長(zhǎng)輸管道陰極保護(hù)技術(shù)難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)方法

張超，秦曉東，李萌，高露源，蔣玉卓，孫大為

(1. 中油國(guó)際管道公司 中緬油氣管道項(xiàng)目曼德勒管理處，北京 100029；2. 國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸公司 長(zhǎng)沙輸氣分公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000；3. 國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司 長(zhǎng)春輸油氣分公司，吉林 長(zhǎng)春 130000；4. 中國(guó)石油青海油田分公司 管道處，青海 格爾木 816000；5. 中國(guó)人民解放軍32723部隊(duì)，河北 承德 067400)

長(zhǎng)輸管道安全運(yùn)行日益受到國(guó)家、社會(huì)和相關(guān)行業(yè)關(guān)注，腐蝕、制管缺陷和第三方破壞是管道失效事故的重要因素。陰極保護(hù)是減緩長(zhǎng)輸管道腐蝕最可靠安全的技術(shù)，可有效降低管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，延長(zhǎng)管道運(yùn)行壽命。隨著中國(guó)管道行業(yè)迅猛發(fā)展，新建管道敷設(shè)在高寒凍土區(qū)、山區(qū)、戈壁等惡劣環(huán)境地區(qū)，新的腐蝕問題不斷出現(xiàn)，對(duì)管道安全運(yùn)行提出更高要求[1]。本文闡述了近年來管道腐蝕防護(hù)的技術(shù)難點(diǎn)和瓶頸問題，結(jié)合國(guó)內(nèi)外管道工程實(shí)踐、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和技術(shù)現(xiàn)狀，提出了可行、合理的應(yīng)對(duì)方法及措施。

1 陰極保護(hù)準(zhǔn)則

陰極保護(hù)準(zhǔn)則是管道陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和保護(hù)效果評(píng)價(jià)的依據(jù)。GB/T 21447—2018《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》[2]規(guī)定： 保護(hù)電位(無IR降)應(yīng)低于-0.85 V，限制臨界電位不應(yīng)低于-1.2 V。如上述準(zhǔn)則無法滿足，也可采用陰極電位負(fù)向偏移100 mV的準(zhǔn)則，但該準(zhǔn)則不適用溫度大于40 ℃的環(huán)境、存在干擾電流的情形。根據(jù)國(guó)內(nèi)長(zhǎng)輸管道實(shí)際情況，陰極保護(hù)準(zhǔn)則存在下列問題：

1)研究高溫環(huán)境長(zhǎng)輸管道設(shè)施陰極保護(hù)電位偏移準(zhǔn)則。國(guó)內(nèi)慶鐵四線、鐵錦線、鐵撫線采用加熱輸送工藝，出站溫度均高于40 ℃，部分輸氣管道出站段溫度也高于該值；儲(chǔ)存稠油、重油、易凝原油的儲(chǔ)罐運(yùn)行溫度可達(dá)到60 ℃，陰極保護(hù)電位測(cè)試存在限制，宜采用陰極保護(hù)電位偏移準(zhǔn)則。

2)研究交直流干擾陰極保護(hù)準(zhǔn)則。隨著國(guó)內(nèi)電力行業(yè)快速發(fā)展，管道受到輸電線路的交直流干擾日益嚴(yán)重，上述陰極保護(hù)準(zhǔn)則不適用。GB/T 21447—2018提出了按照干擾電壓15 V進(jìn)行判定，在低電阻率土壤采用電流密度判定，在高電阻率土壤采用干擾電壓評(píng)估。目前國(guó)際上較為公認(rèn)的觀點(diǎn)是： 應(yīng)使用電壓、電流密度、交直流電流密度比值和土壤電阻率等多種指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)交流腐蝕可能性及風(fēng)險(xiǎn)[3]。

2 陰極保護(hù)電位測(cè)試

管地電位是評(píng)價(jià)管道陰極保護(hù)程度的重要指標(biāo)。Q/SY GD 0301—2016《埋地鋼質(zhì)管道干線陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定： 每月測(cè)試1次管道沿線測(cè)試樁的管地電位(直流通電電位、交流電位)。恒電位儀運(yùn)行條件下測(cè)得的電位是通電電位，根據(jù)管道沿線通電電位的衰減間接評(píng)定防腐層質(zhì)量。

通電電位與真實(shí)管地電位存在IR降的差值。IR降是陰極保護(hù)電流流動(dòng)克服土壤電阻率產(chǎn)生的壓降，為真實(shí)評(píng)價(jià)管道保護(hù)狀態(tài)，應(yīng)測(cè)試消除IR降的管地電位。管道斷電電位測(cè)試采用恒電位儀同步中斷法，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)NACE TM 0497： 2018Measurementtechniquesrelatedtocriteriaforcathodicprotectiononundergroundorsubmergedmetallicpipingsystems[4]規(guī)定恒電位儀安裝斷路器，斷電時(shí)間不能大于3 s。Q/SY GD 0301—2016規(guī)定在恒電位儀安裝電流同步中斷器，同步誤差小于0.01 s。設(shè)置通/斷周期(12 s通電/3 s斷電)，在通/斷電0.3 s之后讀取數(shù)據(jù)。

管道存在雜散電流干擾條件下，不能進(jìn)行斷電電位測(cè)試。國(guó)際管道研究協(xié)會(huì)PRCI提出使用試片斷電電位測(cè)試方法，原理是： 采用裸露鋼試片模擬管道防腐層破損點(diǎn)，試片等同于管道上相同面積防腐層漏點(diǎn)的保護(hù)效果。通過測(cè)試樁引線連接管道與試片，斷開管道與試片連線測(cè)試斷電電位。美國(guó)阿拉斯加管道系統(tǒng)已安裝數(shù)百個(gè)陰極保護(hù)試片，近年來國(guó)內(nèi)也應(yīng)用試片斷電法評(píng)價(jià)管道陰極保護(hù)有效性，針對(duì)測(cè)試中試片形狀、試片計(jì)劃溫度及時(shí)間和試片面積等影響因素進(jìn)行試驗(yàn)研究[5]。

3 高寒凍土區(qū)管道陰極保護(hù)

中俄原油管道、中俄東線天然氣管道穿越高寒凍土區(qū)，土壤凍結(jié)后電阻率大幅增加，造成陰極保護(hù)電流分布不均勻甚至屏蔽。采用強(qiáng)制電流保護(hù)技術(shù)，恒電位儀電壓、電流輸出很大。ASME B 31.8： 2018Gastransmissionanddistributionpipingsystems[6]規(guī)定敷設(shè)在季節(jié)性永凍土區(qū)的管道，犧牲陽極應(yīng)作為強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的補(bǔ)充。ISO 15589-1： 2015Petroleum,petrochemicalandnaturalgasindustries-cathodicprotectionofpipelinesystems[7]規(guī)定凍土區(qū)管道應(yīng)優(yōu)先考慮犧牲陽極系統(tǒng)。СНиП 2.05.06： 1985《干線管道設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定： 永凍土管道(土壤溫度不高于-5 ℃)不需要進(jìn)行電化學(xué)保護(hù)；高寒區(qū)管段或者季節(jié)性融化管段，無可靠電源條件下，允許采用延伸式犧牲陽極代替陰極保護(hù)站。俄羅斯Rosneft公司、Gazprom公司輸氣管道有采用犧牲陽極保護(hù)技術(shù)的方案。美國(guó)阿拉斯加管道采用分段犧牲陽極保護(hù)的做法，干線管道采用連續(xù)鋅帶陽極進(jìn)行保護(hù)[8]；中俄原油管道采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方式，在凍土區(qū)段平行敷設(shè)柔性陽極。

冬季低溫條件下，陰極保護(hù)電位測(cè)試用CuSO4參比電極出現(xiàn)結(jié)冰，高純鋅參比電極漂移嚴(yán)重，最大可達(dá)400 mV，直接影響電位測(cè)試的準(zhǔn)確性和恒電位儀運(yùn)行的穩(wěn)定性。中俄原油管道研發(fā)了性能穩(wěn)定的防凍型參比電極，在管道沿線重點(diǎn)管段埋設(shè)；設(shè)計(jì)低溫型陰極保護(hù)電位自動(dòng)采集系統(tǒng)，保證準(zhǔn)確測(cè)量管道電位。

4 陰極保護(hù)系統(tǒng)維護(hù)

陰極保護(hù)系統(tǒng)的核心設(shè)備是恒電位儀，國(guó)外稱之為整流器，二者在功能和技術(shù)水平方面基本相同。Q/SY GD 0301—2016規(guī)定了管道陰極保護(hù)系統(tǒng)定期檢測(cè)項(xiàng)目及周期：

1)每天檢查恒電位儀運(yùn)行狀況，記錄輸出電壓、輸出電流和通電點(diǎn)電位(匯流點(diǎn)電位)；匯流點(diǎn)電位(測(cè)量電位)與給定電位(設(shè)定電位)應(yīng)基本一致。

2)恒電位儀工作機(jī)與備用機(jī)定期切換運(yùn)行，切換周期為每月1次，相鄰2次間隔時(shí)間不宜大于45 d。恒電位儀每月維護(hù)保養(yǎng)1次，每年全面檢修1次，相鄰2次間隔時(shí)間不宜大于18個(gè)月。

3)電源設(shè)備的避雷設(shè)施每半年檢查1次，相鄰2次間隔時(shí)間不宜大于9個(gè)月，雷雨季節(jié)增加檢查次數(shù)。

4)恒電位儀使用年限超過10 a或無法修復(fù)時(shí)，更換新恒電位儀。

恒電位儀運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問題是輸出電壓、電流異常，匯流點(diǎn)電位與給定電位存在較大偏差。管道保護(hù)電位偏離控制范圍時(shí)應(yīng)查找原因，并采取增設(shè)陰極保護(hù)站、增加排流保護(hù)、防腐層大修等措施。

5 三層結(jié)構(gòu)聚乙烯防腐層剝離

外防腐層是確保管道安全的基礎(chǔ)屏障。三層結(jié)構(gòu)聚乙烯防腐層(3LPE)具備優(yōu)良絕緣性能、抗機(jī)械損傷性能，已成為國(guó)內(nèi)外長(zhǎng)輸管道防腐層主流型式。近年來國(guó)內(nèi)外管道均發(fā)現(xiàn)3LPE防腐層剝離問題，位置在管體與熔結(jié)環(huán)氧粉末FBE涂層底漆界面，表現(xiàn)形式為防腐層外觀良好，底層粘接力低，防腐層自動(dòng)從管體剝離，僅存在少數(shù)粉末或無粉末，管體表面無腐蝕。3LPE防腐層剝離可導(dǎo)致陰極保護(hù)電流屏蔽，水進(jìn)入剝離形成的空隙，管道不能得到有效保護(hù)。此外，應(yīng)用3LPE防腐層有最小厚度限制，不適用管道補(bǔ)口和彎頭等異形管件，補(bǔ)口處防腐層性能較低，導(dǎo)致補(bǔ)口失效問題。

目前，3LPE防腐層剝離機(jī)理還無權(quán)威結(jié)論，還需進(jìn)一步深入研究。文獻(xiàn)[9]認(rèn)為防腐層殘余應(yīng)力是3LPE防腐層失效的主要因素。FBE底漆與管材粘接力降低原因是鋼材表面預(yù)處理、涂層涂覆工藝和FBE底漆配方不當(dāng)。陶氏化學(xué)公司采用特殊聚乙烯層和聚合樹脂粘結(jié)劑研發(fā)新型3LPE涂層，可有效防止3LPE防腐層出現(xiàn)的PE層粘結(jié)失效。該涂層在80 ℃條件下剝離強(qiáng)度大于216 N/cm；在110 ℃條件下，膠粘劑1 a后失效，預(yù)測(cè)在70 ℃環(huán)境溫度下(模擬中東地區(qū))可服役至少50 a。

目前，國(guó)內(nèi)外大多采用熱收縮套作為3LPE防腐層的補(bǔ)口材料，熱收縮套補(bǔ)口對(duì)施工條件和質(zhì)量要求較高，研制新型3LPE管道補(bǔ)口材料和施工技術(shù)是未來研究重點(diǎn)。管道外腐蝕檢測(cè)技術(shù)不能檢測(cè)3LPE防腐層剝離情況，權(quán)宜的措施是通過管道開挖檢查，研究防腐層剝離情況和發(fā)展趨勢(shì)；結(jié)合檢測(cè)數(shù)據(jù)，確定防腐層剝離區(qū)域的管體腐蝕情況。

6 保溫層下腐蝕

保溫層下腐蝕CUI發(fā)生在保溫輸送管道和站場(chǎng)工藝管道。管道聚氨酯泡沫保溫層一旦破損進(jìn)水，積水很難排出，形成封閉腐蝕環(huán)境，造成陰極保護(hù)電流屏蔽。封閉腐蝕環(huán)境的腐蝕速率相對(duì)管道自然腐蝕速率大得多，極易造成管道腐蝕穿孔[10]。

保溫層下腐蝕原因在于管道補(bǔ)口保溫層施工質(zhì)量。GB/T 50538—2010《埋地鋼質(zhì)管道防腐保溫層技術(shù)規(guī)范》[11]規(guī)定了聚氨酯泡沫閉孔率，但僅適用于工廠預(yù)制產(chǎn)品。管道補(bǔ)口處保溫層通常采用現(xiàn)場(chǎng)發(fā)泡或者預(yù)制泡沫瓦，施工質(zhì)量難以保證。長(zhǎng)輸管道腐蝕調(diào)查發(fā)現(xiàn)保溫層下腐蝕多發(fā)生于補(bǔ)口處，研發(fā)了用于現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)的聚氨酯保溫層補(bǔ)口模具，修復(fù)后的保溫層密封性良好；設(shè)計(jì)補(bǔ)口處保溫層含水量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)保溫層進(jìn)水的及時(shí)響應(yīng)。

7 含套管穿越管道陰極保護(hù)屏蔽

針對(duì)長(zhǎng)輸管道與鐵路、公路交叉的情形，國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)做法是管道外設(shè)置鋼質(zhì)套管，套管設(shè)置與管道相同或者更高等級(jí)的防腐層；管道與套管直接設(shè)置絕緣支撐，管道外纏繞鎂帶或者鋅帶作為犧牲陽極，套管兩端進(jìn)行密封處理。該設(shè)計(jì)方式存在的問題是： 套管防腐層嚴(yán)重阻礙陰極保護(hù)電流流動(dòng)、甚至造成屏蔽，管道不能得到有效保護(hù)；目前應(yīng)用的基于施加外部電流的管道外防腐層檢測(cè)技術(shù)不能檢測(cè)含套管穿越管道，管道維護(hù)及檢測(cè)缺少有效手段。

調(diào)研北美長(zhǎng)輸管道與鐵路、公路交叉時(shí)的做法，在設(shè)計(jì)階段采用以下理念和措施： 避免采用套管穿越的做法，通過提高管道壁厚的方法保證本質(zhì)安全性；采用鋼筋混凝土管涵或者混凝土套管穿越方式；如仍采用套管穿越，套管不進(jìn)行防腐和密封處理，保證陰極保護(hù)電流能夠流至管道。

8 結(jié)束語

隨著長(zhǎng)輸管道建設(shè)運(yùn)行環(huán)境多樣化，新的挑戰(zhàn)需求和瓶頸問題亟待解決。在調(diào)研國(guó)內(nèi)外工程實(shí)踐、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和技術(shù)現(xiàn)狀，提出上述應(yīng)對(duì)方法及措施。為進(jìn)一步提高長(zhǎng)輸管道安全管理水平，還應(yīng)在以下方面開展科研攻關(guān)：

1) 陰極保護(hù)技術(shù)與管道外防腐層是相輔相成的配套技術(shù)，外防腐層性能指標(biāo)應(yīng)注重與陰極保護(hù)系統(tǒng)的兼容性和匹配性。

2)目前管體和外防腐層缺陷評(píng)價(jià)側(cè)重于單個(gè)缺陷或者特殊管段，應(yīng)推進(jìn)管道系統(tǒng)外防腐層有效性整體評(píng)價(jià)，提高檢測(cè)評(píng)價(jià)準(zhǔn)確性。

3)雜散電流干擾對(duì)于管道腐蝕影響日益嚴(yán)重，應(yīng)探討建立管道企業(yè)和相關(guān)方的協(xié)調(diào)溝通和權(quán)責(zé)劃分機(jī)制。

4)建立中國(guó)長(zhǎng)輸油氣管道腐蝕失效數(shù)據(jù)庫，積累管道事故案例，掌握管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，供管理者做出準(zhǔn)確決策。