檢查片測試埋地鋼質管道陰極保護度方法的研究

李嘉強

摘 要：土壤對鋼制天然氣管道的腐蝕不僅會影響管道運行的安全性，還會影響天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此，對鋼制天然氣管道土壤的腐蝕性進行檢測十分重要。結合實例，對埋設檢查片法進行了研究。結果表明，應用埋片法對鋼制天然氣管道土壤的腐蝕情況進行檢測可取得較好的效果。

關鍵詞：鋼制天然氣管道；建設周期；運輸成本；土壤類型

中圖分類號：TE988.2 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.125

隨著天然氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，天然氣在城鎮(zhèn)中的應用越來越普及，鋼制天然氣管道的鋪設量也越來越大。采用管道運輸天然氣具有運輸成本低、建設周期短、受氣候和環(huán)境影響小、可穿過各種區(qū)域等優(yōu)點。但由于鋼制天然氣管道深埋在土壤中，易受腐蝕，出現(xiàn)穿孔，進而引發(fā)油、氣泄漏，甚至引發(fā)爆炸，造成巨大的經(jīng)濟損失，威脅著人們的生命安全。

1 室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗

1.1 室內(nèi)土壤分析

由于埋地鋼制天然氣管道沿途經(jīng)過地區(qū)的土壤類型和地形地貌有較大的差異，需要對沿途不同類型的土壤取樣，并對主要的影響因素進行測試分析。某公司埋地管道的埋地段總長17.45 km，2009-04竣工投入使用，介質為C3C4，管道規(guī)格為168.3 mm×6.4 mm，設計壓力為2.29 MPa，運行壓力為1.52 MPa，設計溫度為60 ℃，運行溫度為15 ℃，材質為L245。依據(jù)《埋地鋼質管道陰極保護參數(shù)測試方法》（GB/T 21246—2007）提供的材料土壤腐蝕試驗方法進行了現(xiàn)場電化學性質參數(shù)測試和室內(nèi)理化性質分析，分析對象以影響腐蝕的土壤含水率、氯離子含量、硫酸根離子含量、pH值為主。依據(jù)測試結果，確定了40 個檢查片埋設點的土壤腐蝕性大部分處于中腐蝕與弱腐蝕之間，少部分具有強化學腐蝕性。

1.2 鋼制檢查片制備

傳統(tǒng)技術采用標準鋼試片（50 mm×100 mm），而在2004年后的新標準規(guī)定，相關單位必須根據(jù)調(diào)查對象設計的檢查片來提供多種設計方案。其核心是模擬管道表面的裸露面積（比如防腐層破損點），檢驗陰保系統(tǒng)對缺陷的保護能力。

制備檢查片的面積必須模擬管道表面有代表性的裸露面積。如果面積過小，則無法體現(xiàn)管道的真實保護狀況；如果面積過大，則會導致結果失真（IR降）或保護電流過度流失，進而改變管道陰極的保護狀態(tài)。本試驗在不同土壤pH值的條件下，測試了管道的極化曲線。通過檢查片消耗的電流值，可確定檢查片的規(guī)格分別為30 mm×15 mm×5 mm、40 mm×20 mm×5 mm和50 mm×25 mm×5 mm。

1.3 現(xiàn)場試驗

依據(jù)SY/T0029—1998和NACERP0104—2004標準中的要求，結合陰極保護系統(tǒng)的實際情況，將制備的鋼制檢查片埋設在了預先設定的管道沿線檢查片埋設點中；使用探管儀在埋設點附近找到了管道埋深最淺的點，其開挖規(guī)格為1.5 m×1.5 m×H；對每組檢查片中3片有強制電流保護的試片使用直徑為2.5 mm的銅線連接，并將試片與管道電路連接，維持與管道相同的電位，連通管道或管道沿線的測試樁；采用絕緣繩連接3片自然腐蝕的試片；檢查片均置于開挖坑，其深度與管道埋設的深度相同；回填時，應將回填土分層夯實，并將耕植土填在埋設坑上。在埋設過程中，應嚴防檢查片受到機械損傷，并注意保護導線。經(jīng)過1年的埋設后，取出埋設坑中的鋼制檢查片，經(jīng)過清洗、酸洗、電鏡掃描等步驟后，對鋼制檢查片進行稱重分析。

2 結果和討論

2.1 試驗管段的陰極保護效果

計算所使用的檢查片埋設于村莊的水塘中，受到的保護較好，無第三方破壞。在以6片為一組的檢查片中，分別計算了3片電流保護片和3片自然腐蝕片。電流保護片平均腐蝕速率為0.352 5 g/（dm2·年），自然腐蝕片的平均腐蝕速率為4.630 1 g/（dm2·年），保護度為2.39%.

圖1為試驗樣本中電流保護片與自然腐蝕片腐蝕速率的對比。在大多數(shù)情況下，電流保護片的腐蝕速率遠小于自然腐蝕片的腐蝕速率。由此可見，由計算檢查片所獲取的保護度數(shù)較為合理。

2.2 腐蝕形貌掃描電鏡分析

采用KYKY-2800掃描電子顯微鏡對電流保護片進行了掃描，其放大倍數(shù)為8×～250 000×，加速電壓為0～30 kV。由此可見，試片表面相對平滑，有片狀的腐蝕產(chǎn)物，大體處于同一平面上，沒有明顯的蝕孔，腐蝕產(chǎn)物與金屬基體的結合比較緊密，進一步放大后，腐蝕產(chǎn)物呈顆粒狀。這與計算檢查片所取得的腐蝕速率數(shù)相一致。

自然腐蝕片的電子顯微圖像表面覆蓋有晶體層產(chǎn)物，其與腐蝕產(chǎn)物不在同一平面上，有不同的深度變化。腐蝕產(chǎn)物結構疏松，膜層有孔隙，表面覆蓋膜的保護性較差，腐蝕產(chǎn)物易剝落，無法有效阻止管道鋼的腐蝕。放大掃描圖像后發(fā)現(xiàn)，層狀腐蝕產(chǎn)物有破裂現(xiàn)象。由此可見，自然腐蝕片的腐蝕速率明顯高于電流保護片。

2.3 Χ射線光電子能譜（XPS）分析

進行Χ射線光電子能譜（XPS）分析樣品的尺寸應為10 mm×10 mm。因此，需要切割樣品。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，各樣本中電流保護片和自然腐蝕片的腐蝕產(chǎn)物基本一致，F(xiàn)e2O3、Al2O3、CaCO3、SiO2為主要化學腐蝕產(chǎn)物。2號電流保護試片的Χ射線光電子能譜分析如圖2所示。

2.4 鋼制檢查片樣本計算差異分析

在使用埋片法檢測電流保護片和自然腐蝕片的腐蝕速率時，從圖1可發(fā)現(xiàn)，個別試驗點中出現(xiàn)了保護度偏低，電流保護片腐蝕速率與自然腐蝕片腐蝕速率基本相同，甚至高于自然腐蝕片的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因大致有以下4種：①部分埋設點位于坑內(nèi)積水較多，且周邊有公路、鐵路、高壓線的區(qū)域，鋼制檢查片陰極保護系統(tǒng)受到了坑內(nèi)積水的腐蝕，使用CuSO4電極萬用表測量得到的檢查片電位很不穩(wěn)定，甚至超出了其外加電流保護電位的范圍。這些埋設點腐蝕較為嚴重的原因主要是管道沿線存在雜散電流。由于檢查片長期處于積水較多的水坑中，且電流保護片的導線通電良好、自然腐蝕片只與土壤接觸（不通電），導致保護片所受的雜散電流腐蝕影響大于自然腐蝕片。因此，某些埋設點電流保護片的腐蝕速率高于自然腐蝕片。②部分檢查片埋深較淺，掩埋土質中的石頭較多，且其周邊有水塘等干擾源，受環(huán)境影響，其保護度均低于20%.本次試驗中外加電流陰極保護系統(tǒng)管道的保護電流并非全部流向被保護的管道，有部分電流沿其他管道流動，進而腐蝕外管道。③在外加電流陰極保護中，雜散電流會對保護電位、陰極保護電流產(chǎn)生較大的影響。如果地下管道的電位相對于環(huán)境為負，則可獲得相應的保護；如果其電位相對于環(huán)境為正，則管道會遭受腐蝕。然而，試驗管道埋設的土壤中的雜散電流會使電位變化復雜化。由于在埋設管道時會受到雜散電流或瞬時電場的而影響，其電位會在瞬時相對于環(huán)境為正。在這種情況下，試驗管道就變成了陰極保護系統(tǒng)中的陽極，進而導致管道遭受腐蝕。④對于受雜散電流影響的腐蝕較為嚴重的管道，想完全杜絕雜散電流的流入是不可能的，而減少或防止從管道上排出電流是可行的。建議在使用埋片法檢測管道陰極保護效果時使用電排流，并采取調(diào)整陽極布局、測試樁布局等方法緩解雜散電流對管道的影響。

3 結束語

綜上所述，鋼制天然氣管道在土壤中被腐蝕時可能會造成巨大的經(jīng)濟損失。因此，采用正確的檢測方法對鋼制天然氣管道的土壤腐蝕情況進行檢測十分重要。研究表明，用埋片法檢測鋼制天然氣管道的土壤腐蝕情況，結果直觀、準確，與實際情況相符，值得推廣應用。

參考文獻

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[2]陳振華，錢昆，段沖.油氣站場管道腐蝕檢測方法及節(jié)點控制[J].管道技術與設備，2013（05）.

〔編輯：張思楠〕