美国西南研究院设计出可预测腐蚀风险的计算机模型



美国西南研究院设计出可预测腐蚀风险的计算机模型

美国西南研究院（SwRI）的工程师开发出CAsed管道腐蚀模型，即CAPCOM，来检测复壁管段的腐蚀情况。CAPCOM原理是应用有限元法（FEM）对管道腐蚀情况建立数学模型。利用有限元法对复杂表面、结构以及天气系统进行建模，把问题分解成许多小的、易解决的单元，这些单元就称为“有限元”。对这些较小单元的求解，推导出整个问题的近似解。对于复壁管道，运用有限元法可对管道完整性、服役寿命和腐蚀风险进行更好的预测。在一些不能进行目测和内检测的管段，CAPCOM可为这些管段提供重要的腐蚀信息。通过评估复壁管段处的管地电位，以及主管的腐蚀速率，CAPCOM可帮助人们判定复壁管段是否得到充分保护，或是否需要进行防护性维修。CAPCOM可对复杂腐蚀情况进行建模，包括主套管之间的电解接触或电解加金属接触。对使用阴极保护系统的管段，CAPCOM可定量分析阴极保护系统的防腐蚀效果。当主套管发生电解接触时，CAPCOM还可定量管道所需的阴极保护电流。

同无套管管道上的阴极保护系统模型上的参数一样，CAPCOM使用基本数学输入参数（如涂层质量、管道材质、阳极输出和流经土壤和电解质的电流）。除此之外CAPCOM还添加了套管自身的输入参数。CAPCOM对有套管管段和无套管管段的输入参数包括尺寸规格，涂层性能，土壤特性和主套管空隙间的电解特性，同时还可分析用于保护主套管的阴极保护设计。CAPCOM的有限元方法得出了用于预测复壁管段腐蚀状况的模型方程。利用此模型方程CAPCOM可模拟影响主管的各种工况条件，比如，土壤在复壁管段附近的不同区域是如何导电和抑制电流传导的。当为同质介质建模时，基于边界元法的软件应用效果最佳，比如管道附近相同特性的土壤，但当为管道附近土壤和含有不同化学成分及含水量的其他填土材料建模时，效果不佳。CAPCOM可以通过对主套管之间的电阻和电解质分别建模来判定金属接触和电解接触情况。还可对主套管段的内外部涂层漏点进行建模。

同人工目测检测相比，CAPCOM花费费用较少。人工目测需要移除管道上的表层土，让套管两端暴露出来，用检测工具对管道内部进行检测。根据套管尺寸和不同位置，人工目测检测需要花费5万-10万美元。相比之下，利用CAPCOM软件分析管道时，只需用于分析的相关工程时间。初次购买这套软件约耗费3.5万美元，但可使无限次对管道进行评估。人工目测检测管道还需同时使用清管器对管道进行内检测，每公里需花费1-2万美元，因为用于发射和接收清管器的站场通常20-50英里远，实际检测时间较长。清管检测一般每5年进行一次，因此不能有效的检测管道腐蚀情况，预防腐蚀引发的管道损坏。

CAPCOM需要大量的输入参数来模拟复壁管道的腐蚀状况，这些参数通过实地测量获得，有些参数很难得到。不过SwRI团队对CAPCOM软件进行公式化处理后解决了这个问题。当某一参数值无法获取时，用具有可变范围的标称值代替，这样就可以在一定范围内对管道进行模拟，预测得出该范围内管道腐蚀状况和管道套管的电极电位。CAPCOM作为一种建模工具，不但能检测管道，还可评价管道的防腐产品。CAPCOM可对受自身条件限制很难检测的关键管段进行检测，预测管道剩余寿命。

吴超 孙冰源 编译自Pipeline & Gas Journal官网