基于管道內(nèi)外檢測數(shù)據(jù)的腐蝕狀態(tài)評價(jià)

閻宗攀

（國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司沈陽檢測技術(shù)分公司，遼寧沈陽，110168）

1 引言

隨著油氣資源的開發(fā)以及能源市場的急增，管道運(yùn)輸在世界范圍內(nèi)得到了飛速發(fā)展，已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)的命脈。目前我國油氣管道的建設(shè)正處于蓬勃發(fā)展之中。但是隨著管線的增多，管齡的增長，因腐蝕等問題造成的管道泄漏事故頻頻發(fā)生[1,2]。埋地管道沿途地形復(fù)雜，土壤的腐蝕特性、外防腐層的破壞、微生物等因素的綜合相互作用，造成嚴(yán)重的管道外腐蝕。管道腐蝕問題已成為制約油氣安全和節(jié)能降耗的重要因素。油氣田集輸管道、長輸管道由于埋設(shè)條件復(fù)雜，管道的腐蝕狀況尤為突出。管道腐蝕穿孔后大量油品泄漏，會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，而且存在著火和爆炸危險(xiǎn)，危害極大，造成直接和間接經(jīng)濟(jì)損失非常巨大。因此本文針對目前評價(jià)管道內(nèi)外腐蝕的主要檢測數(shù)據(jù)及評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了分析，以期為埋地管道的腐蝕防護(hù)提供借鑒。

2 主要評價(jià)要素

2.1 外腐蝕因素

2.1.1 土壤

關(guān)于土壤對管道的腐蝕性研究，國外開始的較早。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局從1922年起在全國128個(gè)地點(diǎn)埋設(shè)三萬六千多個(gè)試件，進(jìn)行了土壤腐蝕試驗(yàn)，取得了大量的資料，初步探討了土壤腐蝕的各種因素，得出了一些對生產(chǎn)有一定指導(dǎo)意義的結(jié)論，但沒有明確各個(gè)因素之間的主次關(guān)系及其內(nèi)在聯(lián)系。在我國，最初于五十年代開始土壤腐蝕性研究，大慶油田在1972年對埋地管線進(jìn)行了較詳細(xì)的調(diào)查。近幾年，中科院南京土壤所、沈陽腐蝕所、大慶石油設(shè)計(jì)院土防室等單位聯(lián)合建立了土壤腐蝕網(wǎng)站，取得了大量的實(shí)際數(shù)據(jù)，為今后的進(jìn)一步研究提供了第一手資料。

目前，土壤腐蝕研究的主要目標(biāo)是進(jìn)行土壤的腐蝕性評價(jià)，只有對各種各樣土壤的腐蝕性作出正確的評價(jià)，才能為地下工程的設(shè)計(jì)、防腐措施的制定等提供科學(xué)依據(jù)。有關(guān)傳統(tǒng)的土壤腐蝕的評價(jià)方法，主要有單指標(biāo)法和多因素綜合指標(biāo)法。在單指標(biāo)法中，主要有土壤電阻率法、含水量法、土壤交換性酸總量和pH值法等。該種方法對土壤腐蝕性進(jìn)行評價(jià)只考慮影響土壤腐蝕性的部分因素，方法簡單但帶有片面性，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)論。多項(xiàng)指標(biāo)綜合評價(jià)法就是選擇某些對金屬腐蝕影響比較嚴(yán)重的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行綜合考慮，得出評價(jià)指標(biāo)，美國ANSIA21.5打分法、德國Baeckman綜合評分指標(biāo)（DVGW）評價(jià)方法都是近些年應(yīng)用廣泛的綜合指標(biāo)評定法。在對土壤腐蝕綜合指標(biāo)中，評價(jià)因素的選取上有兩種趨勢，一是綜合、全面地考慮土壤的腐蝕因素，這種方法具有考察全面、準(zhǔn)確性較高的優(yōu)點(diǎn)，但操作復(fù)雜，難度較大；二是對評價(jià)因素進(jìn)行篩選，以主要的因素作為評價(jià)指標(biāo)，這種方法雖然操作簡單，但可能存在一定的盲目性和主觀性；此外，由于各國的實(shí)際情況不同，針對土壤腐蝕的認(rèn)識(shí)和概念也有所不同，對不同土壤理化性質(zhì)打分的標(biāo)準(zhǔn)也不一定都合適。這些方法在我國的適用性并不非常理想，目前國內(nèi)在多項(xiàng)指標(biāo)綜合評價(jià)方面尚無一套成型的方法。因此，針對具體的土壤，采取一定的方法，科學(xué)正確地選取土壤的主要腐蝕因素，將影響土壤腐蝕性的主要理化指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行綜合分析，對土壤的腐蝕性強(qiáng)度進(jìn)行分類，從而為防腐設(shè)計(jì)和防腐措施提供依據(jù)是土壤腐蝕特性研究的趨勢[3,4]。

在我國，對于土壤腐蝕性的主要有綜合法和單指標(biāo)法兩種。

綜合法：根據(jù)GB/T 19285-2014《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)》中提出了土壤腐蝕性綜合評價(jià)指標(biāo)，包括土壤電阻率、管道自然腐蝕電位、土壤pH值、土壤質(zhì)地、土壤含水量、土壤含鹽量、土壤Cl-含量8項(xiàng)指標(biāo)，根據(jù)不同參數(shù)的分值加和確定所測試土壤的腐蝕特性，分為強(qiáng)、中、較弱、弱四個(gè)等級(jí)。

單指標(biāo)法：在GB/T 21447-2008《鋼制管道外腐蝕控制規(guī)程》中指出，單指標(biāo)評價(jià)主要包括以下三個(gè)參數(shù)，分別為電流密度/平均腐蝕速率（表1）、土壤電阻率（表2）和氧化還原電位（表3），具體評價(jià)指標(biāo)如下所示。其中氧化還原電位評價(jià)主要是針對土壤中微生物腐蝕，而其他兩相單指標(biāo)可以認(rèn)為是土壤腐蝕性能的綜合指標(biāo)。

表1 土壤腐蝕性分級(jí)

表2 一般地區(qū)土壤腐蝕性分級(jí)

表3 土壤細(xì)菌腐蝕評價(jià)指標(biāo)

2.1.2 防腐層

防腐層是埋地管道外腐蝕防護(hù)的第一道防線，也是有效減少所需要陰極保護(hù)電流的關(guān)鍵，它能夠有效地將管體與土壤腐蝕環(huán)境分隔開，起到了屏蔽的作用。

目前，對于長輸管道來說，相關(guān)規(guī)范中均推薦采用了3PE防腐層，要求其絕緣電阻率≥105Ω·m2；但是從目前各大油田的管道防腐層應(yīng)用現(xiàn)狀來說，尤其是針對大慶油田、勝利油田等老油田，其集輸管網(wǎng)系統(tǒng)依然多采用石油瀝青防腐層（由于對環(huán)境的污染，已經(jīng)停止使用），在已經(jīng)廢止的SY/T 0036-2000《埋地鋼質(zhì)管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，分別給出了不同防腐層要求的電阻率，如表4所示。

表4 不同外防腐層類型所要求的最小面電阻率

而對于輸油管道、集油管道來說，尤其是高凝原油需要高溫輸送，一般設(shè)置聚氨酯保溫層，即黃夾克，但是一旦黃夾克外層發(fā)生破損，內(nèi)部聚氨酯層具有吸收水分作用，大量腐蝕性介質(zhì)沉積在管道表面，引發(fā)管道的嚴(yán)重外腐蝕問題。圖1為現(xiàn)場外層黃夾克發(fā)生破損后聚氨酯層腐蝕性介質(zhì)侵蝕后的宏觀圖像，從圖中可以看出，在聚氨酯與管道表面接觸的位置生成了大量的腐蝕產(chǎn)物，管道外表面遭到了嚴(yán)重的破壞。

圖1 腐蝕性介質(zhì)侵蝕后的黃夾克保溫層

因此，對于管道外防腐層來說，需要最大程度地保證其完整性，一旦發(fā)現(xiàn)防腐層發(fā)生破損，需要及時(shí)對其進(jìn)行修復(fù)。

2.1.3 陰極保護(hù)與雜散電流

陰極保護(hù)是一種有效地電化學(xué)保護(hù)方法，主要分為強(qiáng)制電流陰極保護(hù)和犧牲陽極陰極保護(hù)。目前在長輸管道上多采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，而在站場區(qū)域陰極保護(hù)中主要采用強(qiáng)制電流+犧牲陽極的共同保護(hù)方法。

目前常用的陰極保護(hù)評價(jià)準(zhǔn)則指出，當(dāng)金屬設(shè)施的斷電電位處于-0.85～-1.2 V（相對于飽和硫酸銅參比電極）之間時(shí)，管道處于正常陰極保護(hù)電位區(qū)間內(nèi)，此時(shí)管道的腐蝕速率可以忽略不計(jì)。在相關(guān)陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中也指出，在不同環(huán)境中，如針對高強(qiáng)鋼、硫酸鹽還原菌環(huán)境中，陰保電位區(qū)間有所調(diào)整。陰極保護(hù)電位區(qū)間的設(shè)置主要考慮兩個(gè)方面：最小陰極保護(hù)電位的設(shè)置原則是指在該陰極保護(hù)電位條件下管道的全面腐蝕速率在可接受的范圍內(nèi)（國際上公認(rèn)應(yīng)≤0.076 mm/a），而最大陰極保護(hù)應(yīng)保證被保護(hù)鋼材不發(fā)生析氫反應(yīng)。而在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中也以不影響防腐層與金屬的粘結(jié)強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)的最大陰極保護(hù)電位，如石油瀝青防腐層為-1.5 V、煤焦油瓷漆為-3.0 V、環(huán)氧粉末為-2.0 V。

與陰極保護(hù)相對應(yīng)的是管道所受環(huán)境的雜散電流，分別交流和直流雜散電流兩種，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中給出了判斷雜散電流干擾程度的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對于直流干擾來說，多采用管地電位正向偏移量和土壤表面電位梯度（平行于管道與垂直于管道兩個(gè)方向）來判斷，如表5所示：當(dāng)管地電位正向偏移≥100 mV，或土壤表面電位梯度＞2.5 mV/m時(shí)，需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

表5 直流干擾評價(jià)指標(biāo)

而對于交流干擾來說，當(dāng)交流干擾電壓大于4 V時(shí)，需要計(jì)算交流電流密度來判斷干擾程度，如表6所示：當(dāng)交流電流密度≥30 A/m2時(shí)，建議采用防護(hù)措施。

表6 交流干擾評價(jià)指標(biāo)

2.2 內(nèi)腐蝕因素

管道內(nèi)腐蝕受到諸多因素的影響，目前常用的內(nèi)檢測方式僅僅只能針對管道壁厚參數(shù)進(jìn)行采集，多次內(nèi)檢測數(shù)據(jù)結(jié)果對齊實(shí)現(xiàn)對管道內(nèi)腐蝕平均速率的預(yù)測。實(shí)際上，管道壁厚減薄的關(guān)鍵因素難以描述，比如在內(nèi)檢測之前需要對齊進(jìn)行清管，而管道內(nèi)壁的垢層是微生物腐蝕的關(guān)鍵。上述原因造成了管道內(nèi)檢測結(jié)果僅僅能夠用于評價(jià)管道目前的狀態(tài)，而難以從腐蝕因素角度來提出相應(yīng)的措施[5]。

圖2以原油集輸管道為例分析了不同單因素變化對管道全面腐蝕速率的影響，主要包括原油含水率、管內(nèi)流速、氣體分壓和溫度四個(gè)因素。事實(shí)上，對于原油管道來說，管道內(nèi)腐蝕不是單一因素作用的結(jié)果，也不是某個(gè)關(guān)鍵因素作用的結(jié)果。除前述四個(gè)因素之前，如管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)、立管底部的波動(dòng)狀態(tài)、加藥劑情況等等都是影響管道內(nèi)腐蝕的關(guān)鍵，因此管道的內(nèi)腐蝕目前僅僅能夠通過腐蝕速率來進(jìn)行評價(jià)。

圖2 不同單因素變化對管道全面腐蝕速率的影響

3 結(jié)論與建議

管道的內(nèi)外腐蝕評價(jià)問題受到諸多因素的影響。相對于管道的內(nèi)腐蝕問題來說，管道的外腐蝕檢測及評價(jià)相對簡單，形成了如GB/T 19285-2014《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)》、GB/T 21447-2008《鋼制管道外腐蝕控制規(guī)程》等技術(shù)規(guī)范，也形成了相關(guān)的技術(shù)規(guī)范（如GB/T 21448-2008《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》、GB/T 23257-2009《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》等）。而由于管道內(nèi)檢測困難、影響因素多、數(shù)據(jù)清洗和應(yīng)用復(fù)雜等因素，目前在GB/T 23258-2009《鋼質(zhì)管道內(nèi)腐蝕控制規(guī)范》中也僅僅能夠通過腐蝕速率來進(jìn)行評價(jià)。而隨著管道數(shù)字孿生體、管道大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，建立符合現(xiàn)場實(shí)際工況的多參數(shù)管道腐蝕速率速率模型，對描述管道狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化，具有重要意義。