐蝕電流密度隨著內(nèi)部介質(zhì)導(dǎo)電率的升高而增大，腐蝕速率也相應(yīng)地變大。

表2 內(nèi)部介質(zhì)導(dǎo)電率計算結(jié)果

2.2 兩側(cè)電位差對非保護側(cè)內(nèi)腐蝕的影響規(guī)律

設(shè)定非保護側(cè)涂層破損率為0.1%、管道內(nèi)壁介質(zhì)為25%NaCl溶液，當(dāng)保護側(cè)與非保護側(cè)的電位差為0，即陽極輸出電流為0時，在非保護側(cè)內(nèi)壁總的泄漏電流量約為0，最大泄漏電流密度也約為0。此時，管道外壁和內(nèi)壁的電位及電流密度分布云圖如圖5所示。從圖5可以看出，保護側(cè)管道外壁電位和非保護側(cè)管道外壁電位均為自然電位(-673 mV)，電流密度分布云圖電流密度約為0。保護側(cè)管道內(nèi)壁電位和非保護側(cè)管道內(nèi)壁漏點處電位也都為內(nèi)壁環(huán)境下的自然電位，即-837 mV。結(jié)合電流密度分布云圖可知，保護側(cè)和非保護側(cè)管道內(nèi)壁電流密度均約等于0，顯示數(shù)值為計算誤差。此時，管道內(nèi)壁幾乎不發(fā)生腐蝕。

通過改變邊界條件，即陽極輸出電流，進行了保護側(cè)與非保護側(cè)電位差分別為500，1 000，1 500 mV時的數(shù)值模擬計算，25%NaCl介質(zhì)下計算結(jié)果見表3。從表3可以看出在非保護側(cè)內(nèi)壁總的泄漏電流量即從非保護側(cè)外壁和內(nèi)壁流入到保護側(cè)管道內(nèi)壁的電流量，以及非保護側(cè)管道內(nèi)壁最大泄漏電流密度，均隨著電位差的增大而升高，這意味著腐蝕速率的增大。

表3 保護側(cè)與非保護側(cè)電位差計算結(jié)果

2.3 非保護側(cè)內(nèi)壁涂層破損率對非保護側(cè)內(nèi)腐蝕的影響規(guī)律

設(shè)定保護側(cè)與非保護側(cè)電位差為1 000 mV(陽極輸出電流1.020 A)、內(nèi)部介質(zhì)為5%NaCl溶液，當(dāng)涂層破損率為0.1%時，在非保護側(cè)內(nèi)壁總的泄漏電流量為0.250 A，最大泄漏電流密度為539.20 A/m2。此時，管道外壁和內(nèi)壁的電位及電流密度分布云圖如圖6所示。從圖6可以看出，保護側(cè)管道外壁電位明顯負于非保護側(cè)管道外壁電位，而非保護側(cè)電位也明顯負于自然電位(-673 mV)。 這表明保護側(cè)管道和非保護側(cè)管道外壁均得到了陰極保護，保護側(cè)獲得的電流更多，占比為(1.020-0.250) A/1.020 A=75.5%。從電流密度分布云圖也可以印證該結(jié)論。保護側(cè)管道內(nèi)壁電位明顯負于非保護側(cè)管道內(nèi)壁漏點處電位，結(jié)合電流密度分布云圖可知，保護側(cè)管道內(nèi)壁電流密度為負值，即獲得了陰極保護電流，在接頭的位置處獲得的電流密度達到最大；非保護側(cè)管道內(nèi)壁電流密度為正值，即電流流出。在接頭的位置處，流出的電流密度達到最大，高達539.20 A/m2，該位置最大腐蝕速率可達625.49 mm/a。

通過改變非保護側(cè)內(nèi)涂層破損率，分別進行了內(nèi)涂層破損率為1.0%，10.0%，100.0%時的數(shù)值模擬計算，其結(jié)果見表4。從表4可以看出，在非保護側(cè)內(nèi)壁總的泄漏電流量即從非保護側(cè)外壁和內(nèi)壁流入到保護側(cè)管道內(nèi)壁的電流量，隨著涂層破損率的增大而升高，而非保護側(cè)管道內(nèi)壁涂層破損處最大泄漏電流密度隨著涂層破損率的增大而降低。

表4 非保護側(cè)內(nèi)涂層破損率計算結(jié)果

2.4 泄漏電流量與各影響因素之間的關(guān)系擬合

數(shù)值模擬結(jié)果顯示在干擾下絕緣接頭處管道內(nèi)壁電位偏移較大即出現(xiàn)強極化，對于該種情形，文獻[7]中提供了干擾下電絕緣處金屬管段腐蝕電流密度J0的預(yù)測公式：

(1)

根據(jù)公式(1)可知，表征泄漏電流或電流密度的主要參數(shù)包括：電位差△U、電阻率ρ、陽極塔菲爾常數(shù)β等變量，以及在計算模型中已經(jīng)固定的絕緣段長度L、管道半徑r和涂層破損率f。前述的數(shù)值模擬結(jié)果顯示，泄漏電流量與電位差△U和涂層破損率f正相關(guān)，分別調(diào)整冪次進行線性擬合；與介質(zhì)電阻率ρ和陽極塔菲爾常數(shù)β負相關(guān)，調(diào)整二者之積的冪次進行線性擬合。將上述擬合得到的方程乘積，得到綜合該4項影響參數(shù)的泄漏電流量表達式：

(2)

式中，I′為綜合參數(shù)，是基于數(shù)值模擬中參數(shù)的電位差△U、涂層破損率f、電阻率ρ和陽極塔菲爾常數(shù)β利用上述公式求得；I為數(shù)值模擬獲得的泄漏電流量。匯總表2至表4中的數(shù)據(jù)繪制泄漏電流量I和綜合參數(shù)I′的數(shù)據(jù)點如圖7所示，利用公式(2)進一步擬合得到系數(shù)a=1.604，擬合方差為0.993，代入系數(shù)后得到泄漏電流量的表達式為：

(3)

3 結(jié) 論

針對埋地管道絕緣接頭非保護側(cè)內(nèi)腐蝕影響因素進行了數(shù)值模擬研究，結(jié)論如下：

(1)絕緣接頭非保護側(cè)內(nèi)腐蝕是一種直流雜散電流干擾造成的不均勻局部腐蝕，影響因素主要為保護側(cè)與非保護側(cè)電位差、介質(zhì)導(dǎo)電率和非保護側(cè)內(nèi)涂層破損率，也與管徑大小和長度有關(guān)。