海底管道腐蝕防護狀態檢測方法

孫宇，常煒，楊翔堃，胡麗華，余曉毅，宋世德，黃一

（1.大連理工大學，遼寧 大連 116024；2.中海油研究總院有限責任公司， 北京 100028）

海底管道是海洋油氣資源開發系統的重要組成部分[1]。為保障海底管道能夠安全服役，通常采取防腐涂層和犧牲陽極聯合的防腐措施[2-3]。海底管道完整性管理包括犧牲陽極的損耗情況、海底管道防護涂層的老化或損傷情況以及海管的腐蝕防護狀態檢測和評估[4]。因此，開展海底管道腐蝕防護狀態檢測方法研究具有重要的實際工程意義。

夏偉君[5]提出了基于電位梯度測量數據的非接觸式防腐狀態檢測方法，通過數值模擬仿真技術計算了一個典型的海底管道模型來得到各相關參數的關系數據庫，然后應用神經網絡算法得到了電位梯度與海管防腐狀態參數之間的關系。郭曉麗[6]提出了利用電位梯度獲取海底管道涂層破損的非接觸式檢測方法，通過模擬計算帶有破損涂層的管道模型來獲取涂層破損處的電位梯度，以此來訓練神經網絡。由于基于電位梯度的檢測方法存在著局限性，如兩個檢測探頭之間的距離難以確定等，文中提出了基于遠地參比電極電位差測量的非接觸式檢測方法。海底管道、犧牲陽極以及海水和海泥等環境介質構成的電池體系將在管道周圍環境區域形成電場分布，在離開管道較遠區域或海面，電場梯度趨于“0”或電位趨于常數[7-8]。通過在“0”電位梯度區域放置一遠參比電極對海底管道電位進行初期標定，然后在檢測時，記錄靠近管道的參比電極與遠離管道的參比電極之間的電位差，基于該電位差和遠參比電極的標定值即可得到海底管道表面的腐蝕電位值。在該研究檢測方法的基礎上，采用數值模擬計算技術確認該檢測方法的有效性。

1 檢測原理

埋地管道的外腐蝕檢測技術比較豐富，如Person檢測法、短間歇電位檢查法、組合電位測試法、直流電壓梯度法等[9-13]。對于海底管道腐蝕防護狀態的檢測，由于其特殊的檢測環境，檢測技術較少，通常采用檢測管道表面保護電位的方法[14]。傳統的檢測方法使用一根“地線”，該“地線”的一端連接平臺與管道交接點附近，另一端連接電位計，而電位計的另一極連接一個參比電極。在實際的檢測中，使參比電極盡量靠近海底管道，但不能與海管接觸，讀取此時的電位值，并與規范所規定的臨界保護電位值進行比對，以評估該管道當前的腐蝕防護狀態。這種方法操作較為容易，但是對于遠距離傳輸的海底管道，該方法就會受到“地線”長度的約束，且無法檢測埋深下的海底管道[15-17]。基于遠地參比電極電位差測量的檢測方法是非接觸式檢測，其可以不受“地線”長度的限制，檢測方便快捷。該方法檢測原理中，主要包括“遠地參比電極”標定電位和“遠地參比電極”與“近地參比電極”環境電位差兩項電場參數。

“遠地參比電極”與“近地參比電極”環境電位差：采用兩個參比電極及高靈敏度電位計來測量海底管道陰極保護系統產生的環境電位差。在測量時，將遠離管道一定距離的海水區域作為“0”電位梯度區域，并將參比電極通過懸浮裝置置于該區域中，形成電位穩定的遠地參比電極電位，而在海底，利用下潛裝置攜帶另一參比電極，使其處于海底管道形成的電位變化的區域，并沿著管道行進，得到隨管道腐蝕防護狀態變化的近地參比電極電位。在行進過程中，利用高靈敏度電位計來實時記錄兩個參比電極之間的環境電位差，來檢測整個海底管道周圍介質中的電位分布。其基本公式為：

式中：ΔE環境為環境電位差；E電位計為電位計所測得的兩個參比電極之間的電位差；φ參1、φ參2為參比電極自身穩定電位。

遠地參比電極標定電位：在檢測前或檢測中，利用近地檢測裝置上的探針與海底管道或者犧牲陽極進行接觸，形成“地線”的效果，并利用電位計讀出管道與遠地參比電極之間的電位值[16-17]。由于此時遠地參比電極處于“0”電位梯度區域內，因此可得到穩定的管道電位值，也可稱作遠地參比電極的標定值。

結合上述兩項電場參數，則引出式（2）：

式中：φ近地為近地參比電極處的管道電位值；φ遠地為遠地參比電極測得的電位值（標定值）。其中遠參比電極附近電場梯度近似為“0”，所以在該海域中沒有其他電場干擾的情況下，其電位值是幾乎不變的。由此，隨著下潛裝置攜帶近地參比電極的移動，遠地參比電極與近地參比電極間的環境電位差ΔE環境會隨著管道周圍電場的改變而改變，進而通過式（2）計算得出近參比電極處的管道電位值[18]。對于犧牲陽極狀態的檢測，原理也相同，即可檢測犧牲陽極發出的環境電場，來間接檢測犧牲陽極的狀態。

2 海底管道電位分布數值模擬

2.1 模型參數

文中采用的數值模擬軟件為筆者課題組自主研發的船舶與海洋工程防腐系統數值模擬優化設計軟件系統，該軟件是基于邊界元方法，且已在多項實際工程中得到成功應用。模擬的實際海底管道參數如下：某海底輸油管道全長約為37.5 km，管道的材質為X60 鋼，管道采用犧牲陽極的陰極保護法，輸油管道施工后全部埋于海泥中[19]。犧牲陽極的間隔為75.2 m，管徑為762 mm。犧牲陽極的材質為鋁合金，形狀為鐲式，包裹在海管上，犧牲陽極的內徑為0.8 m，陽極的外徑為1.2 m，沿海管長度為1 m。海水、海泥的電導率分別為5、1.5 S/m，模擬埋深1.5 m。截取部分管長，共計模擬管長964.6 m，犧牲陽極13 個[20]。

2.2 數值模擬模型及工況設計

為了盡量增加計算模型的長度，在模型中的海水區域使用大網格（8 m），其他區域使用小網格（1 m）。管道模型的局部展示見圖1，圖中深色部分代表海泥，淺色部分代表海水，中間白色部分是海底管道，海管位于海泥環境中，且位于泥沙面以下1.5 m 深處。

圖1 埋深管道部分模型Fig.1 Partial model of buried pipelines

該段海底管道的工況設計如下所述。

海管正常運作時的工況：所有陽極均正常工作、只有1 個陽極失去作用、只有1/2 陽極正常工作。

處于臨界保護時的工況：所有犧牲陽極按照可以取到的最大間距來布置，根據GB/T 35988—2018《石油天然氣工業海底管道陰極保護標準》這個間距取值為300 m。

海管處于欠保護狀態時的工況：只模擬中間一個陽極有效的情況。

2.3 數值模擬結果

2.3.1 海管正常運作時

1）所有陽極均正常工作。圖2 顯示，在犧牲陽極附近的電場梯度較大，在遠離犧牲陽極的區域電位相差不大。圖3 顯示，從泥面附近到200 m 水面的電位差值不超過3 mV，并且離管道越遠的地方，電位的分布越類似，電位梯度越小。

圖2 所有陽極均正常工作時電位分布數值模擬云圖Fig. 2 Numerical simulation cloud diagram of potential distribution when all anodes are working normally

2）只有1 個陽極失去作用。圖4 顯示，犧牲陽極失效區域的電位值要低于其余區域，但海底管道整體仍能受到良好的保護。該工況下的整體電位分布規律與無陽極失效時的工況基本一致。圖5 顯示，泥面以上區域整體電位值基本一致，相差不超過3 mV，且由于中間陽極的失效，管道表面及泥面附近電位分布曲線缺失了該處的電位峰值，表明了該處犧牲陽極的失效。

3）只有1/2 陽極正常工作。該工況模擬的是兩種特殊電場的疊加，以觀察整體電位值是否會出現明顯的變化。圖6 及圖7 顯示，犧牲陽極正常工作區域的電位值要平均高于犧牲陽極失效區域。從全局來看，除去泥面附近電位梯度較大，其余高度下電位值基本一致。分析原因為：正常工作的犧牲陽極產生的保護電流可以到達陽極失效的區域。

圖3 所有陽極均正常工作時電位分布數值曲線圖Fig. 3 Numerical curve diagram of potential distribution when all anodes are working normally

圖4 只有一個陽極失去作用時電位分布數值模擬云圖Fig.4 Numerical simulation cloud diagram of potential distribution when only one anode fails

圖5 只有一個陽極失去作用時電位分布數值曲線Fig.5 Numerical curve diagram of potential distribution when only one anode fails

圖7 只有1/2 陽極正常工作時電位分布數值曲線Fig.7 Numerical curve of potential distribution when only half of the anodes are working

2.3.2 處于臨界保護時

圖8、圖9 顯示，距離泥面10 m 以上的水域范圍內，海管的電位差值在5 mV 以內。因為正常工作的犧牲陽極數量的減少，管道整體電位值偏低，基本上在保護電位的上限900 mV 左右。海管在處于臨界保護的工況下，因為犧牲陽極的均勻分布，從而使犧牲陽極產生的保護電流均勻分布。

從圖9 中可觀察到泥面附近的電位值明顯變大。分析原因為：隨著正常工作的犧牲陽極數量的減少，剩余的犧牲陽極要保護的區域大大增加，因此，剩余的犧牲陽極處釋放的電流顯著增加，從而導致犧牲陽極附近的電位梯度變大。由此可見，隨著犧牲陽極需要保護區域的增大，陽極附近的電位梯度也明顯變大，有效陽極的可檢測性也會顯著增加。

圖8 處于臨界保護時電位分布數值模擬云圖Fig.8 Numerical simulation cloud diagram of potential distribution under critical protection

圖9 處于臨界保護時電位分布數值曲線Fig.9 Numerical curve diagram of potential distribution under critical protection

2.3.3 海管處于欠保護狀態時

圖10 單陽極有效電位分布數值模擬云圖Fig.10 Numerical simulation cloud diagram of potential distribution when a single anode is working

圖11 單陽極有效電位分布數值曲線Fig.11 Numerical curve diagram of potential distribution when a single anode is working

圖10 及圖11 顯示，除陽極附近電位梯度較大，其余區域整體電位值基本保持一致。由于海管需要保護的面積過大，電位值大于保護電位的上限，犧牲陽極產生的電流達到最大，犧牲陽極附近電位梯度也達到最大。

3 結論

文中對非接觸式的遠參比電極電位檢測法進行了原理性闡述和實際海底管道數值模擬計算驗證，分析了長為964.6 m 的埋深海底管道在200 m 水深范圍內的整體電位分布規律。由于目前該方法在國內外幾乎找不到應用案例，所以筆者課題組針對該方法完成了實驗室的縮比模型試驗，正在開展實海海底管道原型試驗，以驗證該方法的有效性和檢測精度。

結合上述工作，可得到以下結論：

1）所有工況下，標定電位距離泥面越遠，整體電位分布就越均勻，管道電位檢測也越精確。管道整體電位分布情況隨著正常工作的犧牲陽極數量和分布的變化而變化，但是從所有陽極均正常工作的工況到海管處于欠保護狀態時的工況，10 m 以上水域的電位梯度很小。同時，管道表面電位與泥面附近電位相差不大，可以使用泥面附近檢測值來代替管道表面電位。

2）有效犧牲陽極分布得越均勻，管道整體電位分布也越趨于一致。即使陽極出現大范圍的失效，如1/2 有效、1/2 失效的模型，整體電位分布也相差不大。考慮到有限的模擬長度，如果海管上的犧牲陽極出現超大范圍的失效，如千米級別的范圍，海管電位會隨著離有效犧牲陽極的距離的增大而降低，導致同一高度處的電位差距增大，標定值偏離增大。若遠地參比電極標定值無法進行重新標定，則遠參比電極電位檢測法的電位檢測精度下降。

3）管道需要被保護面積的增加，使得犧牲陽極釋放電流增加，陽極附近電位梯度增加，犧牲陽極狀態的可檢測性增加，即可檢測到該位置處的犧牲陽極是否有效。