长输管道辅助牺牲阳极阴极保护影响因素研究及效果分析.pdf
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1、 年 月第 卷第 期西安石油大学学报(自然科学版)()收稿日期:第一作者:李宁(),女,硕士研究生,研究方向:腐蚀与防护。:通讯作者:吕祥鸿(),男,博士,教授,研究方向:腐蚀与防护。:中图分类号:文章编号:()文献标识码:长输管道辅助牺牲阳极阴极保护影响因素研究及效果分析李 宁,李 妍,李洪福,廖 臻,吕祥鸿,王 晨,刘艳明,张鑫鑫,郑文龙(西安石油大学 材料科学与工程学院,陕西 西安 ;中国石油 新疆油田油气储运分公司,新疆 克拉玛依 )摘要:长输管道运行多年后局部防腐层会出现明显劣化,外加电流阴极保护系统已不能对全管段进行有效保护,需要在欠保护区域追加牺牲阳极辅助保护。本文通过仿真计算手
2、段研究了涂层破损率、土壤电阻率和并行管道对牺牲阳极辅助保护措施效果的影响,并以镁合金牺牲阳极进行了现场验证。结果表明:在相同的牺牲阳极保护方案下,当防腐层破损率从 增加到 时,管道的保护效果逐渐降低,且当长输管道防腐层破损率超过 时,添加牺牲阳极的辅助阴极保护方法效果不佳,应考虑修补或更换防腐层;随着土壤电阻率的增大,牺牲阳极保护的管道距离缩短,且当土壤电阻率超过 左右时,需考虑在欠保护管段部位添置外加电流防腐站的方法,以保证管道的安全运行;当目标管道涂层破损率和土壤电阻率较小时,存在防腐层质量不高的并行管道可以提高目标管道的防护效果。现场试验同样表明:镁合金牺牲阳极可为涂层破损率和土壤电阻率
3、较小的目标管道提供有效防护,且防腐层质量不高的并行管道提高了牺牲阳极保护效果。关键词:长输管道;牺牲阳极;阴极保护;并行管道;有限元数值模拟 ,(,;,):,:;李宁,李妍,李洪福,等 长输管道辅助牺牲阳极阴极保护影响因素研究及效果分析 西安石油大学学报(自然科学版),():,(),():李宁等:长输管道辅助牺牲阳极阴极保护影响因素研究及效果分析引言长输管道是油气运输的重要设施,其安全运行是我国经济建设的重要保障 。目前,服役的长输管道大多以钢材为主,易与土壤中的微生物、水分及可溶性盐发生电化学腐蚀,影响管道的安全运行与服役寿命,因此长输管道的腐蚀防护非常重要 。在现役长输管道的阴极保护措施中
4、,最常用的手段是外加电流保护法 ,虽然该方法优势明显,但也存在显著不足。当两个外加电流防腐站之间距离过远时,可能导致长输管道某些特殊位置欠保护,通常的解决办法是提高两端防腐站的端电压,使其输出更大电流对欠保护管段施加防护,但该方法也存在一系列问题:一方面,提高防腐站的端电压,可能造成靠近防腐站处的管道过保护,加速管道防腐层的快速剥离;另一方面,提高防腐站的端电压会增加能耗,增加油田公司的经济成本。为解决这一问题,在不改变两端防腐站端电压的前提下,在长输管道的欠保护区域埋设合适的牺牲阳极以提供管道所需的保护电流,可以避免对长输管道造成的过保护以及产生的经济问题。埋设牺牲阳极是短距离欠保护管道的有
5、效辅助保护方案 ,具体的防护效果、保护距离受多种因素影响,比如管道运行环境中的土壤电阻率、涂层破损率以及周围管道的运行情况。但管道在实际运行过程中服役环境复杂、涂层破损率难以测得,使得上述因素对牺牲阳极阴极保护效果的影响规律及牺牲阳极保护措施的适用条件尚不明确。近些年,随着计算机技术、有限元仿真模拟的不断发展,采用有限元分析工具计算长输管道的阴极保护电位进而指导现场的管道防护已日趋成熟 ,如侯静等 基于边界元开展管道的阴极保护仿真计算,获得了涂层破损率、海水流速和海水电导率对管道牺牲阳极阴极保护效果的影响;席光兰等 通过有限元法模拟沉船在海水中的保护效果,获得了不同数量牺牲阳极时基体的阴极保护
6、电位。因此,本文以新疆油田某埋地管道部分欠保护管段为研究对象,通过数值模拟软件建立长输管道和牺牲阳极的仿真模型,对存在不同涂层破损率、土壤电阻率和并行管道工况下的目标管道电位进行模拟计算,探讨以上因素对牺牲阳极保护效果的影响规律,明确在长输管道保护中牺牲阳极辅助阴极保护方法的适用条件,为长输管道牺牲阳极的阴极保护设计提供理论指导,并用于指导现场管道防护。研究方案 仿真原理本文所研究的电解质区域为稳态电场,满足欧姆定律 ,即?。()式中:为电流密度,;为土壤电导率,;为电位,。根据能量守恒定律,任意一个微元体中任何时刻电量 的变化量为:()。()式中:为电量,;为土壤电导率,;为电位,。当阴极保
7、护系统产生的电场达到平衡时,任意微元体中 ,即?。上述控制方程是一个典型的偏微分方程,即阴保过程满足 方程,从数学的角度讲,方程的解有很多,要得到定解,必须对其研究区域进行限制并确定相应的边界条件。阴极保护系统是由阳极、阴极和绝缘面组成。在阴极保护的数值模拟中,边界条件一般可分为以下 类:()第一类边界条件:认为边界电位已知,阳极电位为恒定值,即,对于阴极保护系统中无穷远处土壤界面电位定义为 ,恒电位仪输出电位恒定,即。()()第二类边界条件:认为边界电流密度已知,阳极输出为固定的电位梯度值,对于阴极保护系统中无穷远处土壤界面电流密度定义为 ,恒电位仪输出电流密度恒定,即 。()()第三类边界
8、条件:认为边界处电位与电流密度成函数关系,且阴极保护系统中阴极极化曲线已知。模型建立以新疆油田某埋地管道部分欠保护管段为研究对象,利用有限元建模软件建立管道牺牲阳极的阴极保护几何模型。如图 所示,长方体表示土壤域,圆柱体表示直径 、长度 的目标管道,短直线表示水平埋设于管道长度方向 处的牺牲阳极,管道两侧各 支,每支间距 ,设西安石油大学学报(自然科学版)置牺牲阳极和目标管道的间距为,模型图如图()所示。在现场工况中,距离目标管道左右两侧约处各有条管线,为其并行管道,并行管道直径分别为 和 ,其余条件不变,建立如图 ()所示模型。图 管道牺牲阳极阴极保护几何模型示意图 网格划分对于 的管道而言
9、,其管道横截面的电位变化远小于纵向电位变化,因此可假设管道横截面处电位变化为 ,重点研究管道的轴向电位分布。由于管道较长,并且 处排布了以 条线单元表示的牺牲阳极,增加了系统网格划分的难度。因此,建立几何模型时,采用体单元离散对所建立的模型进行网格划分,即每个体单元代表一段管道。同时在线单元附近建立两个工作平面(工作平面 和工作平面 ),将整个几何模型进行分割,形成 块独立的分割域(域 、域 、域 ),对域 采用自由四面体网格划分,域 以工作平面 为基准进行扫掠,域 以工作平面 为基准进行扫掠,该划分网格的方法既可以加快网格划分速度,又可以减少网格划分数目,同时降低网格划分的出错率,具体网格划
10、分如图 所示(插图为牺牲阳极部位网格划分示意图)。图 埋地管道网格划分示意图 边界条件设置目标管道的涂层破损率分别为 、,土壤电阻率分别为 、。所选土壤电阻率分别为研究区域最小土壤电阻率、平均土壤电阻率、最大土壤电阻率及镁合金牺牲阳极适用的最大土壤电阻率。由于现场并行管道防腐层破损严重,因此建模时将其定义为导电率较高的导体。在本文的研究体系中,电解质区域为稳态电场,阴极保护系统满足第三类边界条件 ,即认为边界处电位与电流密度成函数关系,且阴极保护系统中阴极极化曲线已知。本文采用三电极电化学方法获得极化曲线,电化学工作站型号为 ,测试软件为 ,使用自腐蚀电位为 ()的 钢片作为工作电极,饱和 电
11、极作为参比电极,铂金片作为辅助电极,溶液为模拟现场环境溶液,极化曲线的扫描速率为 。获得 钢片裸金属的极化曲线后,将其电位保持不变,电流密度乘以涂层破损率得到不同涂层破损率下电极试样的极化曲线。图 (横轴为电流的对数值)为不同涂层破损率下试样的极化曲线,以此作李宁等:长输管道辅助牺牲阳极阴极保护影响因素研究及效果分析图 不同涂层破损率下 钢的极化曲线 为长输管道极化的边界条件。现场选用镁合金牺牲阳极,根据 埋地钢质管道阴极保护技术规范 和 镁合金牺牲阳极 测试 型镁合金牺牲阳极的主要成分(表 ),从表中可以看出镁合金牺牲阳极的成分满足标准规定。图 为在模拟现场土壤溶液环境中测得的 型镁合金牺牲
12、阳极的极化曲线阳极部分,文中取 作为牺牲阳极边界条件。图 型镁合金牺牲阳极的极化曲线 表 镁合金牺牲阳极化学成分 化学成分 质量分数 测试结果 余量 要求 余量 辅助牺牲阳极阴极保护效果影响因素分析 涂层破损率对牺牲阳极阴极保护效果的影响图 为当土壤电阻率为 时,不同涂层破损率下的长输管道表面电位分布及保护距离。有效保护电位范围是根据 埋地钢质管道阴极保护技术规范 中的埋地管道阴极保护电位应为 或更负取得。由图可见,靠近牺牲阳极处的管道表面保护电位最负,离阳极越远,管道的极化程度越弱,电位也逐渐正向偏移。在涂层破损率为 的工况条件下,埋设牺牲阳极处(即 处)管道的保护电位最负,约 ,有效保护距
13、离最长,约为 ,这是因为该破损率涂层基本上接近于无缺陷状态,因此保护距离较大;当涂层破损率从 增加到 时,电位衰减较为严重;随着涂层破损率从 增大到 ,埋设牺牲阳极处的管道阴极保护电位减小了 ,有效保护距离也缩短至 。综上可知,当管道涂层出现破损后,涂层破损处失去了对管道的物理保护作用,使金属管道直接暴露于土壤环境中,需要较大的极化电流才能使其极化到阴极保护准则的要求,即随着涂层破损率增大,图 不同涂层破损率下目标管道的表面电位分布和有效保护距离 西安石油大学学报(自然科学版)管道所需的保护电流增大,牺牲阳极工作电位逐渐正移,使其对管道的保护距离缩短。因此,牺牲阳极辅助阴极保护措施在现场应用过
14、程中,应考虑涂层破损率带来的不同保护效果。当长输管道涂层破损率超过 时,牺牲阳极辅助阴极保护方法效果不佳,应适时考虑其他阴极保护方式或者修补、更换防腐层。土壤电阻率对牺牲阳极阴极保护效果的影响通过在仿真软件中设置不同的土壤电阻率,模拟相应工况和环境下的模型进行计算,探析土壤电阻率对牺牲阳极阴极保护效果的影响规律。如图 所示,固定涂层破损率为 ,随着土壤电阻率从 增大到 时,埋设牺牲阳极处(即 处)管道的阴极保护电位减小了 。这是因为随着土壤电阻率的增大,腐蚀介质电导率逐渐减小,导致电流流动的阻力增大,管道表面的阴极保护电位也随之正移。同时,管道的有效保护距离从 缩短至 ,当土壤电阻率超过 时,
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