公用工程污水管道腐蝕泄漏原因及對(duì)策

吳恩柏 王努馳 王科林 張 杰

（1. 中國石油四川石化分公司，四川 成都 611930；2. 沈陽中科韋爾腐蝕控制技術(shù)有限公司，遼寧 沈陽 110180）

0 引言

隨著城市工業(yè)的發(fā)展、城市地下管網(wǎng)的規(guī)模也不斷擴(kuò)大，埋地管網(wǎng)的建設(shè)降低了企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)輸成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，但也將隱患埋藏在了地下，據(jù)統(tǒng)計(jì)，近年來，國內(nèi)外發(fā)生了多起因埋地工業(yè)管道泄漏事件，個(gè)別事件造成公共財(cái)產(chǎn)損失、導(dǎo)致嚴(yán)重的環(huán)境污染事件，危害公民的生命安全，明確工業(yè)埋地管道泄漏原因，明確泄漏原因，采取有必要的檢測(cè)與防護(hù)措施，避免事故發(fā)生，保障工業(yè)管道運(yùn)行安全至關(guān)重要[1-3]。

目前，埋地鋼質(zhì)管道常采用外防腐層加強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的聯(lián)合保護(hù)，但泄漏在生產(chǎn)企業(yè)中經(jīng)常發(fā)生，近年來對(duì)埋地管道泄漏原因的研究也越來越多。2002年，中國石油西南油氣田輸氣科研所韓興平對(duì)埋地管道陰極保護(hù)有效性評(píng)估進(jìn)行研究分析，分析結(jié)果認(rèn)為管道涂層破損、老化失修、管線上陰極保護(hù)系統(tǒng)長期故障，影響陰極保護(hù)有效性[4]；2018年，中國石化銷售有限公司華中分公司郭愛玲鄭京召開展了湖南成品油管道雜散電流測(cè)試與防護(hù)措施研究，發(fā)現(xiàn)湖南成品油管道受到較嚴(yán)重的交、直流雜散電流干擾，其中有5個(gè)管段受到較嚴(yán)重的交流雜散電流干擾，3個(gè)管段受到較嚴(yán)重的直流雜散電流干擾；京廣鐵路、武廣高鐵、滬昆鐵路、城際鐵路等電氣化鐵路為交流干擾源，軌道交通地鐵為直流干擾源；提出了交流干擾和直流干擾應(yīng)分別采用固態(tài)去耦合器接地排流裝置和極性排流裝置措施，以降低雜散電流對(duì)輸油管道的影響[5]。

XX石化公用工程污水排水管線在投產(chǎn)僅8年時(shí)間，2020年和2021年先后在不同位置出現(xiàn)3次腐蝕泄漏（集中在三和一段21號(hào)測(cè)試樁至24號(hào)測(cè)試樁），引起了當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶不必要的恐慌和環(huán)保部門的關(guān)注。腐蝕泄漏點(diǎn)腐蝕速率超過0.8mm/年，遠(yuǎn)超國家規(guī)范GB/T 21447-2018《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》中關(guān)于腐蝕速率應(yīng)低于0.01mm/年的要求。2021年7月30日對(duì)泄漏位置進(jìn)行腐蝕檢查，如圖1所示：泄漏位置（處于焊縫東側(cè)約6cm處）封堵后工程師對(duì)泄漏管段進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，發(fā)現(xiàn)管線泄漏位置徑向12點(diǎn)、3點(diǎn)、9點(diǎn)方向管線壁厚未見明顯異常，在管線底部（6點(diǎn)方向）有6×8cm的減薄區(qū)域，最薄壁厚3.68mm，如圖2所示，同時(shí)在漏點(diǎn)附近發(fā)現(xiàn)局部腐蝕坑，坑深約4mm。

圖1 泄漏管段底部腐蝕形貌

圖2 測(cè)點(diǎn)分布圖

圖3 檢測(cè)示意圖

圖4 管道電位測(cè)試連線圖

圖5 土壤電阻率測(cè)量接線圖

1 現(xiàn)場檢測(cè)評(píng)估

為了明確污水排水管線腐蝕泄漏的原因，在現(xiàn)場對(duì)三和一段埋地污水管道進(jìn)行了：管道外防腐層完整性檢測(cè)與評(píng)價(jià)；陰極保護(hù)有效性檢測(cè)與評(píng)價(jià)；直流雜散電流干擾檢測(cè)與評(píng)價(jià)；交流雜散電流干擾檢測(cè)與評(píng)價(jià)；土壤腐蝕性評(píng)估及腐蝕檢查片埋設(shè)試驗(yàn)，檢測(cè)方法參照GB/T 21246《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法》、GB 50991《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、GB/T 40377-2021《金屬和合金的腐蝕 交流腐蝕的測(cè)定 防護(hù)準(zhǔn)則》。

1.1 管道外防腐層完整性檢測(cè)與評(píng)價(jià)

全線采用電流衰減/交流電壓梯度（P C M/ACVG）交流方法進(jìn)行管道走向、埋深測(cè)量，準(zhǔn)確定位缺陷點(diǎn)。PCM電流檢測(cè)間距不超過30m，A字架檢測(cè)間距不超過5m，GPS打點(diǎn)間距不超過30m。本次采用英國雷迪PCM+埋地管線防腐層檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行交流電流衰減法的檢測(cè)。應(yīng)用PCM接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，對(duì)管道外防腐層進(jìn)行完整性檢測(cè)。

1.2 陰極保護(hù)有效性檢測(cè)與評(píng)價(jià)

陰保站需檢測(cè)輔助陽極地床接地電阻、校核長效參比電極、對(duì)比恒電位儀面板顯示值與實(shí)測(cè)值、同步檢測(cè)恒電位儀輸出電流和通電點(diǎn)通電電位。對(duì)于存在進(jìn)站絕緣接頭和出站絕緣接頭的站場，需檢測(cè)是否存在跨接線，上下游絕緣接頭站外管道是否存在電位差。分析外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，包括：給定電位、通電點(diǎn)電位、輸出電流、輸出電壓，評(píng)價(jià)陰極保護(hù)系統(tǒng)工況，并提出改進(jìn)建議。

1.3 直流雜散電流干擾檢測(cè)與評(píng)價(jià)

對(duì)直流雜散電流干擾段，采用面積為6.5cm2試片進(jìn)行通斷電位測(cè)量。檢測(cè)工作應(yīng)包括以下內(nèi)容：逐樁測(cè)量管道不低于12小時(shí)通斷電位曲線，同一天測(cè)量的檢測(cè)點(diǎn)曲線應(yīng)按時(shí)間對(duì)齊，并在報(bào)告中提交曲線圖和數(shù)據(jù)附表。應(yīng)檢測(cè)明確直流雜散電流干擾的流入?yún)^(qū)、流出區(qū)、影響范圍、干擾程度。當(dāng)發(fā)現(xiàn)管道存在明顯較強(qiáng)雜散電流干擾時(shí)，應(yīng)擴(kuò)大監(jiān)測(cè)時(shí)間不低于24小時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。用uDL2數(shù)據(jù)記錄儀采用地表參比法測(cè)量管道對(duì)地通/斷電電位。每個(gè)測(cè)試樁進(jìn)行管地電位測(cè)試，每秒采集一個(gè)管地電位數(shù)據(jù)。

1.4 交流雜散電流干擾檢測(cè)與評(píng)價(jià)

逐樁測(cè)量管道不低于12小時(shí)交流干擾，試片面積為1cm2；數(shù)據(jù)記錄儀需同步記錄交流干擾電壓和交流電流密度。當(dāng)發(fā)現(xiàn)管道存在明顯較強(qiáng)雜散電流干擾時(shí)，應(yīng)擴(kuò)大監(jiān)測(cè)時(shí)間不低于24小時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

1.5 土壤腐蝕性評(píng)估

土壤電阻率的測(cè)試應(yīng)與管道交流電壓測(cè)試同時(shí)進(jìn)行，測(cè)試位置包括所有測(cè)試樁附近。土壤電阻率的數(shù)據(jù)測(cè)試方法是標(biāo)準(zhǔn)的Wenner四電極法。

1.6 腐蝕檢查片埋設(shè)試驗(yàn)

在泄漏管段現(xiàn)場埋設(shè)失重檢查片，以失重檢查片來模擬埋地管道防腐層破損點(diǎn)。采用管道陰極保護(hù)檢查片與失重檢查片，其中陰極保護(hù)檢查片通過測(cè)試樁實(shí)現(xiàn)與待測(cè)管道的電連接，獲得腐蝕速率及檢查片通電電位與斷電電位等參數(shù): 失重檢查片不和管道電連接，以獲得土壤環(huán)境中的自腐蝕速率。檢查片埋設(shè)時(shí)間為3個(gè)月，示意圖如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)示意圖

2 結(jié)果與分析

2.1 管道外防腐層完整性

三線合一段21～24#測(cè)試樁之間管道的長度為4376.76m，共檢測(cè)防腐層破損點(diǎn)11處，外防腐層破損點(diǎn)密度為0.25處/100m，依據(jù)GB/T 19285-2014《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)總體評(píng)價(jià)》對(duì)外防腐層破損點(diǎn)密度分級(jí)評(píng)價(jià)為“2級(jí)”

2.2 陰極保護(hù)有效性

三線合一段2 1#測(cè)試樁處管道斷電電位在-0.85～-1.2V之間，陰極保護(hù)效果良好。三線合一段22#和24#處管道斷電電位正于-0.85V的時(shí)間超過25%，不符合規(guī)范要求。

2.3 直流雜散電流干擾

干擾源調(diào)查結(jié)果：污水處理廠外排水三線合一段管道距離地鐵3號(hào)線成都醫(yī)學(xué)院站約8.8km。污水處理廠外排水埋地管線全線受地鐵干擾。在成都地鐵運(yùn)行時(shí)間斷，管道通電電位波動(dòng)幅度較大；在地鐵停運(yùn)時(shí)間段，管道波動(dòng)幅度較小，如圖7所示。距離污水處理廠較遠(yuǎn)的三線合一段22#和24#電位較正，斷電電位不符合規(guī)范要求。

圖7 電位測(cè)試結(jié)果

2.4 交流雜散電流干擾

三線合一段管道平均交流電流密度均低于30A/m2，依據(jù)GB/T 50698-2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，交流干擾程度判定為“弱”，可不采取交流干擾防護(hù)措施。

2.5 土壤腐蝕性

根據(jù)GB 21447-2018《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》判斷三線合一段21～24#之間管道共3處土壤腐蝕性強(qiáng)（占75%），1處土壤腐蝕性中（占25%），如表1所示。

表1 土壤腐蝕性檢測(cè)結(jié)果

2.6 腐蝕檢查片試驗(yàn)

由表2可知，陰極保護(hù)試片的通電電位平均值為-0.69V，平均斷電電位為-0.78V，通電電位正于斷電電位，說明有電流從管道流出。

由表3可知，失重檢查試片平均腐蝕速率為0.22mm/a，陰保試片平均腐蝕速率為0.83mm/a，約為失重檢查片的4倍，其較高的腐蝕速率與管道流出的電流密切相關(guān)。

表3 腐蝕速率試驗(yàn)結(jié)果

從圖8、圖9可發(fā)現(xiàn)，失重檢查試片表面腐蝕較為均勻，表面較為光滑平整；陰極保護(hù)檢查試片表面腐蝕較為嚴(yán)重，且有局部腐蝕特征。

圖8 失重檢查片試片形貌

圖9 陰極保護(hù)檢查試片形貌

3 污水管道腐蝕泄漏原因及防護(hù)建議

通過現(xiàn)場腐蝕檢查、檢測(cè)評(píng)估發(fā)現(xiàn)：泄漏點(diǎn)都位于兩節(jié)管段碰口的焊縫附近，且都處于管道底部，通過觀察，腐蝕都是由外向里發(fā)展，可以判斷，泄漏點(diǎn)及附近局部減薄是外部腐蝕引起的；三線合一段21～24#測(cè)試樁之間管道的長度為4376.76m，共檢測(cè)防腐層破損點(diǎn)11處，說明防腐層完好情況較差，是導(dǎo)致管道泄漏原因之一，有研究表明導(dǎo)致防腐層破損的原因有土壤的侵蝕、施工質(zhì)量欠佳等因素[6-8]，據(jù)了解，污水管道焊縫附近防腐層是在管道埋設(shè)施工期間完成，3PE施工工藝復(fù)雜，需要烘烤操作，若現(xiàn)場工人烘烤不均勻，易造成局部粘結(jié)不好，整體密封性下降，同時(shí)與出廠預(yù)制防腐層銜接處易存在薄弱點(diǎn)或滲漏點(diǎn)，加之施工期間焊接和拉拽等因素也會(huì)導(dǎo)致連接處防腐質(zhì)量存在缺陷，隨著土壤長時(shí)間侵蝕破壞防腐涂層[9,10]；直流雜散電流干擾檢測(cè)結(jié)果證明該段管道受地鐵3號(hào)線直流干擾，導(dǎo)致管道保護(hù)電位波動(dòng)大，長時(shí)間段未受到良好保護(hù)，是導(dǎo)致管道失效原因之一；土壤腐蝕性測(cè)試表明三線合一段21～24#之間管道處土壤腐蝕性強(qiáng)，也是導(dǎo)致管道加速失效原因之一；腐蝕檢查片試驗(yàn)表明，陰極保護(hù)試片通電電位正于斷電電位，說明有電流從管道流出，其較高的腐蝕速率與流出的電流密切相關(guān)，而引起電流流出的根本原因在于管道受到地鐵雜散電流的干擾，防腐層破損點(diǎn)作為陽極電位正向便宜，有穩(wěn)定的電流流出，加速管道腐蝕穿孔。

綜上可知，污水管道泄漏的原因主要是地鐵直流雜散電流的干擾導(dǎo)致管道防腐層破損位置未受到良好保護(hù)，加速了腐蝕的進(jìn)程，同時(shí)由于土壤腐蝕性強(qiáng)弱的差別，處于土壤腐蝕性較強(qiáng)的管段優(yōu)先發(fā)生腐蝕穿孔。為了防止此類腐蝕提出以下建議：

（1）三線合一段21～24#測(cè)試樁之間防腐層缺陷點(diǎn)11處，建議開挖修復(fù)，同時(shí)對(duì)其余管段防腐層質(zhì)量進(jìn)行定期檢測(cè)和修復(fù)；

（2）在管道建設(shè)施工階段，嚴(yán)控防腐層施工質(zhì)量、保障回填后防腐層質(zhì)量完好；

（3）建議在管道末端進(jìn)行饋電實(shí)驗(yàn)：新建臨時(shí)輔助陽極地床，利用便攜式恒電位儀為污水管線供電，采用數(shù)據(jù)記錄儀測(cè)量管道通斷電位，評(píng)估陰極保護(hù)有效性；當(dāng)新建臨時(shí)陰保站后，管道電位均能達(dá)標(biāo)；后期根據(jù)饋電實(shí)驗(yàn)結(jié)果，需在末端新建陰保站，防止地鐵雜散電流的干擾。

4 結(jié)語

（1）三線合一段21～24#測(cè)試樁之間管道共檢測(cè)防腐層破損點(diǎn)11處，分級(jí)評(píng)價(jià)為“2級(jí)”，所處土壤環(huán)境腐蝕性強(qiáng)，建議進(jìn)行修復(fù)；

（2）三線合一段管道平均交流電流密度均低于30A/m2，交流干擾程度判定為“弱”，可不采取交流干擾防護(hù)措施；

（3）陰極保護(hù)試片通電電位正于斷電電位，失重檢查試片平均腐蝕速率為0.22mm/a，陰保試片平均腐蝕速率為0.83mm/a，約為失重檢查片的4倍；

（4）污水管道受地鐵直流雜散電流干擾、所處土壤環(huán)境腐蝕性強(qiáng)、防腐層施工質(zhì)量因素綜合導(dǎo)致污水管道泄漏。