剝離涂層下X80輸氣管線鋼陰極保護行為模擬研究

＊李政昊 任帥 胡正陽 王海燕 孫東旭

（1.內蒙古西部天然氣股份有限公司 生產技術部 內蒙古 017000 2.遼寧石油化工大學 石油天然氣工程學院 遼寧 113001）

油氣管道采用涂層和陰極保護聯(lián)合防止腐蝕，涂層破損剝離處會形成微腐蝕環(huán)境[1]，引起管線鋼腐蝕事故。防腐涂層容易失去對管線鋼的附著力，特別是在陰極保護條件下，從而產生可能被周圍環(huán)境中的溶液填充的縫隙，即產生陰極剝離[2-3]。陰極剝離發(fā)生在幾乎所有金屬有機涂層系統(tǒng)中，并且已通過掃描技術如掃描開爾文探針和局部電化學阻抗譜進行了廣泛研究[4-5]。涂層剝離被認為是管道完整性的主要腐蝕威脅，通常與多種形式的局部腐蝕有關[6]。陰極屏蔽被認為是由于滲透進縫隙中的薄溶液層的高電阻而產生的IR壓降引起的[7]。目前關于管道剝離涂層情況下的陰極保護電位分布以及腐蝕規(guī)律的研究還不成熟。數(shù)值模擬是其中一個比較重要的研究方法。本研究建立了X80管線鋼在NS4電解質溶液中縫隙腐蝕的三維模型，模擬了X80管線鋼在NS4電解質溶液中縫隙腐蝕行為。

1.模型建立

基于實際管線鋼涂層剝離尺寸建立了一個三維縫隙模型，以一個長方體的縫隙模型來模擬剝離涂層，這種模型常用于研究縫隙腐蝕，模型示意圖如圖1所示。模型尺寸為長250mm，寬50mm，縫隙厚度為T（0.4mm、0.6mm、0.8mm、1.0mm和1.2mm）。添加了一個電極表面邊界節(jié)點來模擬電極表面。電極電位分別設定為不加陰極保護電位、外加-870mVSCE和-1000mVSCE。電解質電勢邊界條件用于最左側邊界，設置為不加陰極保護電位電解質電勢。默認絕緣條件用于所有其他邊界。在有限元建模中使用了兩個物理場，鋼/溶液界面的電化學反應和溶液中鋼電極的電位/電流密度分布。X80鋼試件使用的網(wǎng)格類型為自由三角形網(wǎng)格，電解質區(qū)域使用的是自由四面體網(wǎng)格，最大和最小單元尺寸分別為2mm和0.2mm，最大單元增長率為1.3%。

圖1 縫隙模型示意圖

2.模擬結果與討論

(1)不同陰極保護電位下X80鋼電極表面的電位分布

由圖2可知，不加陰極保護電位處于穩(wěn)態(tài)時，電極表面電位隨距開口距離的增大逐漸正向移動，距開口3cm和距開口18cm處電位差在20mV以內，X80鋼試件電極表面電位變化較小。此時縫隙內X80鋼試件表面的電位都處于X80鋼活化腐蝕的范圍內，縫隙內的X80鋼試件發(fā)生吸氧腐蝕。

外加-1000mVSCE陰極保護電位時，電極表面電位隨距開口距離的增大逐漸正向移動，所以整個縫隙內的X80鋼都處于陰極保護過保護狀態(tài)。雖然縫隙對陰極保護電位產生了屏蔽作用，但由于外加-1000mVSCE陰極保護電位，施加的陰極保護電位過高，陰極保護電流穿透了縫隙的屏蔽作用，到達了縫隙的底部，整個縫隙內的試件都受到低于-770mVSCE的電位陰極保護，所以縫隙內的試件始終處于陰極保護過保護的狀態(tài)。

圖2 縫隙厚度為0.8mm時，在剝離涂層下NS4溶液中X80鋼電極表面電位圖

(2)不同陰極保護電位下X80鋼電極表面的電流密度分布

由圖3可知，不加陰極保護電位時，縫隙內的電流密度隨距開口距離的增加逐漸降低，但是在距開口3cm、8cm、13cm和18cm的位置電流密度增大。隨著距縫隙開口距離的增加，X80鋼試件的腐蝕電流密度也在減小。距離縫隙開口較近的位置因為溶液中的溶解氧含量較高，X80鋼試件的吸氧腐蝕速率較大，所以試件的腐蝕電流密度較大。隨著距縫隙開口距離的增大，縫隙溶液中的含氧量降低，試件的吸氧腐蝕速率減小，所以X80鋼試件的腐蝕電流密度減小。

圖3 縫隙厚度為0.8mm時，在剝離涂層下NS4溶液中X80鋼腐蝕電流密度圖

外加-1000mVSCE陰極保護電位時，縫隙內的電流密度隨距開口距離的增加逐漸降低，在距開口3cm、8cm、13cm和18cm的位置電流密度明顯增加。因為外加-1000mVSCE陰極保護電位過高，盡管剝離涂層對陰極保護作用有屏蔽作用，使陰極保護電位隨距開口距離的增加而減小，但是陰極保護電流穿透了縫隙的屏蔽作用到達了縫隙底部，在距縫隙開口18cm處仍受到了過高的陰極保護作用，故在距開口3cm、8cm、13cm和18cm處試件電極表面發(fā)生了析氫反應，電流密度增加。

(3)不同縫隙厚度外加不同陰極保護時X80鋼電極表面電位

由圖4可知，不加陰極保護電位時，縫隙厚度小于0.8mm時縫隙內X80鋼試件的電位隨縫隙厚度的減小逐漸負向移動。縫隙厚度減小縫隙溶液中的溶解氧含量降低，所以縫隙中X80鋼試件的腐蝕傾向減弱，故縫隙內X80鋼試件表面的電位逐漸負向移動。縫隙厚度大于0.8mm時縫隙內X80鋼試件的電位隨縫隙厚度的增大逐漸正向移動。縫隙厚度增大縫隙溶液中的溶解氧含量升高，所以縫隙中X80鋼試件的腐蝕傾向增強，故縫隙內X80鋼試件表面的電位逐漸正向移動。

圖4 不加陰極保護電位不同縫隙厚度電極表面電位值

圖5 外加-1000mVSCE陰極保護電位不同縫隙厚度電極表面電位值

由圖5可知，外加-1000mVSCE陰極保護電位時，縫隙厚度小于0.8mm時縫隙內X80鋼試件的電位隨縫隙厚度的減小逐漸正向移動，縫隙厚度大于0.8mm時縫隙內X80鋼試件的電位隨縫隙厚度的增大逐漸負向移動，縫隙內X80鋼試件始終處于過保護狀態(tài)。縫隙厚度小于0.8mm時，距離縫隙開口小于13cm的X80鋼試件電位正向移動的幅度大于13cm后的X80鋼試件電位。因為縫隙對陰極保護電位具有屏蔽作用，當縫隙厚度減小時縫隙對陰極保護電位的屏蔽作用進一步增強，所以縫隙厚度為0.6mm和0.4mm，距縫隙開口小于13cm時，縫隙內試件的電位正向移動的幅度較大，但是距開口18cm處的試件電位正向移動的幅度減小。因為當縫隙內的外加-1000mVSCE陰極保護電位時，陰極保護處于過保護狀態(tài)，陰極保護穩(wěn)定時，OH-離子在縫隙內積累促進陽離子在縫隙中的移動，增加局部溶液的電導率，使陰極保護電位能到達縫隙底部，所以縫隙對陰極保護的屏蔽作用不明顯。縫隙內3cm、8cm、13cm和18cm處的試件電位隨縫隙厚度的減小而正向移動，縫隙厚度減小對陰極保護的屏蔽作用逐漸增強。縫隙的屏蔽作用在施加過高的陰極保護作用時，對距縫隙開口較近的位置有較大的影響，對縫隙底部的影響較小。但由于施加了過高的陰極保護電位，導致縫隙內試件的陰極保護電位始終處于過保護狀態(tài)。

(4)不同縫隙厚度外加不同陰極保護時X80鋼電極表面電流密度

由圖6可知，不加陰極保護電位時，距縫隙開口3cm、8cm、13cm和18cm處腐蝕電流密度逐漸減小，隨著縫隙厚度從1.2mm減小到0.4mm，距縫隙開口3cm、8cm、13cm和18cm處的腐蝕電流密度隨縫隙厚度的減小而減小，但是越靠近縫隙底部，腐蝕電流密度隨縫隙厚度減小的幅度越小。因為不加陰極保護時，縫隙內主要發(fā)生鐵的吸氧腐蝕，距離縫隙開口越近縫隙內溶液的含氧量越高，縫隙內試件發(fā)生吸氧腐蝕速率較高，所以距離縫隙開口越近腐蝕電流密度越大，在縫隙底部因為溶液中含氧量較低，縫隙內試件發(fā)生吸氧腐蝕的速率較低，故距縫隙開口越遠腐蝕電流密度越小。

圖6 不加陰極保護電位不同縫隙厚度距開口3cm、8cm、13cm和18cm處腐蝕電流密度圖

圖7 外加-1000mVSCE陰極保護電位不同縫隙厚度距開口3cm、8cm、13cm和18cm處腐蝕電流密度圖

由圖7可知，外加-1000mVSCE陰極保護電位時，距縫隙開口3cm、8cm、13cm和18cm處腐蝕電流密度逐漸減小，隨著縫隙厚度從1.2mm減小到0.4mm，距縫隙開口3cm、8cm、13cm和18cm處的腐蝕電流密度隨縫隙厚度的減小而減小。但是越靠近縫隙底部，腐蝕電流密度隨縫隙厚度減小的幅度越小。因為縫隙對陰極保護的屏蔽作用，所以試件的外加陰極保護電位隨著距縫隙開口距離的增加而減小。

3.結論

建立了X80管線鋼在NS4電解質溶液中縫隙腐蝕的三維模型，模擬了X80管線鋼在NS4電解質溶液中縫隙腐蝕，與實驗的結果基本一致。繪制了縫隙腐蝕過程中金屬表面的腐電位分布和電流密度分布圖。

（1）剝離涂層下不加陰極保護電位時，縫隙開口到縫隙底部的電位變化幅度較小。當外加-870mVSCE陰極保護時，陰極保護不能到達縫隙底部，縫隙的開口和中間部位受到陰極保護。當外加-1000mVSCE陰極保護時，整個縫隙內電位處于過保護狀態(tài)。

（2）剝離涂層下不加陰極保護電位時，從縫口到縫隙底部電流密度逐漸降低外加-1000mVSCE陰極保護時，從縫口到縫隙底部電流密度逐漸降低，因為縫隙對陰極保護的屏蔽作用，試件表面的析氫作用隨距開口距離的增大逐漸減小，故電流密度逐漸減小。

（3）當縫隙厚度逐漸減小，不加陰極保護時，在距開口相同的距離電位正向移動，電流密度降低，腐蝕速率略微降低。外加-1000mVSCE陰極保護時，縫隙厚度逐漸減小，縫隙內的試件仍然全部受到過高的陰極保護。