埋地成品油管道絕緣接頭漏電失效特征分析

施展，蘭才富，王彬彬，霍冠良，王湘岳，閆茂成

埋地成品油管道絕緣接頭漏電失效特征分析

施展1，蘭才富1，王彬彬1，霍冠良1，王湘岳1，閆茂成2

（1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限責(zé)任公司，成都 610000；2.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所 國(guó)家金屬腐蝕控制工程技術(shù)研究中心，沈陽(yáng) 110016）

分析蘭成渝成品油管道某管段絕緣接頭漏電失效的原因以及對(duì)陰極保護(hù)有效性產(chǎn)生的影響。通過(guò)電位測(cè)量、電阻測(cè)試、漏電率測(cè)試等方法對(duì)管道陰極保護(hù)系統(tǒng)中恒電位儀、絕緣接頭絕緣性能等進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)該管段進(jìn)行陰極保護(hù)輸出、絕緣接頭兩端電位等參數(shù)的返場(chǎng)調(diào)研檢測(cè)，對(duì)絕緣接頭失效部位管內(nèi)腐蝕產(chǎn)物成分及形貌進(jìn)行表征。恒電位儀在清管前后的輸出電壓差為7.55 V，保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)電位相同漏電率達(dá)90%。絕緣接頭兩端管段存在大量坑蝕，深度可達(dá)3~3.5 mm。絕緣接頭墊片處附著大量腐蝕產(chǎn)物，主要成分為Fe3O4和FeOOH等有磁性、易導(dǎo)電的鐵氧化物。絕緣接頭失效導(dǎo)致管道失去保護(hù)，原因是外防腐層破損，外部導(dǎo)電介質(zhì)會(huì)造成管道電搭接；管道內(nèi)部磁性導(dǎo)電腐蝕產(chǎn)物導(dǎo)致絕緣接頭短接。

絕緣接頭；油氣管線；漏電失效；陰極保護(hù)；腐蝕產(chǎn)物；絕緣性能

埋地金屬管道的腐蝕是油氣管道安全運(yùn)行的重要威脅，一旦腐蝕泄漏，會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境破壞和人員傷亡[1]。陰極保護(hù)尤其是強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，作為一種預(yù)防金屬腐蝕的有效手段，已被越來(lái)越多地應(yīng)用于長(zhǎng)輸管道[2-4]。埋地長(zhǎng)輸管道沿途站場(chǎng)或閥室中有不需或不能納入陰極保護(hù)系統(tǒng)的埋地金屬（如接地網(wǎng)、其他管線等），為了防止陰極保護(hù)電流泄漏至此類埋地金屬，被保護(hù)結(jié)構(gòu)物與其他埋地金屬之間需要采取一定的電絕緣手段[5]。目前埋地管道大多采用絕緣接頭實(shí)現(xiàn)電絕緣，絕緣接頭的作用是阻斷被保護(hù)管道上的陰極保護(hù)電流流入非陰極保護(hù)端的埋地金屬上，從而防止陰極保護(hù)電流的漏失，也阻斷了管段雜散電流的流入[6]。因此管道絕緣接頭的電絕緣性能直接影響鋼制管道陰極保護(hù)的有效性。

絕緣接頭失效會(huì)造成管道陰極保護(hù)的有效性降低，無(wú)法達(dá)到原有的陰極保護(hù)目的和效果，造成腐蝕隱患。同時(shí)，由于絕緣接頭失效，陰極保護(hù)輸出電流增大，會(huì)造成臨近金屬構(gòu)筑物周圍地電位產(chǎn)生更大的偏移，引發(fā)電干擾腐蝕；同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致輔助陽(yáng)極加速消耗，降低輔助陽(yáng)極的服役壽命。此外，絕緣接頭失效會(huì)間接提高陰極保護(hù)設(shè)備的故障率，增大能源消耗，增加站場(chǎng)相關(guān)維護(hù)成本[7-9]。

絕緣接頭由于服役環(huán)境和安裝位置等內(nèi)外因素的影響，會(huì)導(dǎo)致陰極保護(hù)輸出電流增大，管道陰極保護(hù)效率降低和漏電、局部管段腐蝕等問(wèn)題[10]。文中主要針對(duì)某成品油管道某管段絕緣接頭漏電失效導(dǎo)致陰極保護(hù)欠保護(hù)問(wèn)題，展開(kāi)系統(tǒng)調(diào)研和檢測(cè)，既滿足生產(chǎn)需要，也具有代表性。

絕緣接頭絕緣失效通常包括以下類型：外部導(dǎo)電介質(zhì)引發(fā)絕緣失效，絕緣接頭或保護(hù)側(cè)和非保護(hù)側(cè)管線外防腐層破損，可通過(guò)外部導(dǎo)電介質(zhì)在涂層破損處電導(dǎo)通，造成絕緣失效；內(nèi)部導(dǎo)電介質(zhì)（如積液等）或內(nèi)部固體導(dǎo)電物質(zhì)（如腐蝕產(chǎn)物、金屬物體等）導(dǎo)致絕緣失效；制造缺陷、外力等引發(fā)絕緣接頭自身失效，絕緣接頭結(jié)構(gòu)和工藝等制造缺陷或外部大電流涌入等也會(huì)導(dǎo)致絕緣接頭失效。這3種絕緣失效方式都可能一定程度造成輸出電流增大，但對(duì)管道腐蝕的影響是不同的。內(nèi)外部介質(zhì)導(dǎo)通均會(huì)造成管道系統(tǒng)非陰極保護(hù)管段局部腐蝕（內(nèi)部導(dǎo)通造成管道內(nèi)腐蝕，外部導(dǎo)通造成外腐蝕）[11]，其他形式導(dǎo)通會(huì)造成陰極保護(hù)系統(tǒng)的有效性降低，間接導(dǎo)致局部管段腐蝕[12]。

世界各國(guó)提出了不同的電絕緣測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及方法，包括NACE SP0286—2007《管道的電絕緣標(biāo)準(zhǔn)—絕緣接頭注入電流測(cè)試法》、ISO 15589-1：2012《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)的陰極保護(hù)》和UFC3-570- 06—2003《陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行和維護(hù)》等。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)于管道電絕緣裝置的絕緣性能檢測(cè)主要依據(jù)GB/T 21246《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法》，此標(biāo)準(zhǔn)中提出的兆歐表法、電位法、通斷電位法、PCM漏電率測(cè)量法、接地電阻測(cè)量?jī)x法等5種方法是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的管道電絕緣裝置的絕緣測(cè)試方法[13-16]。此外還有同步斷電法和電流方向法等，根據(jù)不同環(huán)境，可以采用1種或幾種測(cè)試方法綜合評(píng)估絕緣接頭的絕緣性能。

1 絕緣接頭漏電失效現(xiàn)象

某成品油管道于2002年投產(chǎn)，全線采用3PE防腐層加強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行腐蝕防護(hù)。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，局部管段陰極保護(hù)系統(tǒng)逐漸暴露出一些問(wèn)題。2014、2015年，通過(guò)電位測(cè)量、電連續(xù)性測(cè)試、漏電率測(cè)試、現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖等方式，多次對(duì)該管道某管段陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。結(jié)果顯示，該段管道存在局部絕緣失效、防腐層老化、陰極保護(hù)欠保護(hù)、外腐蝕等問(wèn)題，并依據(jù)檢測(cè)結(jié)果采取了整改措施。2020年，重點(diǎn)對(duì)該管段絕緣失效問(wèn)題進(jìn)行了再次檢測(cè)，并初步查明了周期性絕緣失效的原因。

1.1 恒電位儀輸出

在恒電位儀無(wú)故障的前提下，判斷強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的有效性，一般通過(guò)恒電位儀的輸出變化進(jìn)行初步分析，為進(jìn)一步檢查提供依據(jù)。表1統(tǒng)計(jì)了該管段陰極保護(hù)恒電位儀在2014年8月—2015年7月間輸出數(shù)據(jù)的變化情況。

通過(guò)輸出數(shù)據(jù)變化情況可以發(fā)現(xiàn)，該時(shí)段內(nèi)江站恒電位儀輸出電流及回路電阻有較大幅度波動(dòng)，電流較大時(shí)達(dá)到6.4 A，較小時(shí)則不足1 A，回路電阻同樣有大幅度變化。對(duì)于一個(gè)穩(wěn)定且完好線路中的強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，輸出電流及回路電阻應(yīng)保持在較低的數(shù)值，并僅有小幅波動(dòng)。由此推斷，該管段陰極保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部出現(xiàn)問(wèn)題，陰極保護(hù)的有效性無(wú)法得到保障。

表1 恒電位儀輸出數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

Tab.1 Statistics of output data of potentiostat

1.2 絕緣接頭通斷電位測(cè)試

通過(guò)安裝同步斷流器測(cè)試絕緣接頭保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)通斷電位。結(jié)果顯示，絕緣接頭保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)都有明顯通斷，斷電電位接近（見(jiàn)圖1）。因此懷疑絕緣接頭保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)存在電連接現(xiàn)象。

圖1 進(jìn)站絕緣接頭保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)管地通斷電位變化

1.3 絕緣接頭漏電率測(cè)試

通過(guò)在線路進(jìn)站前1 km陰極保護(hù)測(cè)試樁上加設(shè)DM信號(hào)，并使用接收機(jī)在絕緣接頭附近檢測(cè)漏電率，進(jìn)一步驗(yàn)證保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)管段的電絕緣性能。測(cè)試參數(shù)：頻率為3、6、128 Hz，電流為600 mA，檢測(cè)方向?yàn)轫樣土鞣较?。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2，從進(jìn)站絕緣接頭外保護(hù)側(cè)連續(xù)測(cè)試DM電流至站內(nèi)非保護(hù)側(cè)管道，DM電流的方向沒(méi)有發(fā)生變化，且電流大小沒(méi)有明顯衰減，說(shuō)明絕緣接頭失效或兩側(cè)管段有介質(zhì)導(dǎo)通。

表2 進(jìn)站絕緣接頭附近管段漏電率檢測(cè)

Tab.2 Detection of the leakage rate of the pipe section near the insulation joint entering station

恒電位儀輸出、絕緣接頭通斷電位和漏電率測(cè)試結(jié)果表明，該管段絕緣接頭保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)管段存在電連接。絕緣失效導(dǎo)致該管段陰極保護(hù)的有效性無(wú)法得到保障，但測(cè)試結(jié)果并不能判斷絕緣失效是由于防腐層失效、絕緣接頭本身失效還是內(nèi)部雜質(zhì)或積液造成，需進(jìn)一步分析。

2 絕緣接頭漏電原因分析

2.1 外部土壤介質(zhì)漏電

站場(chǎng)管網(wǎng)和線路管線的絕緣主要通過(guò)2種途徑實(shí)現(xiàn)：保證絕緣接頭完好；保證絕緣接頭兩側(cè)一定距離內(nèi)的防腐層完好[17]。任何一項(xiàng)失效，都可能造成站場(chǎng)和線路管道形成電連接，對(duì)陰極保護(hù)造成不利影響。

該管段恒電位儀以較高電流輸出，站內(nèi)外漏電率較高，說(shuō)明局部絕緣失效。結(jié)合長(zhǎng)輸管道多年來(lái)發(fā)生的同類型案例，絕緣接頭本身失效的概率較小，外部防腐層破損或內(nèi)部雜質(zhì)（積液、腐蝕產(chǎn)物等）概率較大。因此，對(duì)絕緣接頭兩側(cè)管線開(kāi)挖，驗(yàn)證防腐層破損情況及管道腐蝕情況。

該管段站場(chǎng)進(jìn)站絕緣接頭非保護(hù)側(cè)管道腐蝕情況如圖2所示，從絕緣接頭到站內(nèi)流量計(jì)井旁共2.5 m左右，管段上均勻分布有大量點(diǎn)蝕坑。可觀測(cè)到的較大點(diǎn)蝕坑有28處左右，其中有4個(gè)點(diǎn)蝕坑深度達(dá)到3~3.5 mm，分別位于圓周方向12點(diǎn)、2點(diǎn)、10點(diǎn)、3點(diǎn)左右位置。此外，局部分布有較多米粒大小的淺表點(diǎn)蝕坑（涂層鼓包破裂處）。

經(jīng)進(jìn)一步開(kāi)挖驗(yàn)證，該站場(chǎng)絕緣接頭兩側(cè)管段都有較嚴(yán)重的防腐層破損，且保護(hù)側(cè)局部管段無(wú)3PE防護(hù)。此種情況一方面會(huì)造成陰極保護(hù)電流的大量流失，影響遠(yuǎn)端的陰極保護(hù)效果；另一方面可能會(huì)在絕緣接頭兩側(cè)形成電連接，造成絕緣接頭非保護(hù)側(cè)管道腐蝕[18]。

進(jìn)站絕緣接頭開(kāi)挖后，檢測(cè)坑隨即被土壤中滲水灌滿，水位沒(méi)過(guò)管頂。通過(guò)將檢測(cè)坑中積水抽干（至坑內(nèi)管道懸空于水位線上）、回灌（恢復(fù)水位沒(méi)過(guò)管頂），并觀察絕緣接頭非保護(hù)側(cè)點(diǎn)蝕管段管地通斷電位變化情況，來(lái)判定土壤環(huán)境對(duì)絕緣失效的影響。

圖2 進(jìn)站絕緣接頭非保護(hù)側(cè)管道腐蝕情況

通過(guò)管地電位與水位線的變化關(guān)系（見(jiàn)圖3）可以看出，管道在由淹沒(méi)至懸空過(guò)程中，絕緣接頭非保護(hù)側(cè)管段管地電位逐漸變負(fù)；而管道在由懸空至被淹沒(méi)過(guò)程中，管地電位則逐漸變正。這說(shuō)明當(dāng)絕緣接頭非保護(hù)側(cè)管段位于水中時(shí)，有電流從非保護(hù)側(cè)管道流出，導(dǎo)致管地電位變正。非保護(hù)側(cè)管段與水隔離后，停止流出電流或流出電流降低，導(dǎo)致管地電位變負(fù)。

圖3 進(jìn)站絕緣接頭非保護(hù)側(cè)在抽灌水過(guò)程中管地通斷電位的變化

進(jìn)站絕緣接頭開(kāi)挖后，通過(guò)在線路進(jìn)站前1 km測(cè)試樁上加設(shè)DM信號(hào)，使用接收機(jī)在絕緣接頭附近檢測(cè)漏電率，進(jìn)一步驗(yàn)證土壤環(huán)境對(duì)電連接的影響。抽灌水狀態(tài)下，絕緣接頭附近漏電率測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 抽灌水狀態(tài)下絕緣接頭附近漏電率測(cè)試

Tab.3 Leakage rate test near insulated joints during removal and pouring

檢測(cè)坑內(nèi)水位由淹沒(méi)管段至懸空后，DM漏電率由90%下降至82%，說(shuō)明絕緣接頭保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)確實(shí)存在電連接。充分浸水的土壤在電連接現(xiàn)象中有良好的導(dǎo)電作用。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，站內(nèi)土壤電阻率在0.55~3.5 Ω·m之間，屬于強(qiáng)腐蝕性土壤。根據(jù)漏電率的絕對(duì)值大小及變化情況，可以判斷絕緣接頭保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)電連接不僅由開(kāi)挖處的外防腐層破損造成，其他位置外防腐層破損或管道內(nèi)部某種形式的導(dǎo)通也起到一定程度的作用。

2.2 內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物漏電

管道清管前后，恒電位儀輸出電位和絕緣接頭電位變化情況如圖4所示，可以看出，清管球通過(guò)絕緣接頭后，恒電位儀的輸出功率明顯下降。輸出電壓從11.93 V降低到4.38 V，輸出電流相應(yīng)從8.73 A降低至1.42 A。

圖4 管道清理前后恒電位儀輸出電位變化情況

清管的主要作用是清除管道內(nèi)部聚積的各種殘留物，使管道通暢。清管后，絕緣接頭性能恢復(fù)，說(shuō)明內(nèi)部殘留物的存在導(dǎo)致了絕緣接頭的絕緣性能變差。

失效的絕緣接頭內(nèi)部，在絕緣接頭內(nèi)壁絕緣墊片處，可見(jiàn)大量腐蝕產(chǎn)物積聚。對(duì)清管后收集的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行形貌分析（如圖5所示），多為不規(guī)則塊狀顆粒。能譜分析結(jié)果顯示，其為鐵的氧化物。

圖5 絕緣接頭內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物沉積形貌及腐蝕產(chǎn)物的SEM及EDS圖譜

對(duì)絕緣墊片處附著的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行成分分析，XRD圖譜（如圖6所示）顯示，腐蝕產(chǎn)物由FeO(OH)、Fe3O4和Fe(OH)3等組成，其中主要為Fe3O4。

圖6 腐蝕產(chǎn)物XRD圖譜

2.3 絕緣接頭失效原因分析

絕緣接頭漏電失效，導(dǎo)致該段管道陰極保護(hù)有效程度降低。絕緣接頭保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)因防腐層破損造成電連接現(xiàn)象如圖7所示。當(dāng)絕緣接頭保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)管段防腐層完好時(shí)，陰極保護(hù)電流由土壤流入站外保護(hù)側(cè)管段，并最終匯流至通電點(diǎn)，由陰極線返回至恒電位儀負(fù)極，電流不經(jīng)過(guò)站內(nèi)管網(wǎng)（如圖7a所示）。當(dāng)兩側(cè)防腐層出現(xiàn)明顯破損時(shí)，一部分電流由站內(nèi)非保護(hù)側(cè)管段防腐層破損處或接地網(wǎng)進(jìn)入管道（電流流入點(diǎn)受到一定程度的保護(hù)），之后電流由站內(nèi)非保護(hù)側(cè)管段其他部位防腐層破損處流出管道，并經(jīng)由絕緣接頭外側(cè)土壤進(jìn)入到通電點(diǎn)附近防腐層破損處，進(jìn)而通過(guò)陰極線返回至恒電位儀負(fù)極[19]，此時(shí)電流流出點(diǎn)（有電流流出的防腐層破損點(diǎn)）加速腐蝕。

圖7 絕緣接頭保護(hù)側(cè)與非保護(hù)側(cè)電連接示意

另一方面，在長(zhǎng)期介質(zhì)沖刷以及清管器磨損作用下，絕緣接頭內(nèi)涂層逐漸失黏脫落或磨損失效；在內(nèi)部腐蝕介質(zhì)作用下，管內(nèi)不同程度地存在腐蝕產(chǎn)物[20-21]。這類腐蝕產(chǎn)物主要成分為Fe3O4和FeOOH等有磁性、易導(dǎo)電的鐵氧化物。油品管道定期漏磁檢測(cè)導(dǎo)致的管壁殘留剩磁，使導(dǎo)電腐蝕產(chǎn)物傾向于在絕緣接頭中間的絕緣件（絕緣墊片）表面吸附沉積，從而實(shí)現(xiàn)電導(dǎo)通。

3 結(jié)論

1）絕緣接頭失效，一方面容易造成大量電流漏失，恒電位儀輸出加大；另一方面，在恒電位儀功率不變的情況下，輸出電流可能主要漏失在站內(nèi)管網(wǎng)，電流不能達(dá)到線路遠(yuǎn)端，致使遠(yuǎn)端管道不能得到有效保護(hù)。

2）該管段絕緣接頭失效主要有兩個(gè)原因造成：外防腐層破損，外部導(dǎo)電介質(zhì)會(huì)造成保護(hù)側(cè)和非保護(hù)側(cè)管道電連接；管道內(nèi)部磁性導(dǎo)電腐蝕產(chǎn)物層作為電子導(dǎo)體，吸附在絕緣墊片兩側(cè)管段，造成絕緣墊片兩側(cè)管段短接，導(dǎo)致絕緣接頭漏電失效。

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Analysis on Current Leakage Failure of Insulation Joints of Buried Oil & Gas Pipeline

SHI Zhan1, LAN Cai-fu1, WANG Bin-bin1, HUO Guan-liang1, WANG Xiang-yue1, YAN Mao-cheng2

(1. National Network Group Southwest Pipeline Co., Ltd., Chengdu 610000, China; 2. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, National Engineering Research Center for Corrosion Control, Shenyang 110016, China)

Objective To analyze the cause of the leakage failure of the insulation joint of a certain pipe section of the Lanzhou-Chengdu-Chongqing product pipeline and its impact on the effectiveness of cathodic protection. Methods The potentiostat and the insulation performance of insulating joints in the pipeline cathodic protection system were tested using potential measurement, resistance test, and leakage rate test, etc. The back-field investigation and detection of the parameters such as the cathodic protection output and the potential for both ends of the insulating joint was carried out on the pipe section, and the composition and morphology of the corrosion products of the pipe at the failure location of the insulating joint were characterized. The results show that the output voltage difference between the potentiostat before pigging and after pigging is 7.55 V, and the leakage rate of the protection side and the non-protection side is 90%. There is a large amount of pitting in the pipe sections at both ends of the insulation joint, and the depth can reach 3~3.5 mm. A large number of corrosion products are on the insulating joint gasket, mainly including Fe3O4,FeOOH and other magnetic and conductive iron oxides. Conclusion The failure of the insulation joint causes the pipeline to lose its protection. The first reason is that the outer anti-corrosion layer is damaged, and the external conductive medium will cause the pipeline to overlap; the second reason is that the magnetic conductive corrosion product inside the pipeline causes the insulation joint to be short circuited.

insulation joint; oil & gas pipeline; current leakage failure; cathodic protection; corrosion products; insulation performance

2021-03-21；

2021-03-30

SHI Zhan (1990—), Male, Master, Engineer, Research focus: pipeline management and cathodic protection management.

王彬彬（1985—），男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)楦g科學(xué)與防護(hù)、管道完整性管理。

Corresponding author：WANG Bin-bin (1985—), Male, Doctor, Senior engineer, Research focus: corrosion science and protection, pipeline integrity management.

施展, 蘭才富, 王彬彬, 等.埋地成品油管道絕緣接頭漏電失效特征分析[J]. 裝備環(huán)境工程, 2021, 18(4): 050-056.

10.7643/ issn.1672-9242.2021.04.007

2021-03-21；

2021-03-30

施展（1990—），男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)楣艿拦芾砗完帢O保護(hù)管理。

TG172

A

1672-9242(2021)04-0050-07

SHI Zhan, LAN Cai-fu, WANG Bin-bin, et al. Analysis on current leakage failure of insulation joints of buried oil & gas pipeline[J]. Equipment environmental engineering, 2021, 18(4): 050-056.