大埋深油气管道防腐层破损检测技术研究

冀洁梅 何川 王文明

1.中国石油物资沧州有限公司北京分公司 2.中国石油大学(北京)机械与储运工程学院

随着社会的快速发展，城市建设规模不断扩大，大埋深管道在现代化城市建设中发挥着重要作用[1]。大埋深管道是指埋深较大的管道。由于大埋深管道长时间埋于地下，在温度、土壤、水分等环境的影响下，管道的防腐层容易出现老化、损坏、脱落，甚至导致管道破裂、穿孔，从而引发管道的泄漏，在给国家和社会带来巨大经济财产损失的同时，也会造成环境污染和灾难事故的发生[2-5]。

为避免由于防腐层损坏导致重大事故的发生，应采取有效的方式检测大埋深油气管道防腐层的破损情况。在检测防腐层情况的实际工况下，目前运用的常见手段有直流电位梯度测试、PCM法、Pearson法、CIPS法等，通过检测结果可以掌握防腐涂层的具体信息[6-9]。然而受复杂管道环境以及不断升级的管道技术的影响，我国对管道外检测提出了更高的要求，单一化的检测模式已无法满足管道发展的需求[10-13]。

针对当前大埋深油气管道防腐层破损检测技术存在的弊端，利用电磁波衰减理论，对大埋深管道检测防腐层破损处的变化规律进行了分析，同时，采用Comsol仿真软件建立了相应的三维埋地管道仿真模型来模拟管道防腐层破损检测研究。

1 大埋深管道检测防腐层破损处变化规律

为了研究大埋深管道检测防腐层破损处的变化规律，采用电磁波衰减理论进行分析，无界、无源的导电介质的麦克斯韦方程组表达见式(1)。

(1)

由(1)得：

(2)

通过对上述公式的推导和转化，得出的波动方程见式(3)和式(4)。

(3)

γ2=ω2μεc

(4)

假设在直角坐标系，一个沿着z轴正方向传播的均匀的电场强度大小只有x的一个分量Ex的平面电磁波，它的波动方程的一个解是：

E=exE0e-jrz

(5)

式中:ex为沿x轴正向的单位矢量;E0为电场在地表时的初始振幅 ,V/m;z为笛卡尔坐标系的z轴坐标,m。

令γ=β-jα，则：

E=exE0e-j(β-jα)z=exE0e-αze-jβz

(6)

式中：α为电磁波衰减常数；β为相位常数；γ为传播常数。

由上式可得电场强度E随着因子z的增大而减小，所以电场强度的瞬时表达式为：

E(z,t)=exEme-αzcos(ωt-βz+φ0)

(7)

式中:Em为电场强度的振幅值；φ0代表电场强度的初相角，t为时间，即：

E0=Eme-jφ0

(8)

因为：

γ2=ω2μεc

(9)

所以：

(10)

故有：

β2-α2-j2αβ=ω2με-jωμσ

(11)

从而可以推出 ：

β2-α2=ω2με

(12)

2αβ=ωμσ

(13)

由以上的方程可以解得：

(14)

时谐平面电磁波情况下，由麦克斯韦推出电场强度波动方程：

(15)

(16)

式中：kc为复波数，在垂直地面入射的平面电磁波条件下，可以由波动方程解出的电场强度的表达式如下：

E(z,t)=exE0e-j(β-jα)

(17)

电磁波在有损介质中传播会逐渐衰减，电场与磁场的最大幅度会随传播距离的增大按照e-αz的指数规律慢慢减小，衰减的快慢速度取决于衰减率α：

(18)

对衰减系数公式进行取极限：

(19)

(20)

(21)

综上可知，电磁波衰减系数的极限是一个只与电导率、磁导率、介电常数有关的正数。其在传播过程中呈指数形式衰减。通常情况下，电磁波衰减系数会随频率的增大而增大，但当频率达到了一定数值以后，电磁波衰减系数基本上不会再随频率的增大而一直增加；当频率增大到某个极值后，衰减系数会急剧下降。

2 仿真分析

通过Comsol软件对管道进行分析，埋地管道建模基本参数见表1，模型材料属性见表2。管道内的介质是空气，土壤模型采用半径为15 m、高10 m的圆柱体, 位于正中间的防腐层破损处俯视图为20 mm×20 mm正方形，用土壤材料填充破损处。

表1 埋地管道建模基本参数模型管径/mm管长/m壁厚/mm埋深/m防腐层厚度/mm参数325106103

表2 模型材料属性定义参数有限元模型材料电导率/(S·m-1)相对磁导率/(H·m-1)相对介电常数/(F·m-1)土壤层泥土50155管道45号钢0.000 012001防腐层3PE0.000 0113管内介质空气0.000 000 0111

为了分析土壤层表面的电流密度，在平行于管道轴向方向上设置一条路径，且该直线也正好处于管道防腐层破损处的正上方。通过检测该轴线上的电流密度大小来研究大埋深管道的具体变化规律。

当管道防腐层完好时，设置该路径与管道的垂直距离分别为0.2 m、3 m、6 m、10 m，对应的电流密度曲线见图1。由图1可以看出，当管道防腐层完好时，土壤层距离管道0.2 m、3 m、6 m平行管道轴线土壤层上直线的电流密度大小基本一致，但是随着土壤层上设置路径和管道轴线距离的增大，路径上的电流密度数值逐渐减小，而且深度越大，其数值越小，检测难度就会增加，对相应检测设备的要求也会越来越高。

当防护层破损时，不同埋深的电流密度曲线见图2。从图2可看出，当管道防腐层存在破损时(破损点在管道正中间，大小为20 mm×20 mm)，土壤层距离管道0.2 m、3 m、6 m、10 m设置路径上的电流密度会先缓慢增大，在管道正中心达到最大值后再慢慢变小，可以根据峰值的大小和其突变判断防腐层破损点的位置；在竖直方向上，随着距离的增大，峰值也在变小，即管道埋地越深，破损处产生的电流到地面的信号强度越微弱，检测难度越大。电流密度最大时(即在5 000 mm处)为防腐层破损点的位置，在管道埋地0.2 m处较明显。

在管道服役过程中，由于人为或环境因素，管道可能会在不同位置造成不同程度的损伤。为了研究上述情况下电流的传输方式，将防腐层破损点设置在管道中心5 m处，且破损区域边长分别为10 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm 的正方形破损。埋深10 m时不同破损点的电流密度见图3。由图3可知，当管道防腐层存在破损点时，管道上的电流从管道防腐层的破损点处流进土壤，以破损点为球心往四面八方传播。随着管道防腐层破损面积的增大，流进土壤的电流也就越大，土壤层上路径的曲线峰值也就越高，破损点的正上方电流密度要比两边的电流密度大，曲线趋势呈一个反U字型；边长为30 mm的正方形的破损区域处电流密度最大，由此方法可检测埋地管道防腐层的破损程度。

除此之外，通过改变激励电流的频率也可以实现对大埋深管道防腐层破损时的检测研究，控制频率为8 Hz、32 Hz、64 Hz、128 Hz、256 Hz，检测电流密度情况，见图4。由图4可知，当管道埋深和防腐层上破损点相同时，施加相同大小的电流信号源，激励频率越小，土壤层上路径的电流密度越大。管道上泄漏的电流在低频情况下穿透土壤的能力越强，其峰值也随着频率的减少而增大。

综合以上研究，对大埋深油气管道防腐层破损规律进行了进一步分析。如图5所示，通过钟表切分法将管道切分成多份，然后从中选取几个钟点方向的个点作为分析点，进而更清晰地分析管道防腐层破坏规律。以管道横切面圆心位置为原点，顺管道一周将管道切分为8块，从中选取5个点作为分析点，分别为A1(4点钟方向)、A2(3～9点钟方向)、A3(12点钟方向)、A4(10点钟方向)、A5(3点钟方向)。然后将带有破损的管道展开，如图6所示。A2位置处的防腐层破损较为严重，A4处的防腐层破损较弱，管道A1～A5位置的防腐层破损程度如表3所示。由此可得，在实际工况中，深埋管道的A1和A2位置较薄弱，更容易出现破损，应加强该处的防护。该方法能够较为便捷地发现油气管道防腐层相对薄弱的位置，对于进一步研究大埋深油气管道防腐层破损规律及解决措施提供了良好的参考。

表3 埋地管道展开管道破损位置位置管圆周时钟位置破损程度A14点钟较高A23～9点钟高A312点钟中等A410点钟最低A53点钟较低

3 结论

研究了大埋深管道的探测检测过程，通过利用电磁波衰减的理论研究，对大埋深管道检测防腐层破损处的变化规律进行了分析；通过Comsol软件建立了相应的三维埋地管道仿真模型来模拟管道防腐层破损检测研究，得出以下结论：

(1) 当管道防腐层完好或者破损时，仿真结果所得曲线存在巨大的差异。当管道防腐层完好时，检测到土壤层轴线的电流密度和磁场强度大小基本一致，曲线图形是一条直线；当管道防腐层破损以后，管道中的电流泄漏，在土壤层轴线上检测到的电流大小是一个倒U字型曲线，在破损位置的电流大小是最大的。

(2) 当大埋深管道防腐层存在不同破损点时，管道防腐层破损面积越大，流进土壤的电流也就越大，土壤层上路径的电流密度大小曲线峰值也就越高。

(3) 当其他基本条件都一样时，施加激励频率越小，对检测大埋深管道的破损情况越有利。