杭州灣海底原油管道的外腐蝕控制方法

曹?chē)?guó)民

(國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)東部原油儲(chǔ)運(yùn)有限公司,徐州 221008)

管道輸送是油氣介質(zhì)長(zhǎng)距離運(yùn)送的重要途徑。陸地管道的建設(shè)和運(yùn)行是非常成熟的,全球大多數(shù)管道都敷設(shè)在陸地。隨著海洋石油工業(yè)的發(fā)展,近年來(lái),海底管道輸送方式在我國(guó)也有一定的發(fā)展。

1954年,美國(guó)墨西哥灣海底敷設(shè)了一條管道,此后海底管道的建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大,目前,全球范圍內(nèi)鋪設(shè)的海底管道總里程數(shù)已經(jīng)達(dá)到數(shù)十萬(wàn)公里。在海上油氣田油氣輸送領(lǐng)域,海底管道占據(jù)主要地位[1]。隨著陸地油氣開(kāi)發(fā)難度逐漸增加,人們將越來(lái)越多的目光投向海洋,可以預(yù)見(jiàn),海洋石油和海底管道的開(kāi)發(fā)和建設(shè)在未來(lái)會(huì)迎來(lái)更大的發(fā)展。

由于我國(guó)海洋開(kāi)發(fā)起步較晚,海底油氣管道的建設(shè)相對(duì)滯后,但其發(fā)展極其迅速。我國(guó)第一條海底輸油管道是與國(guó)外石油公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的長(zhǎng)約1.6 km的渤海埕北油田內(nèi)部海底管道,于1985年建成投產(chǎn)。此后,我國(guó)海底管道建設(shè)不斷取得突破性進(jìn)展,逐漸從油氣田內(nèi)部短距離管道發(fā)展為海洋平臺(tái)間以及海洋平臺(tái)與陸地之間的長(zhǎng)距離海底油氣管道。目前,我國(guó)已經(jīng)建成的海底管道包括錦州20-2天然氣和凝析油混輸管道(48 km)、渤海氣田至天津海底管道(46 km)、東海平湖油氣田至上海的兩條海底管道(367 km/303 km)以及南海崖城13.1氣田至香港的海底輸氣管道(778 km)等。

國(guó)內(nèi)油氣企業(yè)建設(shè)和運(yùn)行的油氣輸送管道大多為陸地管道,但也有一些管道或管段是敷設(shè)在海底的,比如馬-廣原油管道10.2 km的管段敷設(shè)于淺海;西氣東輸二線香港支線管道有20 km海底段。2004年10月建成投用的甬滬寧管網(wǎng)杭州灣海底原油管道,全長(zhǎng)53.5 km,是我國(guó)已建成的口徑最大的長(zhǎng)距離海底原油管道。

腐蝕失效是海底管道失效的主要原因之一,杭州灣海底管道所處海底環(huán)境復(fù)雜,海水腐蝕性強(qiáng),一旦發(fā)生管道腐蝕泄漏,搶修難度極大,后果不堪設(shè)想。杭州灣海底管道的腐蝕控制是管道完整性管理中的重要環(huán)節(jié),這涉及地區(qū)經(jīng)濟(jì)的有序發(fā)展和海洋環(huán)境的持續(xù)保護(hù),也是管道所屬單位以及社會(huì)各界關(guān)注的熱點(diǎn)。對(duì)海底管道進(jìn)行準(zhǔn)確的腐蝕檢測(cè)評(píng)價(jià)并采取有效的腐蝕控制手段是非常必要的,基于此,筆者重點(diǎn)討論海底原油管道的外腐蝕檢測(cè)評(píng)價(jià)及控制方法。

1 杭州灣海底管道的基本情況

杭州灣海域是世界三個(gè)海況最復(fù)雜海灣之一,杭州灣海底原油管道共兩條(甬寧線及嵐白線)。管道起于杭州灣南岸慈溪市,穿越杭州灣開(kāi)闊海域至杭州灣北岸平湖市白沙灣登陸,見(jiàn)圖1,管線材料均為X60低強(qiáng)鋼,海底段管道長(zhǎng)度皆為53.5 km。

圖1 杭州灣海底管道示意Fig. 1 Schematic diagram of Hangzhou Bay submarine pipeline

由圖1可見(jiàn):兩條原油管道均由杭州灣南岸入海,之后從海底穿越杭州灣,至北岸某輸油站登陸。兩條管道均在杭州灣南岸入海處及北岸登陸處設(shè)置絕緣接頭。

兩岸灘涂管道采用加強(qiáng)級(jí)熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐蝕,海底段管道采用加強(qiáng)級(jí)雙層熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐蝕,補(bǔ)口采用熱收縮套,管外設(shè)有混凝土配重層,并用馬蹄脂補(bǔ)口。海底管道安裝了鋁合金犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)。犧牲陽(yáng)極單支長(zhǎng)約0.7 m,陽(yáng)極布置間距約為60 m。

2 外腐蝕檢測(cè)與評(píng)價(jià)

2.1 電位測(cè)試

埋地鋼質(zhì)管道的外檢測(cè)技術(shù)和方法包括測(cè)試樁或管道裸露處的通斷電位測(cè)試、密間隔電位測(cè)試、交流電位梯度法以及直流電位梯度法等,這些測(cè)試方法可以測(cè)量管道的陰極保護(hù)電位、防腐蝕層破損情況、防腐蝕層絕緣面電阻率等。但對(duì)于海底管道,這些陸地外檢測(cè)技術(shù)通常不適用[2]。

對(duì)海底管道進(jìn)行陰極保護(hù)電位測(cè)試時(shí),通常要基于遠(yuǎn)、近電場(chǎng)理論,使用水下機(jī)器人(ROV)進(jìn)行測(cè)試。測(cè)量船通過(guò)臍帶電纜控制ROV、收集數(shù)據(jù)。在ROV上安裝特制銀/氯化銀參比電極,一支距離管道150～300 mm(近參比),另一支距離近參比約600 mm(在近參比上方),用作電場(chǎng)測(cè)量參比,還有一支遠(yuǎn)參比電極,懸置于測(cè)量船處,見(jiàn)圖2。ROV配備一個(gè)金屬探針,使用探針與管道上的犧牲陽(yáng)極或金屬試片實(shí)現(xiàn)電接觸。

采用圖2所示方法進(jìn)行測(cè)試,在測(cè)量起點(diǎn)可得如下數(shù)據(jù):近參比測(cè)得電位V1,遠(yuǎn)參比測(cè)得電位V2;近參比與遠(yuǎn)參比之間的電位差V3。其中,V1是管道的第一個(gè)基準(zhǔn)電位,V3是近地與遠(yuǎn)地之間的基準(zhǔn)壓降。

圖2 ROV測(cè)量管道電位示意圖Fig. 2 Schematic diagram of ROV measuring pipeline potential

ROV沿著管道行進(jìn),測(cè)量V3值,在測(cè)試過(guò)程中,保持近參比靠近管道表面。臨近兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的對(duì)遠(yuǎn)地電位在理論上是相同的,利用V3的變化量以及電位基準(zhǔn)值V1,可以計(jì)算得到管道沿線的實(shí)際陰保電位。在本測(cè)量中,每隔一段距離(通常約為5 km)就要進(jìn)行電位基準(zhǔn)校正。

如果管道暴露于海床且安裝了鐲式犧牲陽(yáng)極,ROV攜帶的探針可以接觸犧牲陽(yáng)極并與管道實(shí)現(xiàn)電連接。該陰極保護(hù)電位測(cè)量方法不適用于本工作中討論的杭州灣海底管道,這是由于杭州灣海底管道大部分埋設(shè)于海泥中,且外部安裝有混凝土配重層,難以實(shí)現(xiàn)ROV探針與管道的電連接。

2.2 絕緣性能測(cè)試

兩條原油管道在杭州灣北岸登陸后,進(jìn)入某輸油站。該輸油站4條進(jìn)出管線均有絕緣接頭測(cè)試樁。采用數(shù)據(jù)記錄儀雙通道模式和共用便攜銅/飽和硫酸銅參比電極,測(cè)試兩條原油管道進(jìn)站的絕緣接頭性能,結(jié)果見(jiàn)表1?？梢钥闯鰞商幗^緣接頭內(nèi)外側(cè)電位差明顯,這說(shuō)明北岸陸地段管道與海底管道之間有良好的電絕緣。

表1 北岸輸油站進(jìn)出站的絕緣接頭性能測(cè)試結(jié)果Tab. 1 Test results of performance of insulation joints for the inlet and outlet of the North Bank Oil Pipeline Station

海底管道北岸的登陸地點(diǎn)位于上海市周邊,管道受到了強(qiáng)烈的由地鐵造成的動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾,同時(shí)存在明顯的潮汐干擾,在北岸絕緣接頭外側(cè)管道電位有明顯的波動(dòng)。

南岸的B輸油管道90號(hào)測(cè)試樁絕緣接頭兩側(cè)的電位和交流電壓測(cè)試結(jié)果表明:管道絕緣接頭的外側(cè)電位為-1.128～-1.069 V,內(nèi)側(cè)電位為-1.320～1.074 V,外側(cè)交流電壓為0～0.193 V,內(nèi)側(cè)交流電壓為0.721～0.749 V,兩側(cè)的電位波動(dòng)幅度和方向不一致,同時(shí)兩側(cè)的交流電壓差明顯,表明南岸絕緣接頭的絕緣性能良好。

杭州灣是錢(qián)塘江的入?？?是我國(guó)潮汐最強(qiáng)的河口灣,也是世界著名的強(qiáng)潮河口灣,海底水流湍急,能見(jiàn)度幾乎為零。在這種惡劣的自然條件下,派遣潛水員進(jìn)行管道接觸式測(cè)量的難度非常大。在2020年,借助海底管道隱患整治,潛水員采用手持式銀/氯化銀參比電極對(duì)兩處懸空管段的電位進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試時(shí)利用了裸露的鐲式陽(yáng)極表面,測(cè)量電位分別為-1 039 mV和-949 mV,滿足海底管道陰極保護(hù)電位的要求。

2.3 鐲式陽(yáng)極的性能分析

為進(jìn)一步確認(rèn)原油管道鐲式犧牲陽(yáng)極(鋁合金)的性能,在海底管道上取下一對(duì)鐲式陽(yáng)極,見(jiàn)圖3。將陽(yáng)極試樣送至專業(yè)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析,結(jié)果見(jiàn)表2。

圖3 鐲式陽(yáng)極的表面形貌Fig. 3 Surface morphology of bracelet anode

表2 鐲式陽(yáng)極的化學(xué)成分Tab. 2 Chemical composition of bracelet anode %

采用GB/T 17848-1999《犧牲陽(yáng)極電化學(xué)性能試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)對(duì)犧牲陽(yáng)極的電化學(xué)性能進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)溫度為20 ℃,試驗(yàn)介質(zhì)為天然海水,鋁陽(yáng)極樣本數(shù)量為3只,結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 鐲式陽(yáng)極的電化學(xué)性能Tab. 3 Electrochemical performance of bracelet anode

試驗(yàn)結(jié)束后,鋁陽(yáng)極試樣表面溶解均勻,腐蝕產(chǎn)物易脫落。

由表2和3可見(jiàn):陽(yáng)極的性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[3]。但從陽(yáng)極的表面溶解形貌看,該陽(yáng)極的溶解消耗是不均勻的,這可能與鋁陽(yáng)極在海泥中出現(xiàn)表面鈍化有關(guān)。鋁陽(yáng)極在海泥環(huán)境中發(fā)生表面鈍化、出現(xiàn)不均勻溶解的問(wèn)題已有報(bào)道[4-5],故在海泥環(huán)境中應(yīng)慎用鋁合金犧牲陽(yáng)極[6]。

2.4 管道內(nèi)檢測(cè)

鑒于杭州灣海底自然情況的復(fù)雜性,現(xiàn)有技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)海底原油管道的外腐蝕檢測(cè)評(píng)價(jià),故開(kāi)展了海底管道的內(nèi)檢測(cè)工作,通過(guò)內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)外腐蝕的嚴(yán)重程度和現(xiàn)有外防腐蝕系統(tǒng)的有效性。

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)嵐白線存在1 795處外壁金屬損失,較嚴(yán)重的金屬損失皆分布在陸地段,海底段管道沒(méi)有超過(guò)10%的外壁金屬腐蝕。這表明海底段管道的犧牲陽(yáng)極起到一定的陰極保護(hù)作用。

2.5 海底電纜的交流干擾情況

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,浙江地區(qū)能源需求增大,根據(jù)浙江省海上風(fēng)電規(guī)劃,擬建設(shè)浙能嘉興1號(hào)、華能嘉興2號(hào)、浙能塖泗2號(hào)海上風(fēng)電工程,該工程位于杭州灣海域,共擬建海底交流輸電海纜6條。由于地理位置局限,輸電海纜與杭州灣兩條進(jìn)口原油管道長(zhǎng)距離小間距并行。其中甬寧線肩負(fù)著原油運(yùn)輸?shù)闹匾?zé)任,由于擬建輸電海纜距離管線較近,存在交流雜散電流干擾風(fēng)險(xiǎn),為了保障管線安全,采用數(shù)值模擬技術(shù)對(duì)擬建海纜及計(jì)量站對(duì)并行原油管線的交流干擾進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估,基于評(píng)估結(jié)果制定了緩解方案,確保管道的安全運(yùn)行[7]。

三條海纜輸電線路中浙能嘉興1號(hào)線位于三條海纜系統(tǒng)的西側(cè)位置,華能嘉興2號(hào)線位于三條電纜系統(tǒng)中間位置,浙能塖泗2號(hào)線位于三條海纜系統(tǒng)的東側(cè)位置。海纜由海上升壓平臺(tái)將電能輸送至陸地計(jì)量站,其中海底部分海纜埋設(shè)于海泥下方,埋深不少于3 m,陸地部分埋深不少于1.5 m,埋設(shè)方式為直埋。

為評(píng)價(jià)管道的交流干擾嚴(yán)重程度,確定如下評(píng)價(jià)指標(biāo):(1) 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下,陸地部分交流電壓小于15 V,交流電流密度小于30 A/m2,海底部分交流電壓小于0.287 5 V,交流電流密度小于30 A/m2;(2) 電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí),接觸電壓小于779 V;涂層耐受電壓小于3 000 V。

使用專業(yè)交流干擾評(píng)估軟件進(jìn)行模擬,結(jié)果表明穩(wěn)態(tài)運(yùn)行情況下,海底與陸地管線交流電壓及電流密度均滿足指標(biāo)要求,無(wú)需緩解;當(dāng)海纜故障運(yùn)行時(shí),管道均未超出3 000 V的涂層耐受電壓限值要求。

3 結(jié)論

杭州灣海底原油管道所處自然環(huán)境惡劣,海水具有較強(qiáng)的腐蝕性,對(duì)管道進(jìn)行腐蝕風(fēng)險(xiǎn)管理具有重大的意義。

受現(xiàn)有技術(shù)能力所限,杭州灣海底原油管道無(wú)法開(kāi)展管道全線陰極保護(hù)有效性的評(píng)價(jià),僅可依靠潛水員進(jìn)行個(gè)別位置的電位測(cè)試。這是管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)控制緩解上的重大缺陷。目前可采取的替代措施是加大內(nèi)檢測(cè)的檢測(cè)識(shí)別率和準(zhǔn)確度,采用高清度的檢測(cè)儀器對(duì)海底管道的金屬損失情況進(jìn)行定期檢測(cè),及時(shí)掌握管壁的腐蝕情況。

犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)是海洋金屬結(jié)構(gòu)物常用的保護(hù)手段,但通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)鋁合金犧牲陽(yáng)極在海泥環(huán)境中存在一定程度的不均勻腐蝕現(xiàn)象。在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)鋁陽(yáng)極的性能進(jìn)行測(cè)試時(shí),往往使用海水電解質(zhì),但在本案例中鋁陽(yáng)極的應(yīng)用場(chǎng)所為海泥。這可能導(dǎo)致陽(yáng)極的實(shí)際性能達(dá)不到指標(biāo)要求。建議加強(qiáng)對(duì)鋁陽(yáng)極在海泥中的性能追蹤測(cè)試,對(duì)應(yīng)用于海泥的犧牲陽(yáng)極,需要進(jìn)一步研究相關(guān)設(shè)計(jì)、選材以及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

海洋風(fēng)電場(chǎng)是未來(lái)綠色能源的發(fā)展重點(diǎn),配套的海底輸電電纜可能對(duì)海底管道造成交流干擾,帶來(lái)交流腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。在電力設(shè)施的設(shè)計(jì)、建設(shè)階段,應(yīng)提前開(kāi)展電力設(shè)施對(duì)外部金屬管道的干擾評(píng)估工作,并提前采取相應(yīng)的緩解措施。