顧 穎 馮琛然 陳 兵 蘆婭妮 任金平 張 琪

（1. 天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅 蘭州 730060；2. 蘭州博源生物科技有限公司，甘肅 蘭州 730060；3. 寧夏天利豐能源利用有限公司，寧夏 吳忠 751000；4. 隴東學(xué)院石油化工學(xué)院，甘肅 慶陽 745000）

0 引言

天然氣管道是指將天然氣（包括油田生產(chǎn)的伴生氣）從開采地或處理廠輸送到城市配氣中心或企業(yè)用戶的管道，按照用途可分為集氣管道、輸氣管道、配氣管道，其中輸氣管道是整個(gè)輸氣系統(tǒng)的主體。隨著天然氣工行業(yè)的快速發(fā)展，因?yàn)樘烊粴夤艿谰哂邢鄬?duì)安全、節(jié)能、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保、最為穩(wěn)定有效，適宜大規(guī)模輸氣等優(yōu)點(diǎn)，已成為陸地上天然氣輸送設(shè)施發(fā)展的主要形式，目前全球建成的管道中一半為天然氣管道。過去20年，我國天然氣管道行業(yè)蓬勃發(fā)展，取得了顯著的成就，全國性管網(wǎng)逐步形成，根據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)資料顯示，從2016～2020年，我國天然氣管道里程數(shù)一直處于逐年增長的趨勢(shì)，2017年全國新增天然氣管道歷程約2941千米，總里程達(dá)到月7.72萬千米，2019年天然氣管道里程數(shù)達(dá)到8.1萬千米，2021年年中國天然氣管道里程數(shù)達(dá)8.55萬千米。如今，在環(huán)保壓力日益增大的背景下，會(huì)更加凸顯天然氣消費(fèi)的清潔性及環(huán)保性等優(yōu)勢(shì)，在雙碳政策的背景下，天然氣作為過渡性清潔能源，支持能源轉(zhuǎn)型，在政策方面的支持下，也定能促進(jìn)天然氣消費(fèi)量的大幅度增加，這也意味著未來我國將會(huì)迎來天然氣管道建設(shè)和發(fā)展的黃金時(shí)代。

目前，我國天然氣消費(fèi)量僅次于美國居世界第二位，而俄羅斯天然氣產(chǎn)量居世界首位，也是國際天然氣市場(chǎng)最重要的出口國。中國和俄羅斯部分天然氣管道布局情況如表1所示，可以看出天然氣輸送管道管線長、運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜，因此采用鋼質(zhì)材料的天然氣管道埋在地下受不同地區(qū)土壤、環(huán)境等因素影響，外表面容易產(chǎn)生較大腐蝕，引發(fā)安全事故，于是國內(nèi)外學(xué)者圍繞埋地天然氣管道腐蝕開展了許多研究工作。孫廣厚[1]、丁銳等[2]、侯世穎等[3]和林新宇等[4]分析了引發(fā)埋地油氣管道腐蝕的化學(xué)、電化學(xué)、雜散電流、生物化學(xué)、管道材料不均勻等因素，并針對(duì)這些因素提出了耐蝕材料防護(hù)、涂層保護(hù)、陰極保護(hù)、緩蝕劑的等防腐措施。陳艷華等[5]采用室內(nèi)試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證和光譜分析結(jié)合的方法，對(duì)北方鹽堿土壤環(huán)境下油田埋地金屬管道外腐蝕機(jī)理進(jìn)行研究。蔣秀等[6]研究了某集氣站埋地管段腐蝕失效原因及腐蝕機(jī)理。劉猛等[7]基于埋地管道應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果，分析了國內(nèi)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂埋地管道的特點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)。趙書華等[8]通過COMSOL軟件對(duì)靠近接地極的埋地管道沿線雜散電流密度分布進(jìn)行模擬分析，研究各干擾參數(shù)對(duì)管道沿線雜散電流密度分布及干擾腐蝕的影響規(guī)律。古彤等[9]針對(duì)接地極入地電流的特征以及不同環(huán)境條件，對(duì)管道金屬材料腐蝕產(chǎn)生影響的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行調(diào)研及分析，確定了接地極對(duì)管道腐蝕產(chǎn)生影響的參數(shù)。楊朝暉等[10]針對(duì)機(jī)場(chǎng)多次發(fā)生腐蝕泄漏的鋼質(zhì)輸油管道進(jìn)行了腐蝕狀況檢測(cè)及數(shù)據(jù)分析。張鵬等[11]建立了管道土壤腐蝕后評(píng)價(jià)的邏輯結(jié)構(gòu)模型，對(duì)管道的腐蝕壁厚進(jìn)行了預(yù)測(cè)，并對(duì)該結(jié)構(gòu)模型的可靠性做了評(píng)估；金龍等[12]引入云模型對(duì)埋地油氣管道土壤腐蝕進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)一致；章強(qiáng)等[13]對(duì)核電廠埋地管道外腐蝕狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和綜合評(píng)價(jià)，并提出了埋地管道的防腐蝕措施和建議；苗金明等[14]在管道風(fēng)險(xiǎn)分析評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上，引入管道腐蝕損傷失效理論，建立了新的城市燃?xì)饴竦劁摴芨g失效風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。

表1 中國和俄羅斯部分天然氣管道布局情況

埋地天然氣管道腐蝕情況直接關(guān)系到輸氣過程的安全和穩(wěn)定性，然而天然氣管道的操作溫度和工作壓力等變化范圍大，輸送的天然氣中含有各種酸、堿、鹽等腐蝕性成份，經(jīng)過的地形復(fù)雜多變，土壤成份多樣，正是這些眾多的影響因素，容易對(duì)天然氣管道形成腐蝕。土壤孔隙度和含水率是土壤的主要物理參數(shù)，兩者之間相互作用，并隨外部環(huán)境濕度、溫度及土壤結(jié)構(gòu)的變化而變化，對(duì)埋地天然氣管道有重要的腐蝕作用。但是從上述國內(nèi)近年來的相關(guān)文獻(xiàn)研究中可以看出，鮮有土壤孔隙水飽和度對(duì)埋地天然氣管道腐蝕的影響研究。因此，本文擬采用數(shù)值模擬的方法，在建立埋地天然氣管道仿真模型的基礎(chǔ)上，對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，研究土壤孔隙度和含水率對(duì)埋地天然氣管道腐蝕速率的影響。對(duì)我國天然氣運(yùn)輸行業(yè)管道防腐，確保天然氣安全運(yùn)輸具有重要意義。

1 模擬軟件和數(shù)值模型

1.1 數(shù)值模擬軟件

COMSOL軟件是由瑞典COMSOL公司基于先進(jìn)數(shù)值方法，研發(fā)的一款集成了傳熱、CFD、化學(xué)反應(yīng)工程、結(jié)構(gòu)力學(xué)、微流、電池與原料電池、巖土力學(xué)、多孔介質(zhì)流、電鍍、等離子體、管道流、腐蝕、非線性力學(xué)等模塊于一體的單一物理場(chǎng)及多物理場(chǎng)耦合的通用有限元仿真軟件，能夠在同一界面中實(shí)現(xiàn)從完整的幾何建模流程到結(jié)果計(jì)算，模擬這些模塊真實(shí)場(chǎng)景下的物理現(xiàn)象，設(shè)計(jì)和優(yōu)化實(shí)際工程問題。其中COMSOL軟件中的腐蝕模塊能夠?qū)χT如原電池腐蝕、點(diǎn)蝕以及縫隙腐蝕等進(jìn)行建模和模擬，還包括對(duì)陰極保護(hù)、犧牲陽極保護(hù)和陽極保護(hù)等體系的模擬。

1.2 數(shù)值模型

本文采用COMSOL軟件，建立天然氣管道（陰極）、土壤（電解質(zhì)）和鋅（陽極）組成的電化學(xué)腐蝕系統(tǒng)的二維橫截面數(shù)值模型如圖1所示，矩形表示土壤，矩形上邊半圓表示鋼材質(zhì)的埋地天然氣管道，陽極鋅被均勻的涂覆在表示土壤的矩形左邊上，電流從矩形左側(cè)流入天然氣管道后從矩形右側(cè)流出。通過對(duì)該數(shù)值模型進(jìn)行模擬計(jì)算，得到土壤孔隙水飽和度對(duì)埋地天然氣管道表面不同位置處電極電位、局部氧氣濃度、局部氧化還原電流密度、局部析氫電流密度、界面處鐵腐蝕電流密度的影響規(guī)律，進(jìn)而研究土壤孔隙水飽和度對(duì)埋地天然氣管道腐蝕速率的影響。

圖1 數(shù)值模型

2 土壤域電場(chǎng)分布方程和邊界條件

2.1 土壤域電場(chǎng)分布方程

土壤是一種多孔材料，孔隙度和含水率影響離子和氣體的傳遞性，因此在模型中使電解質(zhì)的電導(dǎo)率和氧氣擴(kuò)散系數(shù)會(huì)隨著土壤孔隙水飽和度變化，這樣電解質(zhì)電導(dǎo)率和氧氣擴(kuò)散系數(shù)就是土壤孔隙水飽和度的函數(shù)。使用二次電流分布接口對(duì)電化學(xué)電流進(jìn)行建模計(jì)算，電解質(zhì)電導(dǎo)率與空隙水飽和度呈現(xiàn)正比例關(guān)系。氧氣的傳遞是利用稀物質(zhì)傳遞接口來描述，氧氣擴(kuò)散系數(shù)與空隙水飽和度呈現(xiàn)反比例關(guān)系。

2.2 邊界條件[15]

選擇陽極鋅的電位為接地，假設(shè)Zn陽極的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)非?？?，可以忽略激化，因此設(shè)置電解質(zhì)電位為：

其中Eeq,Zn是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的鋅電極平衡電位，設(shè)置為-0.68V。Zn陽極上的氧氣濃度采用大氣中的氧氣濃度值：

在天然氣管道邊界上考慮鐵氧化、氧還原及析氫三個(gè)不同的電極反應(yīng)：

這些反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)通過電極表面節(jié)點(diǎn)進(jìn)行建模，在該邊界條件上，天然氣管道的外電位фs,steel，設(shè)置為施加的電池電位-1V。

天然氣管道反應(yīng)的電極動(dòng)力學(xué)根據(jù)塔菲爾表達(dá)式描述：

使用表2中參數(shù)，其中每個(gè)反應(yīng)的過電位都根據(jù)以下公式計(jì)算：

表2 反應(yīng)參數(shù)

根據(jù)法拉第定理，在天然氣管道表面發(fā)生的氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生氧氣通量，要設(shè)置這一通量，在電極反應(yīng)節(jié)點(diǎn)中輸入化學(xué)當(dāng)量系數(shù)。其他邊界都應(yīng)用絕緣類型的對(duì)稱邊界條件，大氣濃度則用氧氣濃度的初始值。

3 模擬結(jié)果與分析

3.1 電解質(zhì)電位和氧氣濃度

埋地天然氣管道腐蝕模型屬于穩(wěn)態(tài)方程，因此選用軟件自帶的PDE模式進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析，其中孔隙水飽和度參數(shù)的掃描從0.2～0.8。如圖2所示為孔隙水飽和度為0.8時(shí)的電解質(zhì)電位分布云圖，從圖中可以看出受天然氣管道的影響土壤電解質(zhì)電位分布不均勻，天然氣管道左側(cè)的電解質(zhì)電位高，右側(cè)電解質(zhì)電位低。如圖3所示為孔隙水飽和度為0.8時(shí)電解質(zhì)中氧氣濃度分布云圖，從圖中可以看出天然氣管道左側(cè)的電解質(zhì)中氧氣濃度高，右側(cè)電解質(zhì)中氧氣濃度低，且距離越遠(yuǎn)濃度越低，而天然氣管道附近的氧氣濃度最低，說明在孔隙水飽和度為0.8時(shí)氧氣的反應(yīng)受質(zhì)量傳遞的限制。

圖2 孔隙水飽和度為0.8時(shí)的電解質(zhì)電位分布云圖

圖3 孔隙水飽和度為0.8時(shí)的氧氣濃度分布云圖

工作電極電位是電極電位和電解質(zhì)電位之差，是影響天然氣管道腐蝕的重要因素。圖4所示是天然氣管道-土壤界面三個(gè)不同位置處（前、中、后）在不同孔隙水飽和度情況下的工作電極電位，從圖中可以看出，隨著孔隙水飽和度的增加工作電極電位均呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，當(dāng)孔隙水飽和度為0.6時(shí)隨著孔隙水飽和度的增加工作電極電位開始顯著降低。圖5所示為天然氣管道-土壤界面三個(gè)不同位置處在不同孔隙水飽和度時(shí)天然氣管道上的局部氧氣濃度，從圖中看出隨著孔隙水飽和度的增大天然氣管道-土壤界面三個(gè)不同位置處局部氧氣濃度呈現(xiàn)降低趨勢(shì)，從0.4開始三個(gè)不同位置處局部氧氣濃度顯著降低，從0.7開始氧氣濃度下降趨于平緩，這是因?yàn)楫?dāng)孔隙水飽和度增加時(shí)降低了土壤中的氧氣擴(kuò)散速率。

圖4 天然氣管道-土壤界面三個(gè)不同位置處工作電極電位

圖5 天然氣管道-土壤界面三個(gè)不同位置處局部氧氣濃度

3.2 各類電流密度分布

如圖6所示為天然氣管道-土壤界面處局部氧化還原電流密度，從圖中可以看出當(dāng)孔隙水飽和度在0.2～0.6之間時(shí)，隨著孔隙水飽和度的增加局部氧化還原電流密度增大，這是因?yàn)樵谠摱坞娊赓|(zhì)電導(dǎo)率是增大的；當(dāng)孔隙水飽和度在0.6～0.8之間時(shí)，隨著孔隙水飽和度的繼續(xù)增加局部氧化還原電流密度減小，因?yàn)樵摱窝鯕鈹U(kuò)散速率的是下降的；孔隙水飽和度在0.6～0.65范圍時(shí)，還原電流的絕對(duì)值最大。

圖6 天然氣管道-土壤界面三個(gè)不同位置處局部氧化還原電流密度

如圖7所示為天然氣管道-土壤界面三個(gè)不同位處置局部析氫電流密度，從圖中可以看出孔隙水飽和度小于0.65時(shí)，析氫反應(yīng)很微弱，幾乎不進(jìn)行，此時(shí)析氫反應(yīng)的電極電位低于平衡電位。天然氣管道-土壤界面三個(gè)不同位置處鐵腐蝕電流密度如圖8所示，圖中可以看出在較低的孔隙水飽和度時(shí)鐵腐蝕電流密度更高，這是因?yàn)榈涂紫端柡投葧r(shí)會(huì)有更高的電極電位，通常情況下，鐵氧化電流越低，意味著天然氣管道得到了越好的保護(hù)。

圖7 天然氣管道-土壤界面三個(gè)不同位處置局部析氫電流密度

圖8 天然氣管道-土壤界面三個(gè)不同位置處鐵腐蝕電流密度

4 結(jié)語

本文對(duì)天然氣管道在土壤中腐蝕過程建立數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行數(shù)值模擬。研究了在不同孔隙水飽和度下工作電極電位、局部氧氣濃度、局部氧化還原電流密度、局部析氫電流密度、鐵腐蝕電流密度的變化情況，得到如下結(jié)論。

（1）工作電極電壓、局部氧氣濃度、鐵腐蝕電流密度隨孔隙水飽和度的增大而降低。工作電極電壓在孔隙水飽和度為0.65時(shí)顯著降低，局部氧氣濃度、鐵腐蝕電流密度在孔隙水飽和度在0.7左右之后趨于穩(wěn)定，基本不再發(fā)生變化；

（2）局部氧還原電流密度隨孔隙水飽和度先減小后增大，在0.65左右達(dá)到極小值，局部析氫電流密度在孔隙水飽和度低于0.65時(shí)基本保持不變，在高于0.65之后急劇下降；

（3）綜上所述，泥土孔隙水飽和度在0.65～0.7之間天然氣管道腐蝕速率最慢，防腐效果最好。