地鐵干擾對(duì)埋地管道的外腐蝕影響及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法研究

張文艷 傅江 王小平

1中國(guó)石油西南油氣田公司輸氣管理處

2中國(guó)石油西南油氣田公司勘探開發(fā)研究院

近年來，隨著我國(guó)城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，對(duì)城市軌道交通和能源的需求越來越大，城市地鐵和油氣管道得到了大規(guī)模發(fā)展，地鐵系統(tǒng)與埋地油氣管道在線路選址上出現(xiàn)并行或交叉不可避免，致使動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾腐蝕的可能性和危險(xiǎn)程度不斷增加，干擾腐蝕的防護(hù)變得越加迫切和重要[1-3]。如西南地區(qū)某管線與重慶市地鐵一號(hào)線和地鐵六號(hào)線等多條城市軌道交通、鐵路平行或交叉，軌道交通產(chǎn)生的雜散電流干擾導(dǎo)致130 km 左右的管道受干擾電流影響，強(qiáng)制電流法陰極保護(hù)的恒電位儀電流無法正常輸出，對(duì)管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)造成了嚴(yán)重的影響，甚至使施加在管道上的陰極保護(hù)功能基本失效。地鐵雜散電流干擾不但會(huì)導(dǎo)致管道陰極保護(hù)電位發(fā)生高頻波動(dòng)，在電流流出點(diǎn)加速管道的腐蝕，在電流流入點(diǎn)可能導(dǎo)致管道防腐涂層的剝離，還會(huì)影響恒電位儀的正常運(yùn)行，加速管道犧牲陽極的消耗速率[4-6]。張玉星、杜艷霞[7-8]等通過室內(nèi)模擬試驗(yàn)，研究了動(dòng)態(tài)直流雜散電流對(duì)管道的腐蝕行為影響規(guī)律；翁永基等[9-10]通過理論和實(shí)驗(yàn)分析，探討建立了埋地管道直流干擾腐蝕檢測(cè)指標(biāo)，但關(guān)于動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾下的腐蝕機(jī)理仍不清晰，同時(shí)也缺乏雜散電流干擾下管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法。

為了掌握地鐵直流雜散電流對(duì)管道的腐蝕危害影響，給管道腐蝕原因的識(shí)別診斷及地鐵雜散電流干擾的排流設(shè)計(jì)提供依據(jù)，本文以某段遭受地鐵雜散電流干擾的輸氣管道為研究對(duì)象，開展了地鐵雜散電流對(duì)埋地管道的腐蝕危害影響研究。該段輸氣管道與地鐵交叉，交叉處兩端管線干擾影響較為嚴(yán)重。為了弄清該段管道的地鐵雜散電流干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，在該段管線交叉處附近選取3處試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行腐蝕檢查片現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和理論分析，其研究結(jié)果可為后期相關(guān)研究提供借鑒。

1 試驗(yàn)過程及方法

1.1 腐蝕檢查片的制備

本文采用的腐蝕檢查片是直徑分別為7.98、11.3、28.8、35.7、50.5 mm，高度為10 mm 的圓柱形試樣，在試樣的一個(gè)底面中間鉆一個(gè)螺紋孔，用鋼制螺釘與其電連接，同時(shí)用銅導(dǎo)線與鋼制螺釘焊接，并用環(huán)氧樹脂將其密封，留出另一個(gè)底面（面積分別為0.5、1、6.5、10、20 cm2）作為工作面。

1.2 腐蝕檢查片的埋設(shè)

每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)包含30個(gè)檢查片，每種裸露面積（0.5、1、6.5、10、20 cm2）的腐蝕檢查片均設(shè)置2個(gè)平行樣。分別于管道同深位置、管道1/2深度位置以及距離地面0.3 m 處埋設(shè)不同面積的檢查片，如圖1所示。檢查片靠近管道中心線對(duì)稱布置，垂直于地面埋設(shè)，裸露面背對(duì)管道，相互間距宜為0.3 m。每個(gè)試片附近預(yù)埋設(shè)1根PVC 參比管（參比管的位置不應(yīng)妨礙電流的流動(dòng)），試片埋設(shè)完畢后，將其與管道進(jìn)行電連接。

圖1 腐蝕檢查片現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)情況Fig.1 Site buried conditions of corrosion coupons

1.3 腐蝕檢查片的測(cè)試開挖及實(shí)驗(yàn)室處理

1.3.1 試驗(yàn)點(diǎn)檢查片斷電電位測(cè)試

為了探索檢查片干擾測(cè)試參數(shù)與腐蝕風(fēng)險(xiǎn)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，分別在檢查片服役初期、中期、末期用GPS 試片斷路器和UDL1數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)檢查片通斷電位進(jìn)行測(cè)試。

1.3.2 試驗(yàn)點(diǎn)檢查片的失重分析

待檢查片服役約6個(gè)月后，將其取出，圖2顯示了腐蝕檢查片的現(xiàn)場(chǎng)開挖情況。然后將其運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行腐蝕失重分析和腐蝕形貌測(cè)試。

圖2 腐蝕檢查片現(xiàn)場(chǎng)開挖照片F(xiàn)ig.2 Site excavation conditions of corrosion coupons

在進(jìn)行腐蝕失重測(cè)試之前，先用光學(xué)電子相機(jī)對(duì)檢查片除銹前的腐蝕形貌進(jìn)行拍照，然后用150 g檸檬酸銨（NH4）2HC5H5O7加蒸餾水配置成1 000 mL 的除銹劑對(duì)腐蝕檢查片進(jìn)行除銹處理，處理溫度為70 ℃。除銹后，對(duì)腐蝕檢查片進(jìn)行再次稱重，計(jì)算其腐蝕失質(zhì)量，然后用公式（1）計(jì)算其腐蝕速率，同時(shí)用光學(xué)電子相機(jī)對(duì)其除銹后的腐蝕形貌進(jìn)行測(cè)試分析。

式中：vcorr為檢查片腐蝕速率，mm/a；ΔW為檢查片的失質(zhì)重，g；S為檢查片暴露的面積，cm2；t為檢查片腐蝕時(shí)間，h；ρ為檢查片的密度，g/cm3，本次檢查片為普通碳鋼，密度為7.85 g/cm3。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 腐蝕檢查片斷電電位測(cè)試結(jié)果

分別在腐蝕檢查片服役初期、中期和末期進(jìn)行三處試驗(yàn)點(diǎn)檢查片斷電電位的連續(xù)測(cè)試，以6.5 cm2的檢查片為例，其斷電電位（CSE）測(cè)試結(jié)果見圖3～圖5。

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 21448—2017的規(guī)定，可以通過表1所示的方法對(duì)三處試驗(yàn)點(diǎn)管道的陰極陰保效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。若管道斷電電位達(dá)到表1的要求，則可認(rèn)為其陰極保護(hù)有效，否則陰極保護(hù)不達(dá)標(biāo)。具體評(píng)價(jià)結(jié)果詳見表2。

圖3 服役初期檢查片斷電電位測(cè)試結(jié)果Fig.3 Switch-off potential test results of coupons in the early service

圖4 服役中期檢查片斷電電位測(cè)試結(jié)果Fig.4 Switch-off potential test results of coupons in the middle service

圖5 服役末期檢查片斷電電位測(cè)試結(jié)果Fig.5 Switch-off potential test results of coupons at the end of service

表1 動(dòng)態(tài)直流干擾下國(guó)標(biāo)要求管道斷電電位達(dá)到的限值Tab.1 National standard requirements for the switch-off potential of pipelines under dynamic DC interference

表2 試驗(yàn)點(diǎn)檢查片斷電電位測(cè)試結(jié)果（檢查片面積6.5 cm2）Tab.2 Test results of the switch-off at test points potential（coupon area:6.5 cm2）

從斷電電位測(cè)試結(jié)果來看，三處試驗(yàn)點(diǎn)管道電位的偏移量和偏移時(shí)間比均超出了標(biāo)準(zhǔn)要求，管道受地鐵直流干擾的影響較大，陰極保護(hù)不達(dá)標(biāo)。

2.2 腐蝕形貌試驗(yàn)結(jié)果

圖6是動(dòng)態(tài)直流干擾下腐蝕試片的腐蝕形態(tài)圖。從圖6可以看出，管道在地鐵的動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾影響下，其腐蝕呈現(xiàn)出局部點(diǎn)蝕的特征。

圖6 腐蝕試片腐蝕形態(tài)示意圖Fig.6 Corrosion morphology of corrosion coupons

2.3 腐蝕速率測(cè)試結(jié)果

表3為三處試驗(yàn)點(diǎn)腐蝕檢查片腐蝕速率測(cè)試結(jié)果。從表3可以看出，1#試驗(yàn)點(diǎn)自腐蝕速率在0.033 1～0.058 7 mm/a 之間波動(dòng)。根據(jù)NACE 標(biāo)準(zhǔn)的要求，腐蝕速率低于0.025 4 mm/a 時(shí)可忽略不計(jì)。因此，在干擾情況下，檢查片自腐蝕速率超過了標(biāo)準(zhǔn)的要求。此外，隨著檢查片面積的逐漸增大，其腐蝕速率明顯降低。對(duì)于最底層檢查片來說，當(dāng)面積為0.5 cm2時(shí)，其腐蝕速率可達(dá)0.1～0.14 mm/a；對(duì)于最上層檢查片也是如此。然而，相對(duì)于最底層檢查片而言，最上層檢查片腐蝕速率的規(guī)律相對(duì)較弱，這可能與雜散電流的分布有關(guān)，表層土壤雜散電流分布不均。

2.4 地鐵干擾對(duì)管道的腐蝕影響特征分析

根據(jù)三處試驗(yàn)點(diǎn)的腐蝕檢查片的室內(nèi)處理及腐蝕速率測(cè)試結(jié)果，管道在地鐵動(dòng)態(tài)直流干擾影響下的腐蝕特征有如下幾方面：

表3 腐蝕檢查片腐蝕速率測(cè)試結(jié)果Tab.3 Corrosion rate test results of corrosion coupons

（1）動(dòng)態(tài)直流干擾下，試驗(yàn)點(diǎn)的干擾試片腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自腐蝕試片腐蝕速率，且均超過了標(biāo)準(zhǔn)要求（0.025 4 mm/a）。

表4為三處試驗(yàn)點(diǎn)自腐蝕試片與干擾試片的腐蝕速率統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖7為干擾腐蝕試片與自腐蝕試片的腐蝕形貌。未與管道相連的自腐蝕試片，由于其面積小、表面無防腐層且全部裸露，遭受到地鐵的雜散電流干擾影響較小，故其腐蝕速率相對(duì)較低，但仍超出標(biāo)準(zhǔn)要求；與管道相連接的干擾試片，遭受到的地鐵雜散電流影響與管道一致，故腐蝕速率高，最大腐蝕速率已達(dá)0.37mm/a（3#試驗(yàn)點(diǎn)），腐蝕風(fēng)險(xiǎn)極高。

表4 腐蝕速率測(cè)試結(jié)果Tab.4 Corrosion rate test results

圖7 試片的腐蝕形貌Fig.7 Corrosion morphology of coupons

（2）隨著檢查片面積的逐漸增大，其腐蝕速率明顯降低，表明管道防腐層破損處破損面積越小，破損處管道遭受的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)越高。表5和圖8給出了三處試驗(yàn)點(diǎn)不同面積試片的腐蝕速率測(cè)定結(jié)果，對(duì)于自腐蝕檢查片而言，三個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)處檢查片腐蝕速率差異不大。對(duì)于干擾試片而言，當(dāng)試片面積越小時(shí)，表征管道防腐層破損處的面積越小，同等大小的干擾電流在此處造成的電流密度就越大，腐蝕越嚴(yán)重，故而腐蝕速率越高。

表5 不同面積試片（與管道同深）的腐蝕速率Tab.5 Corrosion rate of coupons with different areas(equal to the pipeline)

圖8 不同面積陰極保護(hù)檢查片腐蝕速率Fig.8 Corrosion rate of coupons with different areas of cathodic protection

3 干擾下管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)方法

從試驗(yàn)結(jié)果可知，檢查片面積和干擾程度均對(duì)其腐蝕速率有較大影響，而面積和干擾程度的影響均可通過檢查片斷電電位反映。管道陰極保護(hù)效果評(píng)價(jià)可根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 21448—2017的規(guī)定進(jìn)行，然而，該標(biāo)準(zhǔn)只是給出了動(dòng)態(tài)直流干擾下管道陰極保護(hù)的有效性評(píng)價(jià)方法，并未針對(duì)其腐蝕風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的不同而給出相應(yīng)的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

根據(jù)美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)NACE 標(biāo)準(zhǔn)SP0169—2013《Control of external corrosion on underground or submerged metallic piping systems》，當(dāng)埋地金屬管道的腐蝕速率不超過0.025 mm/a時(shí)，其腐蝕可忽略不計(jì)，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，0.1 mm/a 也是目前研究中用得較多的一個(gè)值。不妨將腐蝕速率低于0.025 mm/a 看作是低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，將腐蝕速率高于0.1 mm/a 看作是高腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，把腐蝕速率介于0.025～0.1 mm/a 看作是中等腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。下面的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)均是基于該假設(shè)之上。

3.1 斷電電位與腐蝕速率的對(duì)應(yīng)關(guān)系

以檢查片腐蝕速率為縱坐標(biāo)，其斷電電位相對(duì)于-0.85V（CSE）正向偏移的時(shí)間比為橫坐標(biāo)，繪制兩者間關(guān)系圖，見圖9～圖11。

圖9為檢查片腐蝕速率與斷電電位正于-0.85V（CSE）時(shí)間占總測(cè)試時(shí)間比例的關(guān)系?？梢钥闯觯瑱z查片腐蝕速率隨著該比值的升高呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。當(dāng)該比值不超過20%時(shí)，檢查片腐蝕速率均低于0.1 mm/a，處于中等腐蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；當(dāng)該比值為20%時(shí)，部分檢查片腐蝕速率超過0.1 mm/a，處于高腐蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。由于本次實(shí)驗(yàn)測(cè)得檢查片腐蝕速率不低于0.025 mm/a，故未能判斷出低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，但考慮國(guó)標(biāo)中的相關(guān)推薦，可認(rèn)為斷電電位正于-0.85V（CSE）時(shí)間占總測(cè)試時(shí)間的比值低于5%時(shí)，檢查片處于低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

圖10為檢查片腐蝕速率與斷電電位正于-0.80V（CSE）時(shí)間占總測(cè)試時(shí)間比例的關(guān)系?？梢钥闯觯c圖9相似，檢查片腐蝕速率隨著該比值的升高呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。當(dāng)該比值不超過15%時(shí)，檢查片腐蝕速率均低于0.1 mm/a，處于中等腐蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；當(dāng)該比值超過15%時(shí)，部分檢查片的腐蝕速率超過0.1 mm/a，處于高腐蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。類似地，可以認(rèn)為斷電電位正于-0.80 V（CSE）時(shí)間占總測(cè)試時(shí)間的比值低于2%（國(guó)標(biāo)規(guī)定的比值）時(shí)，檢查片處于低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

圖11為檢查片腐蝕速率與斷電電位正于-0.75 V（CSE）時(shí)間占總測(cè)試時(shí)間比例的關(guān)系?？梢钥闯?，與前面兩個(gè)圖相似，檢查片腐蝕速率隨著該比值的升高呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，但腐蝕速率的分布較為分散。當(dāng)該比值不超過1%時(shí)，檢查片腐蝕速率均低于0.025 4 mm/a，處于低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；當(dāng)該比值不超過8%時(shí)，檢查片腐蝕速率均低于0.1 mm/a，處于中等腐蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)；當(dāng)該比值超過8%時(shí)，部分檢查片腐蝕速率超過0.1 mm/a，處于高腐蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)。

3.2 干擾下管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

基于以上的分析，可以初步獲得動(dòng)態(tài)直流干擾下管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，如表6所示。

從表6可知，動(dòng)態(tài)直流干擾下，若管道斷電電位處于以下范圍內(nèi)時(shí)，管道處于低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（即管道腐蝕速率低于0.025 4 mm/a）：管道斷電電位正于-0.85 V（CSE）的時(shí)間不超過測(cè)試時(shí)間的5%；管道斷電電位正于-0.80 V（CSE）的時(shí)間不超過測(cè)試時(shí)間的2%；管道斷電電位正于-0.75 V（CSE）的時(shí)間不超過測(cè)試時(shí)間的1%。

圖9 檢查片腐蝕速率與斷電電位正于-0.85 V（CSE）比例的關(guān)系Fig.9 Relation between corrosion rate of coupons and switch-off potential positive to-0.85 V（CSE）

圖10 檢查片腐蝕速率與斷電電位正于-0.80 V（CSE）比例的關(guān)系Fig.10 Relation between corrosion rate of coupons and switch-off potential positive to-0.80 V（CSE）

圖11 檢查片腐蝕速率與斷電電位正于-0.75 V（CSE）比例的關(guān)系Fig.11 Relation between corrosion rate of coupons and switch-off potential positive to-0.75 V（CSE）

表6 動(dòng)態(tài)直流干擾下管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則Tab.6 Evaluation criteria of pipeline corrosion risk under dynamic DC interference

若管道斷電電位處于以下范圍內(nèi)時(shí)，管道處于中等腐蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（即管道腐蝕速率處于0.025 4～0.1 mm/a）：管道斷電電位正于-0.85 V（CSE）的時(shí)間占測(cè)試時(shí)間的5%～20%；管道斷電電位正于-0.80 V（CSE）的時(shí)間占測(cè)試時(shí)間的2%～15%；管道斷電電位正于-0.75 V（CSE）的時(shí)間占測(cè)試時(shí)間的1%～8%。

若管道斷電電位處于以下范圍內(nèi)時(shí)，管道處于高腐蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（即管道腐蝕速率高于0.1 mm/a）：管道斷電電位正于-0.85 V（CSE）的時(shí)間超過測(cè)試時(shí)間20%；管道斷電電位正于-0.80 V（CSE）的時(shí)間超過測(cè)試時(shí)間15%；管道斷電電位正于-0.75 V（CSE）的時(shí)間超過測(cè)試時(shí)間8%。

4 結(jié)論

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和測(cè)試開展了地鐵直流雜散電流對(duì)埋地管道的腐蝕影響及腐蝕評(píng)價(jià)方法研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：

（1）地鐵直流干擾下，檢查片的腐蝕形貌呈現(xiàn)出局部點(diǎn)蝕的特征。

（2）地鐵直流干擾下，干擾試片腐蝕速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自腐蝕試片腐蝕速率，且均超過了標(biāo)準(zhǔn)要求（0.025 4 mm/a），試驗(yàn)點(diǎn)最大腐蝕速率可達(dá)0.37 mm/a。

（3）地鐵直流干擾下，若干擾段管道防腐層存在破損，破損點(diǎn)越多、破損面積越大，同等大小的干擾電流在此處造成的電流密度越小，其遭受的干擾腐蝕風(fēng)險(xiǎn)越低，但其他腐蝕風(fēng)險(xiǎn)更高。因而建議對(duì)干擾段防腐層進(jìn)行定期檢測(cè)，確保檢測(cè)準(zhǔn)確性的同時(shí)慎重制定干擾段的防腐層修復(fù)方案。如無法確保防腐層質(zhì)量，則應(yīng)及時(shí)采取有效的排流措施，確保干擾段管道的安全運(yùn)行。

（4）建立了基于管道斷電電位偏移量和偏移時(shí)間比的動(dòng)態(tài)直流干擾下埋地管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判據(jù)，可實(shí)現(xiàn)非開挖條件下受地鐵干擾管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的間接評(píng)估。