埋地管道绝缘接头非保护侧内腐蚀几个影响因素的数值模拟研究

王 鹏，谭川江，赵玉飞，王福善，常泽亮，陈广明，解鲁平

(1. 中国石油天然气集团有限公司塔里木油田分公司，新疆 库尔勒 841000；2. 中国石油集团工程技术研究有限公司，天津 300451)

0 前 言

绝缘接头是阴极保护系统的重要附属设施，主要用来分割保护管道与非保护管道、干扰区与非干扰区，以提高管道的阴极保护效率和隔断杂散电流，其电绝缘性能严重影响阴保系统的有效性，对于管道的安全运行起着重要作用[1]。绝缘接头保护侧采取的阴极保护措施导致保护侧与非保护侧的管地电位不同，能产生0.5～1.0 V的电位差。这对没有阴极保护的管道部分内表面构成阳极性腐蚀危险，一旦管输介质具有良好的导电性，管道内壁就会被迅速腐蚀，其腐蚀机理如图1所示。目前国内各大油田均出现多次绝缘接头非保护侧内腐蚀穿孔泄漏的现象，严重影响了管道的安全运行。绝缘接头非保护侧内腐蚀具有一定的规律性和普遍性，但国内对于其腐蚀影响因素及规律尚存争论。

随着阴极保护应用范围的不断扩大，阴极保护所要保护的对象越来越复杂，利用公式计算无法对复杂的被保护结构上的阴极保护电位分布做出准确的评价；在计算机技术飞速发展的今天，很多微型计算机的性能已经超过了原来的大型计算机，随之而来的是数值计算方法有了空前的发展。近年来，使用数值模拟计算方法来研究阴极保护体系的电位和电流分布成为阴极保护技术发展的一个新方向，如有限元法[2，3]、有限差分法[4]、边界元法[5，6]等多种数值计算方法已成功应用于阴极保护问题的数值计算中，具有预知性强、设计更具理论依据、影响因素和规律更容易量化等优点。

本工作采用阴极保护BEASY计算软件，建立了埋地管道绝缘接头保护侧与非保护侧阴极保护系统模型，耦合了有限元和边界元的计算方法，研究了不同内部介质导电率、保护侧与非保护侧电位差和内涂层破损率等影响因素对绝缘接头非保护侧内的腐蚀影响规律，是国内首次系统地开展埋地管道绝缘接头非保护侧内腐蚀影响因素及规律的研究，对于明确绝缘接头非保护侧内腐蚀的影响因素及其规律，有效抑制内腐蚀的发生具有重要意义。

1 数值模拟

1.1 几何模型建立

选取典型的带有绝缘接头的埋地管道结构，构建计算的几何模型如图2所示。其中管道材质为20钢，规格为φ219 mm×10 mm，埋深为2 m。阴极保护侧和非保护侧管道外壁均带有热缩套防腐层，保护侧管道内壁为裸钢，非保护侧管道内壁带有涂层，常见的涂层破损率为1%，设定为5个均匀破损点的情况，沿非保护侧等距分布。阴极保护侧管道阴极保护系统是以深井阳极(MMO)为地床的外加电流阴极保护系统，深井阳极地床的深度为80 m，距离管道100 m。

1.2 边界条件及参数设定

本数值模拟中涉及辅助阳极、管道外壁和管道内壁等结构的边界条件。其中，辅助阳极采用恒电流边界条件，即阳极输出电流/阳极表面积，通过条件阳极输出电流可得到绝缘接头两侧不同大小的电位差；管道外壁和管道内壁均采用极化边界条件，当管道裸露时管材在土壤中和在不同浓度NaCl介质中的极化曲线及化学参数如图3和表1所示，所用土壤为农田黏质土，呈弱碱性(pH值8.38)，矿化度较高(主要为 Cl-、SO42-、K+、Na+、Mg2+、Ca2+等离子)，水溶性盐总量为 72.4 g/kg，电阻率测试值为10 Ω·m，对应电导率为0.1 S/m。有涂层管道未破损处的边界条件为电流密度等于0。

表1 20钢在不同介质环境下的电化学参数

1.2.1 介质导电率

考察的内部介质分别为5%(质量百分数，下同)，10%，15%，20%，25%NaCl溶液5种，20钢在上述5种溶液中的极化曲线如图3b所示，5种介质的电导率分别为5.4，10.6，16.4，22.9，30.3 S/m。

设定的其他相同条件为非保护侧内涂层破损率为1%和保护侧与非保护侧电位差为1 000 mV(阳极输出电流为1.020 A)。

1.2.2 电位差

考察的保护侧与非保护侧电位差为0，500，1 000，1 500 mV，此时对应的阳极输出电流分别为0，0.394，1.020，1.902 A，该电流主要用于保护绝缘接头保护侧的2 m管道，保护面积为6.55×105mm2。

设定的其他相同条件为内部介质为25%NaCl溶液和非保护侧内涂层破损率为1%。

1.2.3 涂层破损率

考察的非保护侧内壁涂层(总面积为1.31×106mm2)破损率为0.1%，1.0%，10.0%，100.0%，在涂层破损率为0.1%，1.0%，10.0%时设置5个独立圆形缺陷，单个破损点面积分别为262.504，2 625.040，26 250.400 mm2。

设定的其他相同条件为内部介质25%NaCl溶液和保护侧与非保护侧电位差为1 000 mV(阳极输出电流为1.020 A)。

2 结果与分析

绝缘接头保护侧施加阴极保护后，管地电位负移，在其周围形成阴极电势场。绝缘接头非保护侧刚好处于阴极电势场影响范围内，当非保护侧内涂层存在漏点时，就会发生放电，即在非保护侧影响区外的远端管道外防腐层破损处吸收阴极保护电流和其他杂散电流，形成阴极干扰，产生阳极电流。如果管道中存在良好的导电介质，由于管道与介质的界面电阻(Rml)远小于管道接地电阻(Rmg)，且介质电阻(Rl)远小于土壤电阻(Rg)和绝缘接头电阻(Rd)，因此，阳极电流沿导电介质(离子通路)流入保护侧管体，经汇流点流回电源阴极，绝缘接头非保护侧电流流出点发生腐蚀。

2.1 内部介质导电率对非保护侧内腐蚀的影响规律

设定非保护侧涂层破损率为1%、保护侧与非保护侧电位差为1 000 mV(阳极输出电流1.020 A)，当内部介质为5%NaCl溶液时，数值模拟得到非保护侧内壁总的泄漏电流量为0.278 A，最大泄漏电流密度为190.14 A/m2。此时，管道外壁和内壁的电位及电流密度(电流密度为负表示电流从介质流向管道，管道被保护；电流密度为正表示电流从管道流向介质，管道被腐蚀)分布云图如图4所示。从图4a可以看出，保护侧管道外壁(左)电位明显负于非保护侧管道外壁(右)电位，而非保护侧电位也明显负于管道在土壤中的自然电位(-673 mV)。 这表明保护侧管道和非保护侧管道外壁均得到了阴极保护，如图4c所示保护侧获得的电流更多，占比为(1.020-0.278) A/1.020 A=72.7%。从电流密度分布云图也可以印证该结论。保护侧管道内壁(左)电位明显负于非保护侧管道内壁漏点处(右)电位，结合电流密度分布云图可知，保护侧管道内壁电流密度为负值，即获得了阴极保护电流，在接头位置处获得的电流密度达到最大；非保护侧管道内壁电流密度为正值，即电流流出。在接头位置处，流出的电流密度达到最大，高达130.14 A/m2，该位置最大腐蚀速率可达150.96 mm/a。

通过改变边界条件，即不同介质下20钢的极化曲线，进行了管道内壁介质为10%、15%、20%和25%NaCl时的数值模拟计算，其结果见表2。从表2可以看出，腐蚀电流密度随着内部介质导电率的升高而增大，腐蚀速率也相应地变大。

表2 内部介质导电率计算结果

2.2 两侧电位差对非保护侧内腐蚀的影响规律

设定非保护侧涂层破损率为0.1%、管道内壁介质为25%NaCl溶液，当保护侧与非保护侧的电位差为0，即阳极输出电流为0时，在非保护侧内壁总的泄漏电流量约为0，最大泄漏电流密度也约为0。此时，管道外壁和内壁的电位及电流密度分布云图如图5所示。从图5可以看出，保护侧管道外壁电位和非保护侧管道外壁电位均为自然电位(-673 mV)，电流密度分布云图电流密度约为0。保护侧管道内壁电位和非保护侧管道内壁漏点处电位也都为内壁环境下的自然电位，即-837 mV。结合电流密度分布云图可知，保护侧和非保护侧管道内壁电流密度均约等于0，显示数值为计算误差。此时，管道内壁几乎不发生腐蚀。

通过改变边界条件，即阳极输出电流，进行了保护侧与非保护侧电位差分别为500，1 000，1 500 mV时的数值模拟计算，25%NaCl介质下计算结果见表3。从表3可以看出在非保护侧内壁总的泄漏电流量即从非保护侧外壁和内壁流入到保护侧管道内壁的电流量，以及非保护侧管道内壁最大泄漏电流密度，均随着电位差的增大而升高，这意味着腐蚀速率的增大。

表3 保护侧与非保护侧电位差计算结果

2.3 非保护侧内壁涂层破损率对非保护侧内腐蚀的影响规律

设定保护侧与非保护侧电位差为1 000 mV(阳极输出电流1.020 A)、内部介质为5%NaCl溶液，当涂层破损率为0.1%时，在非保护侧内壁总的泄漏电流量为0.250 A，最大泄漏电流密度为539.20 A/m2。此时，管道外壁和内壁的电位及电流密度分布云图如图6所示。从图6可以看出，保护侧管道外壁电位明显负于非保护侧管道外壁电位，而非保护侧电位也明显负于自然电位(-673 mV)。 这表明保护侧管道和非保护侧管道外壁均得到了阴极保护，保护侧获得的电流更多，占比为(1.020-0.250) A/1.020 A=75.5%。从电流密度分布云图也可以印证该结论。保护侧管道内壁电位明显负于非保护侧管道内壁漏点处电位，结合电流密度分布云图可知，保护侧管道内壁电流密度为负值，即获得了阴极保护电流，在接头的位置处获得的电流密度达到最大；非保护侧管道内壁电流密度为正值，即电流流出。在接头的位置处，流出的电流密度达到最大，高达539.20 A/m2，该位置最大腐蚀速率可达625.49 mm/a。

通过改变非保护侧内涂层破损率，分别进行了内涂层破损率为1.0%，10.0%，100.0%时的数值模拟计算，其结果见表4。从表4可以看出，在非保护侧内壁总的泄漏电流量即从非保护侧外壁和内壁流入到保护侧管道内壁的电流量，随着涂层破损率的增大而升高，而非保护侧管道内壁涂层破损处最大泄漏电流密度随着涂层破损率的增大而降低。

表4 非保护侧内涂层破损率计算结果

2.4 泄漏电流量与各影响因素之间的关系拟合

数值模拟结果显示在干扰下绝缘接头处管道内壁电位偏移较大即出现强极化，对于该种情形，文献[7]中提供了干扰下电绝缘处金属管段腐蚀电流密度J0的预测公式：

(1)

根据公式(1)可知，表征泄漏电流或电流密度的主要参数包括：电位差△U、电阻率ρ、阳极塔菲尔常数β等变量，以及在计算模型中已经固定的绝缘段长度L、管道半径r和涂层破损率f。前述的数值模拟结果显示，泄漏电流量与电位差△U和涂层破损率f正相关，分别调整幂次进行线性拟合；与介质电阻率ρ和阳极塔菲尔常数β负相关，调整二者之积的幂次进行线性拟合。将上述拟合得到的方程乘积，得到综合该4项影响参数的泄漏电流量表达式：

(2)

式中，I′为综合参数，是基于数值模拟中参数的电位差△U、涂层破损率f、电阻率ρ和阳极塔菲尔常数β利用上述公式求得；I为数值模拟获得的泄漏电流量。汇总表2至表4中的数据绘制泄漏电流量I和综合参数I′的数据点如图7所示，利用公式(2)进一步拟合得到系数a=1.604，拟合方差为0.993，代入系数后得到泄漏电流量的表达式为：

(3)

3 结 论

针对埋地管道绝缘接头非保护侧内腐蚀影响因素进行了数值模拟研究，结论如下：

(1)绝缘接头非保护侧内腐蚀是一种直流杂散电流干扰造成的不均匀局部腐蚀，影响因素主要为保护侧与非保护侧电位差、介质导电率和非保护侧内涂层破损率，也与管径大小和长度有关。