油氣輸送管道防腐層陰極剝離的影響因素分析

白福良， 申勤兵， 桂光正， 劉 旭， 趙志偉

（1. 中國石油渤海裝備巨龍鋼管有限公司， 河北 青縣 062658；2. 寶鋼股份有限公司， 上海 201900）

管道輸送是實(shí)現(xiàn)大量油氣資源長距離轉(zhuǎn)移的最優(yōu)方式， 近年來， 眾多大型跨國管線的規(guī)劃和建設(shè)， 掀起了油氣輸送管道建設(shè)的又一高峰期，同時(shí)， 世界各地油氣資源的產(chǎn)需不平衡， 推動了管道建設(shè)的大規(guī)模發(fā)展。 中國管道建設(shè)的首個高峰期在20 世紀(jì)70 年代， 所建管道現(xiàn)經(jīng)服役接近或超過40 年， 老齡化嚴(yán)重， 該類管道因地質(zhì)變化、地面建設(shè)等因素影響， 容易出現(xiàn)管道變形和涂層開裂等情況， 為管道安全帶來了極大的隱患。 部分管道建設(shè)時(shí)敷設(shè)于一、 二類地區(qū)， 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展， 很多管線附近已經(jīng)建起了密集的商業(yè)區(qū)或住宅區(qū)， 提高了該類管道運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)等級。 另外在新建管道安裝過程中， 涂層的損傷沒有得到有效的修復(fù)， 可能在陰極保護(hù)電位的影響下[1]， 出現(xiàn)涂層大面積剝離， 加速管道的腐蝕， 從而出現(xiàn)管道穿孔等泄露事故， 給人民生命財(cái)產(chǎn)安全帶來極大的危害。

目前世界管道建設(shè)中， 采用雙重防腐蝕手段對管道進(jìn)行保護(hù)。 第一重采用傳統(tǒng)的涂層， 多使用酚醛環(huán)氧類涂料進(jìn)行管道外防腐[2]， 通過隔絕水汽和氧氣， 對管道進(jìn)行有效保護(hù)， 該類防護(hù)在涂層性能可靠且完好的情況下， 能夠?qū)艿榔鸬?9%長久且有效的防護(hù)； 第二重防護(hù)采用陰極保護(hù)電流[3]， 在涂層出現(xiàn)損傷或針孔后， 通過陰極保護(hù)電極， 向管道金屬基材表面施加外加電流， 使管道本身成為陰極， 從而使得電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發(fā)生。 陰極保護(hù)是在涂層出現(xiàn)破損后的一種管道保護(hù)技術(shù)， 在管道涂層完好的情況下， 陰極保護(hù)并不起到任何作用， 當(dāng)涂層受到損傷時(shí)， 陰極保護(hù)可以作為一種延緩腐蝕的方案對管道進(jìn)行防護(hù)， 但是這種防護(hù)手段并不能完全阻止腐蝕的發(fā)生， 并且在一些特殊條件下， 會因陰極保護(hù)電位的影響， 加速損傷點(diǎn)的擴(kuò)展， 由此對管道防腐蝕層造成更大面積的剝離。 因此，分析影響陰極剝離速率的因素對管道運(yùn)行安全具有極其重要的作用。

1 導(dǎo)致涂層剝離的內(nèi)在原因

任何一種涂層無論是手工涂刷還是自動化生產(chǎn)線涂覆， 都有可能在涂層內(nèi)部留有初始缺陷且不容易被發(fā)現(xiàn)。 這些位置在使用過程中， 因某些外力條件的作用， 可能成為涂層剝離的起始點(diǎn)[4]。

1.1 針孔缺陷

管道涂層針孔缺陷分為貫穿型針孔和非貫穿型針孔， 貫穿型針孔基本可以在電火花檢測過程中100%被發(fā)現(xiàn)并修復(fù)， 而非貫穿型針孔可能因檢測電壓不足以擊穿而造成漏檢。 此類針孔雖然沒有造成氧氣和水的進(jìn)入， 起到了涂層的隔絕作用， 但是高電壓下的電火花檢測會對其造成一定的傷害， 甚至擊穿。 在實(shí)際生產(chǎn)過程中， 也發(fā)現(xiàn)過一次檢驗(yàn)排查漏點(diǎn)合格后， 在二次電火花檢測過程中發(fā)現(xiàn)新的漏點(diǎn)存在， 這也是針對較薄的涂層設(shè)置兩次電火花檢測的原因。

1.2 縮孔缺陷

無論是液體涂層還是粉末類涂層， 在固化過程中都會出現(xiàn)收縮現(xiàn)象， 從而出現(xiàn)縮孔缺陷， 若檢測時(shí)機(jī)選擇不當(dāng)， 會出現(xiàn)合格管涂層收縮產(chǎn)生新的漏點(diǎn)現(xiàn)象， 這類缺陷若在終檢后出現(xiàn)， 將成為管道安全的一個重要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)， 因此， 涂層漏點(diǎn)檢測的時(shí)機(jī)必須在涂層完全固化且溫度降至室溫后進(jìn)行， 便可避免該類缺陷的漏檢。

1.3 其他缺陷

涂層的附著力不足或含有雜質(zhì)等內(nèi)在缺陷，也是造成涂層使用過程發(fā)生脫落的直接原因， 從而在陰極電流和埋地環(huán)境的聯(lián)合作用下， 由小面積脫落造成大面積陰極剝離。 因此， 涂層的質(zhì)量控制是保證管道運(yùn)行安全的主要控制點(diǎn)[5-6]。

2 導(dǎo)致涂層剝離的外在原因

造成涂層破損最大的原因?yàn)楣艿涝谶\(yùn)輸、 安裝、 回填過程中造成的機(jī)械損傷。 這類損傷中，回填前的損傷可以在檢驗(yàn)過程中得到修復(fù)， 但是回填料問題造成的回填損傷， 便不能得到修復(fù)。因此， 無效的修補(bǔ)和回填過程中的機(jī)械損傷， 才是造成管道涂層大面積剝離的主要因素[7]。

在受損涂層埋地后， 通過土壤酸堿度、 含氧量、 水含量、 鹽分含量、 溫度、 晝夜溫差等的聯(lián)合作用， 呈現(xiàn)出速率不同的剝離現(xiàn)象[8]， 為管道的安全運(yùn)行帶來了極大隱患。 因此， 討論不同條件下的剝離速度， 確定大面積剝離和環(huán)境條件的關(guān)系， 對維護(hù)管道運(yùn)行具有重要的意義。

3 陰極保護(hù)電位對破損涂層的影響

陰極保護(hù)裝置的目的是當(dāng)防腐層存在漏點(diǎn)時(shí)，避免管道發(fā)生腐蝕。 但是這種裝置僅限于涂層無效后的一種候補(bǔ)方案， 不能作為主要防腐蝕手段進(jìn)行使用。 長期的維持這種狀態(tài)， 會造成涂層缺陷區(qū)域的擴(kuò)展， 形成更大面積的涂層剝離， 甚至整管脫落而延伸至連接管線， 這樣的案例是真實(shí)存在的。

當(dāng)涂層存在漏點(diǎn)或機(jī)械損傷時(shí)， 管道漏點(diǎn)處的金屬會暴露于電解質(zhì)中， 形成腐蝕電池， 管道充當(dāng)陽極， 以離子形式進(jìn)入環(huán)境溶液， 介質(zhì)中的氧化性物質(zhì)得到電子而被還原發(fā)生陰極反應(yīng)， 電子遷移使陽極反應(yīng)和陰極反應(yīng)相互聯(lián)系， 腐蝕反應(yīng)連續(xù)不斷發(fā)生[9]。 反應(yīng)過程中， 腐蝕電流從陰極流向陽極， 陽極失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)， 進(jìn)而被腐蝕， 陰極保護(hù)裝置就是根據(jù)這個原理， 提供可失去的陽極， 通過外加電流或犧牲陽極的陰極保護(hù)法保護(hù)管道不被腐蝕。

在陰極電流作用下， 無論是氧被還原產(chǎn)生OH-， 還是H2O 電離產(chǎn)生H+， 都能形成初生態(tài)的氫， 在破損點(diǎn)形成OH-， 造成局部堿性環(huán)境[10]。 在此環(huán)境下， 大量的OH-遷移至金屬與防腐層的粘結(jié)面， 使防腐層附著的金屬氧化層溶解， 造成涂層的剝離[11]。 這種反應(yīng)是連續(xù)進(jìn)行的， 因此， 該類的腐蝕會造成涂層剝離面積擴(kuò)大。 根據(jù)這個原理，陰極保護(hù)電位越高， 補(bǔ)償電子越多， 反應(yīng)將發(fā)生的更加劇烈， 剝離現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

4 使用環(huán)境對陰極剝離速率的影響

目前長輸油氣管道大多選用埋地敷設(shè)的方式， 管道經(jīng)歷著不同的地質(zhì)環(huán)境。 從目前掌握的施工現(xiàn)場案例來講， 埋地環(huán)境同樣對陰極剝離的速率產(chǎn)生極大的影響。

在受損涂層埋地后， 在土壤酸堿度、 含氧量、 水含量、 鹽分含量、 溫度、 晝夜溫差等共同作用下， 涂層呈現(xiàn)出剝離速率不同的表征。

國外某大直徑天然氣輸送管線質(zhì)量存在異議， 通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)了開挖后的管體存在機(jī)械損傷， 除損傷以外的區(qū)域外觀顯示良好； 部分管道經(jīng)過人工剝離后發(fā)現(xiàn)大面積脫落現(xiàn)象， 脫落部位金屬基材表現(xiàn)出金屬光澤， 原始破損點(diǎn)存在少量白色結(jié)晶物質(zhì)； 部分修補(bǔ)涂層失效， 修補(bǔ)涂層底部存在水和少量白色結(jié)晶物， 斷定存在無效修補(bǔ)和帶傷填埋的情況。 在這種條件下， 該X70 鋼級Φ1 422 mm 管道的涂層在運(yùn)行兩年后進(jìn)行DCVG 檢測過程中開挖驗(yàn)證， 管道涂層外觀如圖1所示， 潮濕部位管道延破損點(diǎn)環(huán)向出現(xiàn)了大面積的剝離 （如圖1 （a） 所示）， 干燥部位管道并沒有出現(xiàn)大面積的剝離現(xiàn)象 （如圖1 （b） 所示）。因此可以證明， 土壤中的含水量對陰極剝離的產(chǎn)生起到至關(guān)重要的作用， 減緩甚至阻礙了涂層的剝離[12]。

圖1 管道涂層外觀

環(huán)境溫度對剝離也存在直接影響， 根據(jù)不同溫度條件下的剝離試驗(yàn)結(jié)果見表1， 溫度與剝離直徑的關(guān)系如圖2 所示。 同時(shí)， 根據(jù)陰極剝離的理論分析， 造成金屬與涂層粘結(jié)面熔結(jié)產(chǎn)生剝離的堿性物質(zhì)， 酸性的涂層環(huán)境會因酸堿中和作用， 從而減緩剝離的速率， 反之， 若土壤呈堿性環(huán)境， 剝離速率反而被加速[13]。 在不同pH 值的溶液中進(jìn)行陰極剝離試驗(yàn)[14]， 結(jié)果見表2。

表1 -3.5 V、7 d 試驗(yàn)條件下不同溫度下的剝離直徑

表2 65 ℃、-3.5 V、48 h 試驗(yàn)條件下不同pH 值下的剝離直徑

圖2 -3.5 V、7 d 試驗(yàn)條件下溫度與剝離直徑的關(guān)系

5 結(jié) 論

（1） 涂層原有缺陷或服役過程中損傷會誘發(fā)陰極剝離。 在各類因素作用下， 陰極剝離會持續(xù)發(fā)生。 涂層的有效修復(fù)、 回填料嚴(yán)格按作業(yè)指導(dǎo)文件進(jìn)行檢查是避免該問題發(fā)生的有效手段。

（2） 陰極保護(hù)裝置不能作為長期的防腐蝕手段進(jìn)行使用， 在定期的DCVG 檢測過程中發(fā)現(xiàn)的漏點(diǎn)， 應(yīng)及時(shí)開挖修復(fù)， 才能杜絕因陰極保護(hù)電流導(dǎo)致的涂層大面積剝離現(xiàn)象。

（3） 鑒于各類因素對涂層剝離速率的影響，埋地管線單一的環(huán)氧類涂層更容易受到損傷， 產(chǎn)生大面積剝離的幾率更高， 尤其對于多水等特殊敷設(shè)環(huán)境用管材， 會因外在因素加速剝離速率，對管線運(yùn)行安全造成更大的影響。