套管对输油管道阴极保护电位影响数值模拟研究

郭 金，冀光峰，林洞峰，把全龙，陈 希，李 佳

1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300450

2.中国民航大学，天津 300300

目前原油、成品油、天然气等介质的长距离输送主要采用埋地管道输送。埋地输油管道在穿越公路、铁路、沟渠、河流、山谷、沼泽等特殊地段时，为了防止外力对输油管道造成挤压和破坏，以及为了便于日后对管道进行运行维护，一般会在输油管道外面增加套管。钢制套管对施加阴极保护系统的输油管道产生极大的影响，会对金属管道阴极保护产生屏蔽作用，从而使阴极保护的效果减弱甚至消失，由此导致主管道破损点受到严重的腐蚀。因此，对于目前已经存在套管的管道，研究套管对输油管道阴极保护电位的影响，对于保障管道整个阴极保护系统的有效性具有重要意义。

1 套管对输油管道阴极保护的影响因素分析

对天津某输油管道穿越段进行实地勘测，选取若干测试桩，检测测试桩状况并测量管道的管地电位[1-3]，得到的阴保电位相关参数见表1和表2。

表1 穿越段相关参数

表2 与表1穿越段相邻的非穿越段相关参数

此外根据输油管道腐蚀情况，由此得出结论：套管两端是否绝缘密封、电解质电导率、辅助阳极埋深、辅助阳极垂直距离、阳极输出电流、土壤电阻率、穿越条件、管道绝缘支撑性能、防腐层完好性、杂散电流等因素均能够对有套管处输油管道阴极保护产生影响。

2 套管对输油管道阴极保护电位影响的数值模型

对有套管处输油管道阴极保护系统涉及到的腐蚀静电场问题进行数值模拟[4-8]。

（1）通过静电场理论，搭建有套管处输油管道阴极保护电位分布的物理模型。

（2）通过对研究区域内阴极保护电位的分析，确定Laplace（拉普拉斯）方程是表征阴极保护电位分布的控制方程：

（3）对阴极保护电位分布物理模型和控制方程进行以下边界条件限制：第一，不考虑阳极极化，阳极表面输出的开路电位固定且已知；第二，套管内外表面以及管道表面的极化电流密度已知；第三，明确地面是否绝缘以及套管两端是否密封，如果密封，电流则无法流入，如果不密封，电流则可以流入；第四，土壤上表面以及与管道平行方向的地表面设置为无限域；第五，其余边界条件的电流为零，定义为▽φi=0。

（4）得到了数学模型，并确定用COMSOL模拟软件，通过有限元法和边界元法相结合的方式完成模型求解。

3 数值模拟的实验验证

为验证所建模型及计算方法的准确性，在室内搭建了输油管道套管穿越的实验模拟装置，选择套管两端是否密封这单一因素进行室内实验研究，测量管道电位，并用COMSOL数值模拟软件进行模拟，验证模型的合理性和数值计算方法的准确性。

3.1 实验模拟装置

取长0.9 m、外径26.7 mm、壁厚2.9 mm的钢管模拟输油主管道；距管道左端0.2 m处设置套管，套管全长0.5 m，外径48.3 mm，壁厚3.7 mm；管道侧面设有石墨电极，选用饱和硫酸铜电极（CSE）作为参比电极；用规格长1 m、宽0.3 m、深0.3 m的矩形水泥槽作为实验槽；实验选用直流稳压电源和恒定电位仪作为实验电源。实验装置示意见图1。将实验装置水平埋入实验槽的模拟土壤溶液中，主管道及套管的中心线位于土壤模拟溶液中间位置，且中心线距槽底0.1 m。在管道和套管上每间隔0.1 m设置一个电位测试点，共设8个测试点。

图1 实验装置示意

3.2 数据测量与数值仿真结果比较

控制实验模拟装置中的恒电位仪，使汇流处电位为 -1.2 V，使阳极段输出的电流密度为0.05 mA/m2，分别测量套管密封和未密封条件下管道上各测试点的电位，见表3。

表3 实验实测电位数据

采用数值仿真软件COMSOL中的腐蚀模块，根据实验装置尺寸及边界条件进行数值模拟，数值模拟电位见表4。

表4 数值模拟电位数据

从表3、表4中可以看出，实测数据电位相对于模拟数据电位要稍微偏正些，最大相对误差2.74%，最小相对误差0.84%，整体相对误差在3%以内，认为实测数据与模拟数据结果较为吻合，表明所建立的数值模拟模型和所采用的数值计算方法正确可靠。

4 不同因素对有套管处输油管道阴极保护电位的影响

依据API5L《Line Pipe》、GB50423—2013《管道穿越工程设计规范》和GB/T 9711—2011《石油天然气工业管线输送用钢管》标准，模拟管道材质选择X52管道钢，长度20 m、外径965 mm、壁厚7.9 mm；模拟套管选择L245直缝焊接钢管，距离管道左端9 m处，长度2 m、外径1 118 mm、壁厚8.7 mm。管道和套管埋设深度均为2 m。辅助阳极为圆柱体的石墨阳极，长0.8 m，直径80 mm。几何模拟示意见图2。

图2 几何模型示意

根据不同影响因素，设置多个模拟试验工况，具体模拟参数见表5。

表5 模拟参数工况

通过控制变量的方式，模拟不同变量下的阴极保护电位，得到如图3～8所示的电位变化曲线。

图3 套管对管道表面阴极保护电位的影响

图4 套管两端是否密封对有套管处管道表面阴极保护电位的影响

图5 环形空间内电解质电导率对管道电位分布的影响

图6 辅助阳极埋设深度对有套管处管道阴极保护电位的影响

图7 辅助阳极垂直距离对有套管处管道阴极保护电位的影响

图8 阳极输出保护电流对有套管处管道阴极保护电位的影响

5 结论

（1） 套管对管道阴极保护电位有一定影响。屏蔽管道表面阴极保护电流，减弱阴极保护作用，使得有套管处输油管道腐蚀加剧，因此在实际工程中，在条件允许的情况下不建议安装套管。

（2）有套管处管道阴极保护电位受套管两端密封性影响比较大。尽管套管两端未密封时阴极保护电流可以进入套管内的管道处，阴极保护起到一定作用，但此时外界环境中的水、土壤等杂质会进入套管和管道的环形空间，导致管道更容易发生腐蚀，因此套管两端密封性对有套管处输油管道腐蚀防护至关重要。

（3）套管与管道环形空间内电解质电导率对有套管处管道阴极保护电位有一定的影响。环形空间内电解质电导率越大，有套管处管道阴极保护电位越负，但远离套管处管道阴极保护电位几乎不发生变化。因此套管与管道环形空间选用填充物质时需要重点考虑所选材料的电导率性能，从而保证套管处管道能够得到足够的保护。

（4）辅助阳极埋设深度对有套管处管道阴极保护电位有一定的影响。在浅埋区时，随着埋设深度增加，有套管处管道阴极保护电位逐渐正移，阴极保护作用减弱；在深埋区时，有套管处管道阴极保护作用几乎不受影响。因此建议辅助阳极埋设深度在浅埋区为宜。

（5）辅助阳极垂直距离对有套管处管道阴极保护电位有一定的影响。随着辅助阳极垂直距离的增大，套管处管道阴极保护电位逐渐正移，而远离有套管处管道的阴极保护电位负向移动。因此建议在条件允许情况下可适当增加辅助阳极垂直距离，使得有套管处管道阴极保护效果更好。

（6）阳极输出保护电流对有套管处管道阴极保护电位有一定的影响。随着阳极输出保护电流的增大，有套管处管道阴极保护电位越负移，管道越容易受到保护，但是如果阳极输出保护电流无限制地增大，可能会使有套管处的管道处于过保护状态。因此建议综合考虑阳极端输出保护电流的大小。