絕緣防腐蝕層缺陷對(duì)油氣管線陰極保護(hù)中IR降的影響

周 勇,王 楠,郭自新,魏克穎,張世虎

(1. 西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065； 2. 長(zhǎng)慶油田采氣三廠，烏審旗 017300)

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絕緣防腐蝕層缺陷對(duì)油氣管線陰極保護(hù)中IR降的影響

周 勇1,王 楠1,郭自新2,魏克穎2,張世虎2

(1. 西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065； 2. 長(zhǎng)慶油田采氣三廠，烏審旗 017300)

采用試片斷電法，通過(guò)室內(nèi)模擬試驗(yàn)研究了絕緣防腐蝕層缺陷對(duì)陰極保護(hù)IR降的影響規(guī)律。結(jié)果表明：管線施加陰極保護(hù)管/地電位時(shí)，IR降隨著恒電位儀輸出電位的增加而增大;在相同的管/地電位下，IR降會(huì)隨著絕緣防腐蝕層破損面積的增大而增大，缺陷大小和陰極保護(hù)度呈負(fù)相關(guān)性。

埋地管道；陰極保護(hù)；防腐層缺陷；IR降

管道對(duì)其臨近土壤中參比電極的電位差(管/地電位)是用來(lái)反映管道陰極極化程度和保護(hù)效果的重要參數(shù)，但由于在測(cè)量過(guò)程中可能存在測(cè)量電流、保護(hù)電流、雜散電流、二次電流及絕緣防腐蝕層和土壤電阻等因素,會(huì)造成電位差(簡(jiǎn)稱(chēng)IR降)[1]，導(dǎo)致地表法測(cè)量的陰極保護(hù)電位不能真實(shí)反映埋地管道的極化程度[2]。絕緣防腐蝕層和土壤電阻造成的IR降有時(shí)高達(dá)數(shù)百毫伏，而在傳統(tǒng)的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往忽視了絕緣防腐蝕層缺陷對(duì)陰極保護(hù)電位IR降的影響[3-4]，因此，利用管/地電位根據(jù)經(jīng)驗(yàn)評(píng)價(jià)不同服役年限埋地管道的陰極保護(hù)效果會(huì)造成較大的誤差，從而影響埋地管道陰極保護(hù)的有效性。我國(guó)油氣管線總長(zhǎng)度已超過(guò)1×105km，不同管線的服役年限相差十幾年，甚至更長(zhǎng)。而國(guó)內(nèi)大部分的管道管理部門(mén)采用測(cè)量管/地電位來(lái)調(diào)整恒電位儀的輸出。隨著管線服役年限的增加，絕緣防腐蝕層破損或剝離現(xiàn)象十分突出[5]，為了給管線陰極保護(hù)評(píng)價(jià)提供更加科學(xué)的依據(jù)，研究絕緣防腐蝕層缺陷對(duì)管線陰極保護(hù)電位的影響具有重要的意義。

本工作通過(guò)涂層試片模擬不同大小的缺陷，采用試片斷電法研究絕緣防腐蝕層缺陷對(duì)陰極保護(hù)IR降的影響規(guī)律，從而為不同服役年限的管線陰極保護(hù)評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1　試驗(yàn)

1.1試樣

采用X65管線鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為:wC0.090,wMn1.60,wP0.020,wS0.004,wSi0.350,wNb0.060,wV0.060,wCr0.25,wNi0.30,wMo0.30,wTi0.025,余量為鐵。尺寸為60 mm× 45 mm×5 mm。試片用砂紙打磨光滑，酸性去油，本試驗(yàn)采用0 mm×0 mm(A)，10 mm×10 mm(B),20 mm×20 mm(C)的裸露面積來(lái)模擬涂層破損缺陷，其余位置涂上環(huán)氧絕緣樹(shù)脂。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)箱采用聚氯乙烯板箱體，尺寸為3 600 mm×1 800 mm×800 mm，上部用絕緣板覆蓋。將殺菌后的土壤置于箱體內(nèi)，土壤含水率為15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)。試驗(yàn)方法采用近參比法。恒電位儀采用石家莊無(wú)線電十廠生產(chǎn)的HT-1712H直流穩(wěn)壓電源。輔助陽(yáng)極選用碳硅棒，掩埋深度為30 mm。陰極選用不同裸露面積的試片。參比電極選用便攜式硫酸銅參比電極(CSE)，參比電極與試片相距10 cm。通斷電電位測(cè)量選用MS-85型數(shù)字萬(wàn)用表及存儲(chǔ)式電壓采集卡。

試驗(yàn)選取A、B、C 3種不同裸露面積的試片將其置于土壤環(huán)境中，分別在-0.8 V、-1.0 V、-1.2 V、-1.4 V極化電位下測(cè)量斷電電位和IR降，并進(jìn)行50 d土壤腐蝕試驗(yàn)，觀察、分析陰保效果。腐蝕失重分析采用SY/T 0029-2012標(biāo)準(zhǔn)，腐蝕形貌觀察采用日本電子株式會(huì)社生產(chǎn)的JSM6390A掃描電鏡。

2　結(jié)果與討論

2.1管/地電位對(duì)斷電電位和IR降的影響

埋地管道的陰極保護(hù)電位是衡量管道陰極保護(hù)有效性的主要參數(shù)，我國(guó)的GB/T 21448 - 2008《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：管道陰極保護(hù)電位(即管/地界面極化電位)應(yīng)為-850 mV或更負(fù)(文中電位若無(wú)特指，均相對(duì)于銅/硫酸銅電極,CSE)，而管/地界面極化電位一般可用斷電電位進(jìn)行測(cè)量。圖1為3種試片斷電后電位的變化過(guò)程。由圖1可見(jiàn)，在斷開(kāi)電源的瞬間，不同裸露面積試片的保護(hù)電位明顯下降，然后有一個(gè)去極化的過(guò)程。當(dāng)極化電位從-0.8 V降至-1.4 V時(shí)，裸露面積為2 cm×2 cm的試片的斷電電位由：-0.64 V降至-0.86 V，IR降由-0.16 V降至-0.54 V,斷電電位和IR降均隨管地電位的增加而增加，陰極極化效應(yīng)增加。A，B兩種試片的斷電電位和IR降與C試片呈現(xiàn)相似規(guī)律。此外，在4種極化電位下，隨著試片裸露面積的增加，去極化的時(shí)間都延長(zhǎng)。

2.2絕緣防腐層缺陷大小對(duì)斷電電位及IR降的影響

由圖1可見(jiàn)，在相同的陰保電位下，試片的斷電電位隨裸露面積增加而升高，IR降也隨之增大。同時(shí)，在管/地電位較高時(shí)，裸露面積的增加對(duì)斷電電位和IR降的影響相對(duì)較?。欢?地電位較高時(shí)，裸露面積的增加對(duì)斷電電位和IR降的影響相對(duì)較大。出現(xiàn)這種情況主要與IR降中的阻抗有關(guān)。IR降中的阻抗主要包括土壤的阻抗與涂層的阻抗，當(dāng)管/地電位較小時(shí)，相對(duì)極化電流較小，涂層阻抗變化引起的IR降相對(duì)較小，反之則較大。另外，從圖1,2中還可見(jiàn)，管/地電位要達(dá)到-1.4 V時(shí)，試片的斷電電位才低于-850 mV，由涂層破損引起的最大IR降約為50 mV，而且IR降隨著極化電流的增加而增加，說(shuō)明絕緣防護(hù)層中的缺陷大小對(duì)斷電電位及IR降均存在較大的影響。

2.3絕緣防腐層缺陷對(duì)陰極保護(hù)度的影響

由表1可見(jiàn),在相同陰保電位下,隨著試片裸露面積的增大，試樣的質(zhì)量損失增大。陰保電位為-0.8 V和-1.0 V時(shí)，試片的陰極保護(hù)度低于85%；而陰保電位為-1.2 V時(shí)，帶缺陷試片的保護(hù)

表1　3種試片在不同陰保電位下的質(zhì)量損失 及保護(hù)度Tab. 1　Weight loss and protection degree of 3 kinds of samples at different cathodic potentials

度低于85%,對(duì)無(wú)缺陷的試片的保護(hù)度可達(dá)到92.7%。當(dāng)陰保電位為-1.4 V時(shí)，各試片的斷電電位均負(fù)于-0.85 V，達(dá)到陰極保護(hù)的要求，三種試片的保護(hù)度都達(dá)到了90%以上。以上分析表明，試片裸露面積和陰極保護(hù)度呈負(fù)相關(guān)性，隨著裸露面積的增大，試片陰極保護(hù)度降低。

由圖3可見(jiàn)，裸露面積為1 cm×1 cm的試片表面出現(xiàn)了比較緊密的腐蝕點(diǎn)，有少量腐蝕產(chǎn)物覆蓋，試片發(fā)生輕微腐蝕；而裸露面積為2 cm×2 cm的試片表面出現(xiàn)了幾處明顯的蝕孔與蝕坑，且試片表面腐蝕產(chǎn)物疏松，腐蝕程度高于裸露面積為1 cm×1 cm的試片。這表明管/地電位有時(shí)不能反映試片的真實(shí)陰極保護(hù)電位，且在相同的管/地電位下，涂層中的缺陷大小對(duì)試片的腐蝕存在較大的影響，這一結(jié)果與2.2節(jié)絕緣防腐層缺陷大小對(duì)IR降的影響基本一致。

因此，若要使有防腐蝕層缺陷的管道得到有效保護(hù)，必須根據(jù)防腐蝕層的缺陷大小對(duì)恒電位儀輸出的參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，缺陷面積越大，陰極保護(hù)電位正向偏移越大，即IR降越大，若不調(diào)節(jié)恒電位儀的輸出電流，會(huì)使得管道極化程度不夠，進(jìn)而發(fā)生腐蝕。在油氣田管道陰極保護(hù)中，對(duì)于服役年限較長(zhǎng)的管線，要適當(dāng)提高陰保電位或通過(guò)測(cè)量斷電電位調(diào)整陰保電位，避免管線由于絕緣防腐蝕層老化導(dǎo)致腐蝕穿孔。

3　結(jié)論

(1) 對(duì)于有陰保的管線，IR降隨著恒電位儀輸出電壓的增加而增加，且隨著防腐蝕涂層缺陷面積的增加，去極化的時(shí)間變長(zhǎng)。

(2) 在相同的管/地電位下，防腐蝕絕緣層的破損會(huì)使陰極保護(hù)電位發(fā)生正向偏移，IR降會(huì)隨著破損面積的增大而增大。

(3) 防腐蝕層破損面積和陰極保護(hù)度呈負(fù)相關(guān)性，隨著破損面積的增大，試片陰極保護(hù)度減小。

(4) 建議在陰極保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)管線服役情況，及時(shí)調(diào)整恒電位儀輸出參數(shù)，使保護(hù)的管網(wǎng)處于有效的保護(hù)狀態(tài)。對(duì)于防腐蝕層缺陷嚴(yán)重的管線，一定要對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加強(qiáng)保護(hù)，避免腐蝕加劇。

[1]NACE Standard RP-01-69Recommended practice，control of external corrosion on underground of submerged metallic piping systems[S].

[2]GB/T 21448-2008埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].

[3]PEABOY A W. Control of pipeline corrosion[M]. Houston:NACE,1967.

[4]BENEDIC L. Classic papers and reviews on anode resistance fundamentals and applications[M]. Houston:NACE,1986.

[5]李彬. 陰極保護(hù)下埋地管道涂層及腐蝕與防護(hù)態(tài)勢(shì)評(píng)價(jià)方法研究[D]. 成都:西南石油大學(xué),2004.

Effect of the Damage Area of Coating on IR Drop of Cathodic Protection for Oil and Gas Pipeline

ZHOU Yong1, WANG Nan1, GUO Zi-xin2, WEI Ke-ying2, ZHANG Shi-hu2

(1. School of Material Science and Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China；2. The Third Gas Production Plant of PetroChina Changqing Oilfield Company, Wushenqi 017300, China)

Breakpoint test and indoor simulated experiment were used to investiguate the effect of damaged area of coating on IR drop of cathodic protection. The results showed that IR drop increased when potentiostat output voltage increased for the pipeline with cathodic protection. Meanwhile, in the same voltage, IR drop increased when the damage area increased, and defect size and cathodic protection efficiency was negatively correlated.

buried pipeline; cathodic protection; coating defect; IR drop

10.11973/fsyfh-201609014

2015-11-13

陜西省重點(diǎn)學(xué)科專(zhuān)項(xiàng)(ys37020203); 西安石油大學(xué)優(yōu)秀碩士學(xué)位論文培育項(xiàng)目(2015yp140512)

周 勇(1963-),教授,博士,主要從事石油工程材料表面工程技術(shù)研究,13892815331,yzhou@xsyu.edu.cn

TG174

B

1005-748X(2016)09-0753-03