單層保溫配重海管腐蝕與防護研究分析

趙銘文

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300451)

海底管道作為一種輸送流體介質的工具，具有連續(xù)、快捷、輸送量大等諸多優(yōu)點。海底管道是海上油氣集輸?shù)闹饕侄?，是海洋石油的生命線。隨著國內(nèi)海底輸油管道建設、使用增多以及運營時間的延長，海底管道腐蝕破損的事故也在逐年增加。海底管道腐蝕破損直接導致石油泄漏、污染附近海域的生態(tài)環(huán)境，而且也給附近區(qū)域的養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)和旅游業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失，所以需要對海底管道的材質、生產(chǎn)裝配、維護等措施進行嚴格規(guī)范[1-3]。

1 海底管道基本情況

此條海底管道于2007年投產(chǎn)，管道設計壽命20年，管道總長14.3 km，管道尺寸為 219.1 mm(8英寸)，壁厚8.7 mm，管體結構采用單層保溫配重管，海底管道的工況具體如下：管道進出口壓力分別為6.3 MPa、5.9 MPa；進出口溫度分別為52 ℃、28 ℃；管道日輸液量450 m3，日輸氣量2.8×105m3；海底水溫3～25 ℃；海底洋流流速0.1～0.15 m/s。

1.1 單層保溫配重管結構形式

單層保溫配重管管體結構從外到內(nèi)依序為：第一層為混凝土配重層，其中混凝土配重層中間纏繞加固鋼絲網(wǎng)；第二層是PE夾克套管，包覆在保溫層的外表面；第三層是聚氨酯保溫層，包覆在防腐涂層的外表面；第四層是管端聚乙烯防水帽；第五層是在鋼管的外表面涂覆一層防腐涂層(即FBE防腐層)；第六層是鋼管。如圖1所示。

圖1 單層保溫配重管結構示意圖

1.2 海底管道的化學分析

此條海底管道管體所采用的材質為API 5L X65 無縫鋼管，腐蝕缺陷部位管材取樣的化學成分與API SPEC 5L規(guī)定X65石油鋼管的化學成分對比，如表1所示。

表1 X65石油鋼管化學成分對比 %

從表1可以看出，此條海底管道在發(fā)生嚴重腐蝕區(qū)域的S含量偏高，其他元素成分符合API SPEC 5L X65化學成分的要求。同時，對管道上的犧牲陽極取樣進行化學成分分析，其主要成分結果：Al為93.830 %；Zn為5.650 %；In為0.017 %。經(jīng)測定管道所用的犧牲陽極類型為鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極，符合犧牲陽極保護海底管道材質規(guī)范要求。

1.3 管道腐蝕形貌特征

該管道通過漏磁檢測共發(fā)現(xiàn)3處管體減薄的位置，管體壁厚減薄率分別為： 88%、75%、63%。海底管道回收后，重點對管體減薄位置進行了驗證定位，并做了詳細的檢測，結果如表2所示。

表2 管線壁厚情況

海底管道腐蝕以局部外腐蝕為主，腐蝕發(fā)生位置主要集中在管道底部距焊縫處370～380 mm附近，腐蝕位置的FBE防腐層與基體有明顯分層現(xiàn)象，腐蝕形狀為橢圓型蝕坑，腐蝕坑深度范圍為6.0～8.0 mm，管道壁厚實際減薄范圍為69%～92 %。 如圖2、圖3所示。

圖2 海底管道外壁腐蝕

圖3 FBE防腐層下的點蝕孔

2 腐蝕原因分析

2.1 海水造成腐蝕

此條海底管道局部腐蝕坑的產(chǎn)生，是由于海水與管道外壁直接接觸而引起的，海水的介入與管道內(nèi)部形成了電化學腐蝕，加之海水中的Cl-破化腐蝕膜，使腐蝕加速引起蝕坑。海水腐蝕是造成管道腐蝕的直接原因。

海水能與管道直接接觸，與防腐層破損等因素有關。管道聚乙烯防護層隨時間會發(fā)生老化膨脹現(xiàn)象，使其在管道基體黏附力減弱，強度下降，材質變脆，出現(xiàn)黏結層剝離現(xiàn)象，形成管體與節(jié)點環(huán)空狀態(tài)，造成管管相通。又因節(jié)點處的外部破損，海水流動應力直接作用在節(jié)點上，使管端的防水帽和節(jié)點處熱縮帶受海水的沖擊應力和管道本身的振動影響容易產(chǎn)生裂紋或開裂，使海水通過裂縫或破損處進入到管體環(huán)空層內(nèi)，海水在環(huán)空層形成滯留封閉水團，而這種腐蝕具有自催化性，能夠形成閉塞自腐蝕電池效應。如果陰極保護電流被隔離(如陽極導線斷裂)，這種腐蝕將更為嚴重。

2.2 施工造成腐蝕

如圖4所示，常用的聚乙烯熱收縮套和防水帽，內(nèi)層為熱熔膠，外層為聚乙烯。節(jié)點施工時需要烘烤，如果烘烤溫度低，熱熔膠未熔融將影響?zhàn)そY性能，影響剝離強度；如果烘烤溫度超標，則造成聚乙烯變形或老化，影響使用壽命；烤制不夠均勻、褶皺多、未按標準要求烤出膠、熱熔膠過厚、夾雜砂石、管體表面除銹不到位、熱熔膠急劇驟冷、管體預熱處理欠佳等現(xiàn)象均影響熱縮套的安裝質量。在管道鋪設過程中，管道受到來自外部應力作用，加大了熱縮套開裂的傾向；隨著服役后時間積累，該位置發(fā)生裂紋或開裂，導致海水逐漸浸入，再加上FBE防腐層施工時存在噴涂不均勻、損傷后未及時修補或存在微小針孔，海水可以在這些部位與管道的外壁直接接觸發(fā)生電化學腐蝕。

圖4 管道連接節(jié)點位置示意圖

2.3 材質造成腐蝕

管道基體內(nèi)可能存在夾雜，會使基體組織成分變得復雜，造成各個組織成分之間存在著電位差，如表3所示，容易形成電偶腐蝕的陰陽兩極，使自身基體材質產(chǎn)生腐蝕的傾向增大。根據(jù)管體化學成分分析得出，管道基體內(nèi)夾雜可能以硫化錳為主，其在管道的腐蝕過程中起著陰極的作用，是造成管道發(fā)生點蝕的根源之一。由于硫化錳夾雜物在腐蝕過程中發(fā)生溶解，加劇了鈍化膜的破壞，從而加速了管道的腐蝕。與其他區(qū)域相比，夾雜附近區(qū)域銹層形貌與成分多為暗色組織，組織應力大，易脫落，且夾雜處的腐蝕產(chǎn)物為活性物質，易電離，從而使硫化錳夾雜物附近的腐蝕速率遠大于其他區(qū)域。隨著時間積累，點蝕坑就優(yōu)先在這些局部表面形成。

表3 X65鋼基體與硫化物夾雜的腐蝕電位(Vs SCE)

2.4 犧牲陽極失效

單層保溫配重管犧牲陽極是安裝在水泥配重層中間，靠銅導線與管道連接。一般來說，犧牲陽極的布置與安裝要適應管道結構的特點, 陽極經(jīng)過計算后沿著管道的延伸方向均勻分布。單層保溫配重管是將2個半圓的環(huán)狀陽極延管道環(huán)向固定在水泥配重層中，再用圓柱型銅芯導線將陽極與管體采用焊接方式連接。合格后對焊接部位、裸露點進行防腐處理，再用聚乙烯熱收縮套包覆，使聚乙烯層與管道主體聚乙烯層結構具有相融性和連續(xù)性, 形成結合緊密、平滑過渡、均勻連續(xù)的防護結構，滿足腐蝕防護要求。然而現(xiàn)場施工時聚乙烯層與主體聚乙烯層結合力不好，在管道吊裝、鋪設安裝過程中，焊接點受外部壓力和海水流動沖擊力的作用，防腐層剝離、導線斷裂或焊接點受力開裂，使陽極起不到應有的保護管體作用。當銅導線斷裂后，保留在管體上的Cu-Fe形成陰陽極保護，由于Fe活性大，造成犧牲管體保護銅，所以在焊接點處易出現(xiàn)點腐蝕。

由于犧牲陽極保護電流密度為防腐層存在針孔缺陷情況下的電流密度。當管體大面積與海水直接接觸時，陽極布置在管道上的密度不夠，造成陽極所提供的保護電流遠遠不夠，無法滿足點腐蝕需要的電流密度，同時裸露的金屬管道會有相當一部分雜散電流逸出，導致保護電流密度進一步減弱，也容易出現(xiàn)點腐蝕現(xiàn)象。

3 防護建議

針對海底管道腐蝕特點，結合分析測試結果，對海底管道腐蝕現(xiàn)象提出以下建議。

1)優(yōu)選管材。嚴格按照API SPEC 5L技術標準選擇管材，對管材鋼體組織內(nèi)部的夾雜、分層等缺陷，進行監(jiān)測控制。 開發(fā)新品種鋼種：添加Cr、Mo、Ni、Re等合金元素，尤其添加在海水浸泡環(huán)境下的耐腐蝕元素(防止點蝕)，提高管材鋼體的自腐蝕電位，減緩腐蝕速率。

2)選擇合適的防腐工藝。根據(jù)實際的腐蝕環(huán)境，選擇匹配的防腐材料及工藝，并增加管道腐蝕實時檢測設備。節(jié)點工藝選擇：盡量采用三層工藝的防腐技術，采用噴涂FBE和自動噴砂等工藝，使涂層材料更容易黏附在金屬基體上，減少涂層里殘余的孔隙通道，保證施工質量也增強防腐效果。

3)設定合理陰極保護的保護電流。管道底部由于缺氧，氯離子濃度較高，造成腐蝕傾向加重。管道發(fā)生嚴重的點蝕現(xiàn)象，說明局部區(qū)域陰極保護的電流密度不夠，應根據(jù)實際海域及管道輸送物流情況增加犧牲陽極數(shù)量?？紤]到施工時容易碰斷陽極導線，應改進陽極導線與管體連接形式，采用穩(wěn)固牢靠的導線，保證犧牲陽極起到應有的作用。

4)加強施工管理。加強施工制度管理，每個環(huán)節(jié)都得達到標準要求，提高管道及附屬件的產(chǎn)品質量，并對施工的質量嚴格把控。