張攀峰 於孝春

(南京工業(yè)大學)

埋地管道的防腐保護及檢測方法分析

張攀峰＊於孝春

(南京工業(yè)大學)

腐蝕是埋地管道的主要失效模式之一,阻止埋地管道的腐蝕對埋地管道的安全運行具有重要意義。就埋地管道所采用的保護方法進行分析,并提出了適當的方法對管道實施檢測作業(yè),以期最大程度地降低埋地管道的運行風險,實現經濟效益的最大化。

埋地管道 雜散電流 陰極保護 防腐層 檢測 泄漏

0 前言

作為國際貨物運輸的方式之一,管道運輸具有獨特的優(yōu)勢。管道具有運量大、不受氣候和地面其他因素限制、可連續(xù)作業(yè)以及運營成本低等優(yōu)點。在歐美等發(fā)達國家,幾乎全部的成品油都是通過管道特別是埋地管道來運輸的。隨著石油、天然氣消費速度的增長,管道運輸發(fā)展步伐不斷加快。埋地管道運輸可以節(jié)省鋪設管道所占用的空間,也可以節(jié)省管道鋪設過程中的基礎設施建設成本;在跨越河流、湖泊時,埋地管道的敷設可以不架設橋梁,直接對石油、天然氣及其它貨物進行運輸,我國天然氣西氣東輸所使用的管道大部分是埋地管道。地下管道是城市基礎設施的重要組成部分,在供熱、給水、排水、煤氣以及通信等方面得到廣泛應用,被稱為城市地下生命線工程。

目前,我國油氣輸送管道近 10萬多公里[1],城市埋地燃氣管道 7萬公里[2]。埋地管道長期埋在地下,隨著時間的推移,外界土壤及地形沉降等因素的影響,管道的防腐層極有可能出現破損、剝離等嚴重的問題;埋地管道與土壤的相互接觸會引發(fā)管道發(fā)生腐蝕、穿孔等破壞,造成介質的泄漏。管道腐蝕破壞除了考慮造成的嚴重經濟損失外,它還會引起有害物質的泄漏,對環(huán)境造成污染,甚至會引起突發(fā)性的災難事故,危及人身安全。由于管道穿越地區(qū)地形復雜、氣候特性各異、土壤性質千差萬別,埋地鋼質管道除采取不同的外防護措施外,還要在適當的時候對防腐層進行檢測。對長時間運營老化的埋地管道進行泄漏檢測,不僅可以降低埋地管道維護的成本,提高經濟效益,還可以保障生產的安全及人民的生命財產安全。

1 埋地管道腐蝕的原理

埋地管道長期埋在地下,由于環(huán)境的各異,會發(fā)生不同形式的腐蝕。通常見到的埋地管道的腐蝕大致有化學腐蝕、電化學腐蝕、微生物腐蝕等。

1.1 化學腐蝕

化學腐蝕是指金屬表面與非電解質直接發(fā)生純化學作用而引起的破壞。金屬直接和介質接觸引起的金屬離子的溶解過程,在金屬表面均勻發(fā)生,腐蝕速度緩慢。鋼鐵在空氣中或土壤里的腐蝕就屬于化學腐蝕。

1.2 電化學腐蝕

電化學腐蝕是金屬表面與導電的介質發(fā)生電化學作用而產生的破壞,也就是金屬和電解質組成原電池所發(fā)生的金屬電解過程。其實質是浸在電解質溶液中的金屬表面上形成了以金屬為陽極的腐蝕電池。包括異金屬接觸產生的腐蝕原電池、鋼管本身成分含量復雜產生的原電池、氧濃差產生腐蝕原電池、鹽濃差腐蝕原電池和直流雜散電流腐蝕、交流雜散電流腐蝕。圖 1是鐵質管道自腐蝕過程圖。電化學腐蝕是埋地管道常見的一種腐蝕形式,在電解質溶液中,鐵原子失去電子而變成可以自由移動的離子,化學反應式如下:

圖1 埋地管道電化學腐蝕自腐蝕過程

其它自然電位高的原子得到鐵原子失去的電子而顯負電性,這樣鐵原子所帶的電子就從鐵原子轉移到其它電位高的原子上面。通過進一步的反應,帶電物質溶入溶液或參與發(fā)生析氫的反應。

電化學腐蝕過程中,雜散電流的腐蝕是埋地管道腐蝕破壞中危害最嚴重的一種腐蝕形式。一般情況下,設計或規(guī)定回路以外流動的電流統(tǒng)稱雜散電流。雜散電流的來源十分廣泛,它可能產生于地鐵的運營過程及地下礦山的運輸過程中,也可能發(fā)生于電焊及電解的過程當中。雜散電流在進入管道時,管地電位為負,這時的電流對管道起到一定程度的保護作用。但是當雜散電流在靠近雜散電流源負極的時候,管地電位變?yōu)檎?此時的雜散電流不再對管道起保護作用,轉而加速埋地管道的腐蝕。在靠近雜散電流源的部位,管道的鐵原子失去電子而變成自由移動的離子,熔結到土壤當中去。雜散電流的腐蝕速度比較快,是一般的電化學腐蝕所不能比擬的。自然電位腐蝕的腐蝕電位很低,在沒有雜散電流時腐蝕電池兩極電位差僅 0.65 V左右,雜散電流存在時,管道的電位可達 8～9 V[3]。資料表明,對于壁厚為 8～9 mm的鋼質管道,快則幾個月就發(fā)生穿孔[4]。由此可以看出,雜散電流的腐蝕對埋地管道的影響是不容忽視的。

1.3 微生物腐蝕

腐蝕微生物主要是在自然界中參與硫、鐵元素循環(huán)的菌類,它們主要是通過氧化元素硫和還原性硫化物,最終產生硫酸或者氫硫酸腐蝕金屬的。由于不注重微生物的腐蝕作用,使得微生物腐蝕常給地下管線帶來嚴重危害,造成經濟上的損失。

2 埋地管道的防腐措施

埋地管道的腐蝕會對生活帶來諸多不便,也會對生產造成相當的影響。輸水管道的腐蝕破壞會影響人們的正常生活,油氣管道的破壞不僅會污染環(huán)境,而且還會對正常的工業(yè)生產造成影響。所以針對埋地管道的腐蝕,必須采取相應的防腐措施。

2.1 埋地管道的涂層保護

埋地管道的腐蝕是通過土壤與管道相接觸來實現的,涂加適當的防腐涂層可以隔絕管道與土壤之間的接觸,減少腐蝕作用對管道的影響。從某種程度上講,防腐層的質量決定了管道的使用壽命。在管道外防腐涂層方面,國內外采用的是石油瀝青、煤焦油瀝青、熔結環(huán)氧粉末、雙層 PE和三層聚乙烯 (3PE)等[5-7]。

2.1.1 防腐層的要求

防腐涂層的優(yōu)劣主要取決于它的黏結力和耐老化性。要得到性能良好的防腐層,除了選用合適的材料外,還需選用先進的施工工藝。就防腐材料而言,除要考慮經濟性能方面的要求以外,還要求有以下幾個方面的性能[8-9]。

(1)良好的電絕緣性。防腐層電阻率不應小于10000Ω·m2,耐擊穿電壓強度不得低于按種類制定的標準指標。

(2)在腐蝕介質中具有良好的穩(wěn)定性與持久的耐蝕性。耐大氣老化性能好;化學性能穩(wěn)定;耐水性好,吸水率低;耐熱性好,確保其在使用溫度下不變性、不流淌、不加速老化;耐低溫性能好,確保在低溫條件下不龜裂、不脫落;抗酸性介質及微生物性能好。

(3)致密性好,對水、CO2和 H2S等有良好的抗?jié)B透性,而且耐陰極剝離性強。

(4)防腐涂層要有足夠的機械強度。良好的抗沖擊強度可防止由于搬運和土壤壓力而造成的損傷,良好的抗彎曲性可確保管道施工時不致因彎曲而損壞,較好的耐磨性可防止由于土壤摩擦而損傷。除此之外,還要求涂層的針入指標,并且與管道基材的附著力好。

2.1.2 熔結環(huán)氧粉末

熔結環(huán)氧粉末的主要優(yōu)點是黏結力強,適用范圍寬 (-30～110℃),耐土壤應力和耐陰極剝離性能好;其缺點是易受沖擊破壞,吸水率高,耐光老化性能差,對涂裝過程要求嚴格,成本高,適用于大部分土壤環(huán)境,不能用于石方段、地下水位高及土壤含水量較高地區(qū)。

2.1.3 煤焦油瓷漆

煤焦油瓷漆有能防止植物根莖穿入,抵御細菌及堿類腐蝕,防水及抗老化性能好,成本低等優(yōu)點;但是抗土壤應力及熱穩(wěn)定性差,與陰極保護的相容性差,污染環(huán)境。適用于大部分土壤環(huán)境及水位高、植物根莖多、微生物活動多的沼澤或灌木地區(qū)。

2.1.4 雙層 PE與三層 PE

二層聚乙烯 (2PE)結構底層為膠粘劑,外層為聚乙烯,它的電絕緣性能好,機械強度高,吸水率低,耐土壤應力好;其缺點是黏結力較差,陽光下易老化,但是適用于大部分土壤環(huán)境及機械強度要求高、土壤應力破壞大的地區(qū)。

三層聚乙烯 (3PE)結構底層為熔結環(huán)氧底漆層,能很好地附著在管壁上;中間層的主要成分為聚烯烴,里面是纏繞的擠塑造聚乙烯帶。三層聚乙烯兼有熔結環(huán)氧粉末和二層聚乙烯結構的優(yōu)點,其缺點是成本高,涂敷工藝復雜,適用于苛刻環(huán)境,如碎土石、石方段、土壤含水高、植物根系多的地區(qū)。

2.1.5 雙層環(huán)氧粉末防腐層

近年來,雙層環(huán)氧粉末涂料的研究和應用已成為管道外防腐領域的一個亮點,它的底層采用常規(guī)環(huán)氧粉末涂料,用作防腐蝕保護;面層為增塑劑的環(huán)氧粉末體系,用于機械保護。涂層總厚度在1 mm以內,大大低于三層 PE的厚度。雙層環(huán)氧粉末體系以增塑劑的環(huán)氧粉末涂層取代三層 PE的塑料層,陰極保護的匹配性好,能有效地防止陰極屏蔽,同時由于涂層的固化官能團類似,進行化學交聯(lián)不產生層間分離,采用結構近似的環(huán)氧液體涂料對彎頭和補口防腐,防腐質量很好。

2.2 陰極保護和犧牲陽極保護

埋地管道的腐蝕基本上都是通過自然電位差來實現的,也就是說,純金屬一般不發(fā)生在溶液中的自腐蝕。管道的腐蝕狀況與管道的自然電位、極化電位以及 pH值有密切關系,如圖 2所示。在圖中顯示,在不同的極化電位和 pH值條件下,金屬的腐蝕傾向是不同的,可通過調整電位和 pH值來控制金屬的腐蝕。通?？刹捎萌N方法將鐵移出腐蝕區(qū),以達到防腐的目的。通過外加負電流 (陰極極化)使鐵的電極電位負移到免蝕區(qū),以實現陰極保護。通過外加正電流 (陰極極化)使鐵的電極電位正移到鈍化區(qū),達到陽極保護的目的。也可以調整溶液的 pH值,使其達到 9～13范圍,使鐵進入鈍化區(qū)[10]。

圖2 Fe-H2O系的簡化電位與 pH的關系 (腐蝕狀態(tài))

在埋地管道的運營當中,很難做到調節(jié)土壤的pH值,不過,通過調節(jié)腐蝕區(qū)的電位的方法來調節(jié)管道電位是可以實現的。通過通入一定的電流使管道材料處于鈍化狀態(tài)或者處于免蝕狀態(tài)是比較理想的減少管道腐蝕的方法,所以可通過采用陰極保護的辦法,使管道處于免蝕區(qū)狀態(tài)。

陰極保護方法分為兩種:犧牲陽極保護法和外加電流陰極保護法。犧牲陽極的陰極保護是通過外加電位比埋地管道電位更負的金屬作為電極,實現陰極保護的,也就是說,負電位金屬在電偶電池中通過犧牲陽極溶解對保護金屬提供陰極保護電流。通常情況下,所使用的電極有Mg電極、Zn電極和Al電極,此種保護的方法適合在土壤電阻率低的地方使用。土壤電阻高出一定界限會因電極的接地電阻增大,而不能提供足夠大的保護電流。《埋地鋼質管道犧牲陽極保護設計規(guī)范》推薦,鋅陽極的土壤電阻率應小于 15Ω·m,鎂陽極的土壤電阻率不超過 100Ω·m。在實際的埋地管道保護過程中,使用者可以根據自己的經驗來選擇適當的陽極。

外加電流陰極保護法是利用外部直流電源對被保護金屬結構物提供陰極保護電流。此種電流保護適合大型化的金屬構筑物,由于其保護的范圍特別大,所以在對大型化的地下金屬構筑物施加外加電流陰極保護時,可以實現其規(guī)模經濟效益。

3 管道的不開挖檢測

在管道的運營過程中,經常需要對管道的運營狀況進行檢測。管道的開挖檢測不僅浪費大量的人力和物力,而且還可能對管道造成新的破壞。所以在管道的檢測過程中,通常使用非開挖的形式進行檢測。

圖3 PCM對管道破損檢測分析

3.1 管道的陰極保護檢測

陰極保護是保持埋地管道免受各種腐蝕的有效方法。通入陰極保護電流使管道的對地電位發(fā)生變化,進而使管道進入免蝕區(qū)。對管道的陰極保護進行檢測,是對埋地管道是否進行有效保護的依據。通常情況下,可以通過自然電位與陰極保護電位檢測與評定,判斷管道保護電位是否達到有效保護。

3.2 管道的防腐層破損檢測

管道在運輸安裝的過程中,不可避免地會出現埋地金屬管道與其它構筑物的相互碰撞的情況。運營過程中,由于土壤的原因,管道也極有可能與地下堅硬的物體如石塊等的相互碰撞,這都可能造成防腐層的破損。在管道陰極保護過程中,管道的陰極過保護也會造成管道防腐層的脫落。防腐層一旦脫落,土壤就與管道表面相接觸,進而造成管道的腐蝕,自然腐蝕的速度雖然不快,但也會對管道特別是長時間運營的管道造成相當的影響,特別是在雜散電流存在的條件下,管道發(fā)生劇烈的電化學反應,可能快速引發(fā)管道的穿孔。1A的雜散電流在一年內可以消耗 9.1 kg的鐵,36 kg的鉛,11 kg的銅。根據資料表明,雜散電流的存在會使壁厚為8～9 mm和鋼質管道,幾個月內就發(fā)生腐蝕穿孔。所以及時找到管道防腐層的破損點是十分必要的。

管內電流檢測技術可以對管道防腐層進行無損檢測,以確定防腐涂層的狀況。管內電流檢測技術(又稱多頻管中電流法或電流衰減法)采用等效電流原理,來評價管道防腐層絕緣性[11]。檢測時,將 RD-PCM(Pipeline CurrentMapper)發(fā)射機信號線分別與測試樁中的管道接線柱、接地陽極接線柱連接。由 PCM大功率發(fā)射機向管道發(fā)射近似直流的 4 Hz測繪電流、128 Hz/640 Hz定位電流。便攜式接收機能準確地探測到這種信號。通過對電流的探測,可以找到管道的精確位置。如果管道的外防腐層完好,由于管道電阻的原因,管道中交流信號是沿程均勻衰減的;如果管道的外防腐層有破損或絕緣不好,在外防腐層破損點便會有電流泄漏入土壤中,這樣沿程測量管道中的電流信號,在破損點附近,就會出現管中電流陡降。同時,在管道破損點和土壤之間也會形成電壓差,且在接近破損點部位的電壓差最大,破損點的電位差相對較小,如圖3所示[12]。

對防腐層破損嚴重的區(qū)域可做開挖處理開挖之后,對管道進行重新涂涮防腐層,腐蝕嚴重的蝕坑可用補焊的方法進行修護,處理完之后,再涂涮新的防腐層。

3.3 管道泄漏檢測

對于沒有涂防腐層的管道,或者是長期運營老化的管道,需要對管道和泄漏進行定時的檢測。據統(tǒng)計,我國現在 7萬公里的城市埋地燃氣輸送管道,其中有 40%已經運營 20年左右,不少管道已進入事故高發(fā)階段。由于管線老化,不可避免的腐蝕,自然或者人為損壞等因素,管道泄漏事故頻頻發(fā)生,發(fā)生多次由泄漏引發(fā)的惡性事故[2]。如果泄漏得不到及時發(fā)現并采取相應的防護措施,就有可能會污染環(huán)境,浪費資源,并給經濟造成損失。更嚴重的,燃氣的泄漏可能產生爆炸、火災等災難性事故,造成巨大的生命和財產損失。對于管道的泄漏,查找到泄漏點是十分必要的。

3.3.1 傳統(tǒng)檢漏方法

通常情況下,可以通過燃氣泄漏所產生的氣味確定泄漏發(fā)生的位置。在工程檢測中,也使用相關的燃氣超標報警器,對埋地管道泄漏進行檢測。如果管道發(fā)生泄漏,從地下滲出的氣體就傳播到地面上,造成地面部位燃氣的超標,一旦發(fā)生埋地管道的泄漏,儀器會立即報警。這兩種方法是檢測中常用的兩種方法,不過這兩種方法并不總是有效的,特別是在路面下,氣體通過路面的石子瀝青混合物之間的縫隙傳播,傳播的方向受各種因素的影響。

3.3.2 負壓波原理檢漏

液體管道輸送能力 (或流速)的突然變化 (也稱為擾動),會在擾動產生處引起能量的不平衡。管道發(fā)生泄漏時,泄漏點因流體介質損失而引起的局部液體密度減小,導致瞬間壓力降低,作為壓力波源通過流體介質向泄漏點的上、下游傳播,相當于在泄漏點處產生了以一定波速傳播的負壓力波,在水力學上稱為負壓波,又稱為減壓波,其原理圖如圖4所示。

圖4 負壓波管道泄漏

負壓波檢測定位技術主要應用于大口徑長輸管道上。基于負壓波和流量平衡的泄漏監(jiān)測方法,結合了小波變換、GPS、RTU傳輸等先進技術,可進行輸油管道泄漏檢測與定位,并能及時準確定位泄漏點[13]。

泄漏點到上游站的距離 X可通過式 (2)進行計算:

式中 L——監(jiān)測管道的總長度

c——負壓波在管輸液體中的傳播速度

Δt——上下游壓力傳感器接收到負壓波的時間差

3.3.3 聲發(fā)射檢漏

檢測體受到外加力作用時,晶格的變形不協(xié)調會產生超聲波。聲發(fā)射技術通過檢測由晶格變形不協(xié)調產生的超聲波而獲得缺陷信號的一種無損檢測方法。2006年 10月,中國特檢院與北京聲華興業(yè)科技有限公司進行了埋地燃氣管道泄漏聲學方法檢測關鍵技術的研究[2],并通過聲發(fā)射的方法對管道的泄漏點進行檢測。與以往的埋地管道檢測不同,聲發(fā)射檢測是通過管道本身在運營過程中產生的信號來實現檢測的,其原理如圖 5所示。

圖5基于聲波的管道泄漏點定位原理A,B—聲發(fā)射傳感器 X—泄漏點距參考傳感器A的距離D—兩個傳感器之間的距離 V—聲波傳播的速度

通過聲發(fā)射的檢測,可以確定泄漏點的位置,其大致位置 (泄漏點到傳感器 A之間的距離)可以通過式 (3)計算出:

式 (3)中Δt是從相關函數得出的泄漏信號到達傳感器的時間差。由式 (3)可以看出,通過泄漏點所產生的信號到兩傳感器之間的時間差,就可計算出泄漏點到傳感器的距離,進而確定泄漏點在管道中的位置。這樣就可及時對埋地管道進行維護處理,避免可能的事故發(fā)生。

4 結語

對埋地管道的保護是一個復雜的工作,任何一種單一的方法都不能實現對埋地管道的保護,在對管道實行保護的過程中,往往采用幾種防護方式相結合的辦法,對管道進行保護。通常情況下,對管道進行保護的過程中,不僅要在管道外施加防腐涂層,而且還要對埋地管道實施陰極保護,在強制保護 (外加電流陰極保護)無法達到的區(qū)域,要進行犧牲陽極陰極保護的辦法對管道進行保護。在一段時間之后,我們要對防腐層進行防腐層質量的檢驗,并適時對老化管道進行防腐層泄漏檢測。只有這樣,才能延長管道的使用壽命,最大限度地提高經濟效益和社會效益。

[1] 陳其玨 .中國未來兩年將修建油氣管道 4萬公里[N].上海證券報,2007.

[2] 沈功田,劉時風,王瑋 .埋地燃氣管道泄漏定位檢測儀的研制[A].中國第十二屆聲發(fā)射學術研討會,南京:2009:47-53.

[3] 唐永祥,宋生奎,朱坤峰 .油氣管道的雜散電流腐蝕防護措施[J].石油化工安全技術,2006:26-28.

[4] 秦國治,丁良棉,田志明 .管道防腐技術[M].北京:化學工業(yè)出版社,2003.

[5] 李俊霞 .埋地鋼管腐蝕及防腐 [J].河北化工,2006,29(12):43-45.

[6] 王東 .埋地天然氣管線的有機層防腐探討[J].河南石油,2005,19(4):68-69.

[7] 高念振,孔玲,董建峰,等 .埋地鋼質管道外防腐層的選擇與應用[J].內江科技,2006(1):142-143.

[8] 宋曉琴 .金屬腐蝕與防護 [M].成都:西南石油學院,2005.

[9] Rochem.Coating disbandment leads causes of external pipeline corrosion[J].Oil&Gas Journal,1991(4):49.

[10] 吳蔭順,曹備 .陰極保護和陽極保護[M].北京:中國石油出版社,2007.

[11] Beavers J A,Brent.Harle mechanis ms of high-pH and nearneutral-pH SCC of underground pipelines[J].JournalofOffshoreMechanics and Arctic Engineering,2001 (8):147-151.

[12] Pipeline CurrentMapperUser Guide Section 7[S].Pipeline CurrentMapperUser Guide Revision 7,2004:30-32.

[13] 李新建,鄧雄基 .基于負壓波和流量平衡的管道泄漏監(jiān)測

系統(tǒng)研究[J].石油化工設備,2009:30-34.

＊張攀峰,男,1984年生,碩士。南京市,210009。

2009-11-16)