某三層PE埋地鋼管管體的腐蝕原因

李 炳,鄒慧慧,吳 凱,董 亮,崔 偉,王修云

(1. 中海石油廣東天然氣有限責任公司，珠海 519015; 2. 安科工程技術(shù)研究院(北京)有限公司，北京 100083;3. 北京科技大學，北京 100083)

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某三層PE埋地鋼管管體的腐蝕原因

李 炳1,鄒慧慧1,吳 凱1,董 亮2,3,崔 偉2,王修云2

(1. 中海石油廣東天然氣有限責任公司，珠海 519015; 2. 安科工程技術(shù)研究院(北京)有限公司，北京 100083;3. 北京科技大學，北京 100083)

通過管體外觀檢查、土壤環(huán)境測試、陰極保護與交直流干擾檢測、腐蝕產(chǎn)物分析等方法，對某埋地鋼管3PE防腐蝕層缺陷處管體的腐蝕情況及其成因進行了分析。結(jié)果表明：防腐蝕層缺陷處管體的腐蝕形貌與交流腐蝕類似，且該管線與電氣化鐵路交叉穿越，腐蝕點處最大交流電流密度達到100 A/m2，發(fā)生交流腐蝕的可能性較大。

3PE涂層;腐蝕;電氣化鐵路;交流腐蝕

外防腐蝕層結(jié)合陰極保護技術(shù)被認為是埋地管道外部防腐蝕的最佳方案。在眾多種類的外防腐蝕層中，3PE防腐蝕層以優(yōu)異的防護性和適用性在我國管道工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]，是目前埋地管道外防腐蝕技術(shù)的首選結(jié)構(gòu)[3-4]。然而，由于施工質(zhì)量、外力破壞、介質(zhì)環(huán)境、長期服役等因素的影響，3PE防腐蝕層會出現(xiàn)破損、老化，使其防護能力降低甚至失去防護作用。在破損點，管道基材遭受電化學腐蝕，嚴重時導致管道穿孔，不僅妨礙安全生產(chǎn)、造成巨大的經(jīng)濟損失，而且對生態(tài)環(huán)境造成嚴重影響[5-7]。

近年來，埋地鋼質(zhì)管道與強電系統(tǒng)(高壓輸電線路和交流電氣化鐵路)平行或交叉的情況愈加普遍，使得埋地管道存在發(fā)生交流腐蝕的風險[8-9]。2014年11月，對已建8 a的某3PE防腐蝕輸氣管線進行防腐蝕層檢測時發(fā)現(xiàn)，有兩處涂層破損處管體發(fā)生明顯腐蝕。為分析其交流腐蝕的可能性，對該管道進行了管體檢查、環(huán)境測試、干擾檢測等工作，并按照GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護技術(shù)標準》中交流腐蝕的判斷項進行了分析。

1　腐蝕外觀檢查

兩處防腐蝕層缺陷點(記為1號和2號)相距約5 m，開挖后分別檢查了剝開防腐蝕層前后缺陷點的形貌特征，見圖1所示。檢查發(fā)現(xiàn)，1號缺陷點在12點鐘位置，屬于機械損傷缺陷，表面被砂土覆蓋，易于清除。缺陷近橢圓形，防腐蝕層破損尺寸為2 cm ×1.5 cm，面積為2～3 cm2；管材暴露尺寸為1.5 cm×0.5 cm，面積為0.5～0.8 cm2；清除防腐蝕層后發(fā)現(xiàn)，管體出現(xiàn)胚胎狀腐蝕坑，最大長度約3 cm，深度約0.5 mm。腐蝕坑中心有黃褐色腐蝕產(chǎn)物，腐蝕坑邊緣附近有黃褐色和黑色腐蝕產(chǎn)物。腐蝕坑外側(cè)有明顯的暈輪痕跡，水漬浸沒直徑超過20 cm。2號缺陷點在2點鐘位置，屬于機械損傷缺陷，表面覆蓋砂土已被清除。缺陷近橢圓形，防腐蝕層破損尺寸為4 cm×1.5 cm，面積為4～6 cm2；管材暴露尺寸為1.5 cm×0.5 cm，面積為0.5～0.8 cm2；清除防腐蝕層后發(fā)現(xiàn)，缺陷點管體也出現(xiàn)了類似胚胎狀的腐蝕坑，最大深度超過0.5 mm，有機械損傷。腐蝕坑中心有黃褐色腐蝕產(chǎn)物，腐蝕坑邊緣附近有黃褐色和黑色腐蝕產(chǎn)物。腐蝕坑外側(cè)有明顯的暈輪痕跡。

2　腐蝕原因分析

2.1土壤環(huán)境測試

采用色譜法測得缺陷點附近土壤中離子含量見表1。根據(jù)GB/T 7871-1987分級標準可知，缺陷點附近含鹽量處于中等水平，有一定的腐蝕性。

用pH試紙現(xiàn)場測試得土壤浸出液的pH為5.5～7.0，屬于近中性土壤。土壤含水率為17.5%(質(zhì)量分數(shù),下同)和18.6%。0.5,1,2 m深度的土壤電阻率分別為31.5,47.2,52.9 Ω·m。根據(jù)GB/T 21447-2008《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)程》，當土壤電阻率為20～50 Ω·m，土壤腐蝕性處于中等。采用絕跡稀釋法測得該處硫酸鹽還原菌(SRB)含量為337個/g，由于硫酸鹽含量不高，最低陰極保護水平應(yīng)為-0.85 V(相對于銅/硫酸銅參比電極，簡稱CSE，以下電位均相對于此參比電極)。

表1　缺陷點附近土壤離子含量Tab. 1　The ion contents in soil beside the defect　g·kg-1

2.2陰極保護與交直流干擾狀況

對管道開挖后,通過試片法(面積為6.5 cm2)測試了管道的自然電位與短時間(20 min)內(nèi)的通/斷電電位，通過pH試紙測試了2號缺陷點處管體的pH(管體1號表面積液過少，無法測試)，同時通過上下游測試樁測試了24 h的通/斷電電位與交直流干擾電壓。

1號和2號缺陷點處短時間內(nèi)測得的斷電電位分別為-0.94 V和-1.13 V。pH試紙測得的管體表面pH約為9。這表明，缺陷點處管體受到了陰極保護。

在距離1號和2號缺陷點最近的上游測試樁(距離約400 m)處監(jiān)測到的24 h通/斷電電位如圖2所示，管線受到一定程度的直流干擾。測試樁處的平均斷電電位約為-0.94 V，電位基本滿足陰保準則，而1號、2號防腐蝕層缺陷點處電位與測試樁處相當或更負(-0.94 V和-1.13 V)，直流腐蝕的可能性較小。

在1號和2號缺陷點所處管段上下游測試樁處監(jiān)測到的24 h交流干擾電壓如圖3所示。由圖3可見，在電氣化鐵路系統(tǒng)的干擾下，管道交流電壓存在明顯波動，最大交流干擾電壓超過10 V。上下游測試樁處交流電壓超過4 V的時間分別占全天的4.41%和4.97%。因為周圍無排流裝置，所以缺陷點處的交流干擾電壓也基本處于同一水平。根據(jù)國標GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護技術(shù)標準》，當交流干擾電壓大于4 V時，應(yīng)進一步用交流電流密度進行評估。缺陷所在區(qū)域管道埋深約為0.6 m，取測試土壤電阻率為31.5 Ω·m，缺陷點處管材裸露面積為0.5 cm2，結(jié)果顯示計算得到的最大電流密度超過100 A/m2，存在交流腐蝕的風險。

2.3腐蝕產(chǎn)物分析

將圖1所示缺陷點處3PE防腐蝕層上殘留的黃褐色和黑色腐蝕產(chǎn)物區(qū)域以及無明顯腐蝕產(chǎn)物的

防腐蝕層基底區(qū)域采用掃描電子顯微鏡(SEM)觀察形貌，如圖4所示。由圖4可見，基底表面比較光滑，殘留少量的腐蝕產(chǎn)物；黑色區(qū)域腐蝕產(chǎn)物較多，附帶鹽類晶體結(jié)構(gòu)；黃褐色腐蝕產(chǎn)物呈絮狀，屬于典型的氧化鐵結(jié)構(gòu)。采用能譜(EDS)分析缺陷處表面元素成分，結(jié)果如表2所示。由表中數(shù)據(jù)可見，基底不含鐵元素，黑色和黃褐色區(qū)域含有較多的鐵元素，在黃褐色區(qū)域還發(fā)現(xiàn)了鈣元素。為進一步確定腐蝕產(chǎn)物成分，對防腐蝕層表面的附著物進行XRD分析，結(jié)果如圖5所示。分析表明黃褐色腐蝕產(chǎn)物主要為Fe2O3，其中混有SiO2和CaCO3；黑色腐蝕產(chǎn)物主要為Fe3O4，其中混有SiO2。

3　結(jié)果與討論

陰極保護對交流腐蝕有著重要的影響。研究表明，陰極極化在100 mV時，能有效降低腐蝕速率[10]，但極化水平較高且交流電流密度較大時，不能有效降低腐蝕速率[11]。有學者認為過高的陰極保護會使涂層缺陷處局部環(huán)境堿性化，反而促進了交流腐蝕的發(fā)生，因此建議埋地管道的陰極保護電位不易過負[12]。本案所涉及的兩處防腐蝕層破損點，陰極保護水平較高，且交流電流密度較大，陰極保護不能有效抑制交流腐蝕。

表2防腐層缺陷處不同區(qū)域的EDS結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))Tab. 2　EDS results in different regions of the defected coating (mass)　%

根據(jù)國標GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護技術(shù)標準》，可以依照表3規(guī)定的評估項目對本案例的腐蝕類型進行評價，當大多數(shù)評估項目結(jié)論為肯定時，可以判定為交流腐蝕。

在所有十四項評估項目中，本案例防腐蝕層缺陷處的腐蝕大都符合，按照標準可判定該腐蝕類型是由交流電氣化鐵路引起的交流腐蝕。

目前報道的案例中管道防腐蝕層一般為厚度較薄的熔結(jié)環(huán)氧涂層或更差的涂層，而干擾源往往是由高壓交流輸電線路引起的穩(wěn)態(tài)交流干擾，因此表3中不完全符合的項目是否是由于涂層為高強度的3PE防腐蝕層或干擾源為電氣化鐵路，需要進一步研究。

表3　交流腐蝕評估表Tab. 3　The evaluation sheet about AC corrosion

4　結(jié)論

(1) 對管道兩處防腐蝕層缺陷處的腐蝕形貌、腐蝕介質(zhì)、陰極保護與交直流干擾狀況以及腐蝕產(chǎn)物進行了分析，對比交流腐蝕發(fā)生的系列特征，判斷該管道存在交流腐蝕的可能性。

(2) 3PE防腐蝕層管道或電氣化鐵路引起的交流腐蝕案例報道較少，是否在此類交流干擾下出現(xiàn)交流腐蝕，或者存在新的腐蝕形貌特征還有待進一步研究。

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Corrosion Reason for a Buried Gas Pipeline with 3PE Coating

LI Bing1, ZOU Hui-hui1, WU Kai1, DONG Liang2,3, CUI Wei2, WANG Xiu-yun2

(1. CNOOC Guangdong Natural Gas Ltd, Zhuhai 519015, China; 2. Safetech Research Institute (Beijing) Ltd,Beijing 100083, China; 3. University of Science and Technology Beijing, Beijing 100083, China)

The corrosion reasons of a gas pipeline with 3PE coating were analyzed by macro observation, soil environment testing, evaluation of cathodic protection and interference of alternating current (AC)/direct current (DC), and corrosion product analyzing. Results indicated that AC corrosion was most likely to be the cause of corrosion because of similar corrosion morphology, and the biggest AC current density was as high as 100 A/m2induced by nearby electrified railway.

3PE coating; corrosion; electrified railway; AC corrosion

10.11973/fsyfh-201608018

2015-04-14

崔 偉(1988-)，助理工程師，碩士，從事油氣管道的腐蝕與防護工作，13811915141，cuiwei@ankosri.com

TG174.4

B

1005-748X(2016)08-0688-05