崔艷雨，張曼曼，劉遠(yuǎn)征，揭澤鵬

(中國(guó)民航大學(xué) 機(jī)場(chǎng)學(xué)院，天津 300300)

埋地鋼質(zhì)管道是油氣輸送的重要工具，因其重要性其安全性防護(hù)和檢查、檢測(cè)也備受關(guān)注。而埋地管道腐蝕問(wèn)題一直是影響整個(gè)油氣運(yùn)輸系統(tǒng)的主要問(wèn)題［1］。目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用防腐層與陰極保護(hù)相結(jié)合的方式對(duì)埋地油氣管道進(jìn)行外腐蝕控制。防腐層性能評(píng)價(jià)，就是準(zhǔn)確的檢測(cè)并判斷管道的腐蝕現(xiàn)狀、腐蝕發(fā)生的部位及其發(fā)展趨勢(shì)，是有效預(yù)防、控制管道腐蝕事故的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和前提條件。本文概述分析了防腐層分級(jí)評(píng)價(jià)方法和外腐蝕層直接評(píng)價(jià)方法，詳述了防腐層性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，為了解防腐層質(zhì)量狀況提供了選擇依據(jù)。

1 埋地輸油管道外防腐層評(píng)價(jià)

隨著管道建設(shè)的大力發(fā)展，管道的安全問(wèn)題越來(lái)越受到重視，而管道腐蝕是管道安全運(yùn)行的一重大隱患，尤其是管道的外腐蝕問(wèn)題。

在鋼制管道及儲(chǔ)罐腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)-埋地鋼質(zhì)管道外腐蝕直接評(píng)價(jià)SY/T 0087.1—2006 中，對(duì)管道外腐蝕直接評(píng)價(jià)ECDA 進(jìn)行了詳細(xì)描述，ECDA 評(píng)價(jià)包括預(yù)評(píng)價(jià)、間接檢測(cè)與評(píng)價(jià)、直接檢測(cè)與評(píng)價(jià)和后評(píng)價(jià)4 個(gè)步驟［2］，間接檢測(cè)方法用于對(duì)外防腐層質(zhì)量和陰極保護(hù)效果的檢測(cè)［3］。長(zhǎng)輸管道外防腐層檢測(cè)方法有交流電位梯度法ACVG、直流電位梯度法DCVG、密間隔電位法CIPS、電流-電位法、交流電流衰減法ACCA、變頻-選頻法等，現(xiàn)普遍采用多種檢測(cè)方法的結(jié)合，如DCVG 和CIPS 的結(jié)合，PCM結(jié)合ACVG 的A 字架檢測(cè)方法等［4］，對(duì)于采用陰極保護(hù)的管道，檢測(cè)時(shí)可以采用直流電位梯度法-密間隔電位法和變頻-選頻法相結(jié)合［5］。對(duì)于油氣田酸性氣體輸氣管道，檢測(cè)方法有瞬變電磁法(TEM)、磁記憶檢測(cè)法(MMT)、超聲導(dǎo)波技術(shù)等［6］。

管道外防腐層質(zhì)量狀況評(píng)價(jià)就是根據(jù)以上各檢測(cè)方法結(jié)合相應(yīng)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，對(duì)管道外防腐層的性能進(jìn)行優(yōu)良分級(jí)。SYT 5918—2004 規(guī)定:可通過(guò)電流-電位法或者變頻-選頻法，針對(duì)石油瀝青防腐層測(cè)其防腐層電阻率，對(duì)石油瀝青防腐層進(jìn)行絕緣性能、老化程度及表現(xiàn)、采取措施定量分級(jí)評(píng)價(jià)［7］;規(guī)范SY/T 0087.1—2006 中的直接檢測(cè)與評(píng)價(jià)根據(jù)管道防腐層外觀把防腐層狀況分為優(yōu)中差3 級(jí)［2］;埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)GB/T 19285—2014分別根據(jù)防腐層電阻率、電流衰減率Y 值、外防腐層破損點(diǎn)密度P 值3 種評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)3LPE、硬質(zhì)聚氨酯泡沫防腐保溫層和瀝青防腐層的性能進(jìn)行了定量分級(jí)評(píng)價(jià)［8］。

NACETM 0102—2002［9］提出利用導(dǎo)電測(cè)量法對(duì)管道防腐層進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)價(jià)，該標(biāo)準(zhǔn)將外防腐層性能質(zhì)量分為4 級(jí)。NACESP 0502—2010［10］則提出應(yīng)按每種不同的間接檢測(cè)方法，分別對(duì)防腐層質(zhì)量狀況進(jìn)行分級(jí)，均分為3 級(jí)，并提出了具體的操作程序與步驟。在任何一種分級(jí)評(píng)價(jià)中，評(píng)價(jià)準(zhǔn)則都是必不可少的關(guān)鍵因素。下面就埋地鋼質(zhì)管道外防腐層性能評(píng)價(jià)的各種評(píng)價(jià)準(zhǔn)則作如下詳述。

2 防腐層性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

2.1 涂層橫向電阻法

對(duì)施加陰極保護(hù)的長(zhǎng)輸埋地鋼質(zhì)管道，Uhlig H H 給出了沿陰極保護(hù)管線(xiàn)的電位分布計(jì)算公式［11］:

式中 x——距已知通電點(diǎn)的距離，m;

a——兩個(gè)通電點(diǎn)之間距離，m;

α——電位衰減系數(shù);

EA——已知通電點(diǎn)的電位，V;

EB——兩通電點(diǎn)中點(diǎn)位置的電位，V。

管道電位分布衰減趨勢(shì)可以用電位衰減系數(shù)來(lái)表征，加拿大人Seager W H 在埋地鋼質(zhì)管道防腐層的研究中，確定電位衰減系數(shù)由下式確定［12］:

式中 RS——管道的金屬電阻，Ω/m;

RL——涂層橫向電阻，Ω·m。

管道的金屬電阻RS是管道本身的金屬電阻，由歐姆定律可以求出，涂層橫向電阻RL又稱(chēng)為表觀涂層電阻，是由加拿大人Seager 提出，他假設(shè)當(dāng)陽(yáng)極距離管道很遠(yuǎn)，陽(yáng)極電位對(duì)管道影響很小時(shí)，通過(guò)測(cè)得的管地電位根據(jù)式(1)/式(2)、求出電位衰減系數(shù)，再根據(jù)式(3)求出涂層橫向電阻，根據(jù)求得的涂層橫向電阻來(lái)反映涂層破損的情況。涂層橫向電阻只是反映了埋地鋼質(zhì)管道防腐層在某種環(huán)境介質(zhì)中的阻抗?fàn)顩r，但是沒(méi)有量化分級(jí)［13］。

2.2 涂層空隙系數(shù)

涂層橫向電阻只是反映了涂層在某種環(huán)境介質(zhì)中的阻抗?fàn)顩r，在直接表示涂層自身質(zhì)量的變化上還存在一定的不確定性。因此，引入了一個(gè)能客觀評(píng)價(jià)涂層質(zhì)量的評(píng)價(jià)指標(biāo)-涂層空隙系數(shù)［14］。

定義KS為涂層空隙系數(shù)，S 為涂層破損面積，S0為涂層總面積。

由式(4)可知，涂層空隙系數(shù)反應(yīng)了防腐層本身客觀狀況，涂層空隙系數(shù)越大，防腐層破損越嚴(yán)重，說(shuō)明防腐層狀況越不好。

當(dāng)管道防腐層破損后，防腐層橫向電阻值應(yīng)為破損處的介質(zhì)電阻與完好處防腐層電阻的并聯(lián)值［15］，又防腐層的電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于破損處介質(zhì)的電阻，可得涂層空隙系數(shù)與橫向電阻的關(guān)系:

式中 RL——涂層橫向電阻，Ω·m;

RP——單位長(zhǎng)度管道橫向上的破損處介質(zhì)的電阻，Ω·m;

Rm——單位長(zhǎng)度管道橫向上完好防腐層的電阻，Ω·m;

ρ——管道周?chē)橘|(zhì)的電阻率，Ω·m;

δ——防腐層的厚度，m;

D——管道內(nèi)徑，m。

由前文敘述可知，電位衰減系數(shù)由管道金屬電阻和涂層橫向電阻確定，因此，根據(jù)電位衰減系數(shù)得出的涂層空隙系數(shù)可建立對(duì)管道不同區(qū)段的涂層狀況評(píng)價(jià)方法。

2.3 針眼指數(shù)

首先引入防腐層針眼指數(shù)KP，KP表示單位面積上防腐層的針眼數(shù)。針眼指數(shù)的概念是在以下假設(shè)條件下提出的:①涂層針眼在管道上的分布勻和;②針眼形狀均被視為圓柱形，且針眼以其軸線(xiàn)垂直于管壁方向散布;③涂層上針眼的孔徑均勻一致，其直徑為dP(m)［16］;④管道防腐層的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于管道上針眼里介質(zhì)的電阻率，因此防腐層的電阻率可以忽略不計(jì)。所以，針眼指數(shù)的公式為:

式中 KP—— 針眼指數(shù)，1/m2，單位面積上的針

眼數(shù);

dP——針眼的直徑，m，假設(shè)針眼大小一致，

且均為圓柱形;

α——電位衰減系數(shù);

ρp——管道附近介質(zhì)的電阻率，Ω·m;

δ——涂層的厚度，m;

RS——單位長(zhǎng)度金屬管道的縱向電阻，Ω/m;

D——管子的直徑，m。

當(dāng)管道防腐層有破損后，防腐層的針眼指數(shù)KP與管徑(D)、破損點(diǎn)附近介質(zhì)電阻率(ρp)、管道防腐層的厚度(δ)、管道材質(zhì)(RS)以及管道電位衰減系數(shù)(α)有關(guān)，同時(shí)α 反映了電位分布的變化。綜上所述，KP不僅反映了管道防腐層的質(zhì)量變化狀態(tài)，也反映了陰保系統(tǒng)輸出參數(shù)的變化情況，因此，KP更能有效的評(píng)價(jià)埋地鋼質(zhì)管道防腐層的狀態(tài)［13］。

2.4 防腐層絕緣電阻率

埋地管道防腐層絕緣電阻率為單位面積的防腐層絕緣層平均(面)電阻，單位為Ω·m2，是表征其抗腐蝕、防雜散電流干擾的重要性指標(biāo)［17］。其數(shù)值的大小基本上有防腐絕緣層漏敷、缺陷數(shù)目和大小決定，因此它是衡量管道防腐層質(zhì)量好壞的尺度［18］。

2004 年發(fā)布的《埋地鋼質(zhì)管道外防腐層修復(fù)技術(shù)規(guī)范SY/T 5918—2004》中，第5.2.1 防腐層絕緣性能評(píng)價(jià)中制定了管道防腐層評(píng)價(jià)等級(jí)指標(biāo)［7］，見(jiàn)表1。

表1 石油瀝青防腐層分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)及相應(yīng)措施Table 1 Asphalt anticorrosive coating classification standard and the corresponding measures

日本也有自己評(píng)價(jià)管道防腐層優(yōu)劣的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［13］，見(jiàn)表2。

表2 日本管道防腐層優(yōu)劣分級(jí)表Table 2 The coating quality scale of Japan’s pipeline

埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)GBT 19285—2014 第5.1 中，規(guī)定要求外防腐層絕緣電阻率≥104Ω·m2，對(duì)3LPE 防腐層絕緣電阻率一般應(yīng)≥105Ω·m2［8］。雖然各國(guó)對(duì)管道防腐層保護(hù)效果評(píng)價(jià)等級(jí)指標(biāo)的分類(lèi)不同，但埋地管道防腐層絕緣電阻率為10 000 Ω·m2，這個(gè)數(shù)值是國(guó)內(nèi)外防腐工作者所熟知的數(shù)據(jù)［13］。

王輝榮等人根據(jù)對(duì)防腐層絕緣電阻的測(cè)量，總體評(píng)價(jià)管道防腐層狀況，并且提出絕緣電阻以3 ×103Ω·m2為界限統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)大于或小于它的值作統(tǒng)計(jì)值;絕緣電阻率＜(或＞)3 ×103所占統(tǒng)計(jì)比會(huì)更能反映相應(yīng)管道防腐層的好壞［19］。

我國(guó)現(xiàn)行關(guān)于管道防腐層絕緣電阻率標(biāo)準(zhǔn)中，除了針對(duì)石油瀝青防腐層絕緣電阻率的量化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)外，并沒(méi)有制定其他新型防腐層絕緣電阻率的量化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

2.5 IR%評(píng)價(jià)準(zhǔn)則

IR%是針對(duì)DCVG/CIPS 測(cè)試技術(shù)可以精確定位防腐層破損點(diǎn)并且可以估算其面積大小的特點(diǎn)而提出來(lái)的。通過(guò)計(jì)算外覆蓋層缺陷處IR 降百分比評(píng)價(jià)管道外覆蓋層缺陷程度。其公式［10，20］:

式中 Von——破損點(diǎn)處的通電電位，mV;

Voff——破損點(diǎn)處的斷電電位，mV。

經(jīng)過(guò)大量的理論研究和實(shí)驗(yàn)可以得出，IR%越大陰極保護(hù)的程度越低;管道外覆蓋層的破損面積越大，IR% 的值也就越大［21］。NACE Standard RP 0502—2002 給出了根據(jù)IR%評(píng)價(jià)覆蓋層破損程度的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則［22］，見(jiàn)表3 所示;GBT 19285—2014 也給出了防腐層破損點(diǎn)嚴(yán)重程度分級(jí)，見(jiàn)表4。

表3 根據(jù)IR%評(píng)價(jià)覆蓋層的破損程度準(zhǔn)則Table 3 Criterion of the coating’s damage degree according to IR%

表4 破損點(diǎn)嚴(yán)重程度分級(jí)Table 4 Classification of the severity of the damaged point

2.6 電流衰減率Y 值

根據(jù)電流衰減率可以判斷外防腐層的狀況，從理論上分析，Y 值評(píng)判外防腐層質(zhì)量最直接、最公正［23］。電流衰減率通過(guò)埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)軟件繪制電流衰減曲線(xiàn)而求得，用于埋地管道外防腐層整體狀況的檢測(cè)。GBT 19285—2014 對(duì)外防腐層電流衰減率Y 值進(jìn)行了分級(jí)評(píng)價(jià)，見(jiàn)表5［8］。

表5 外防腐層電流衰減率Y 值(dB/m)分級(jí)評(píng)價(jià)Table 5 Classification rating of the current attenuation Y (dB/m)for external anticorrosive coating

2.7 外防腐層破損點(diǎn)密度P 值

破損點(diǎn)密度即管道防腐層單位長(zhǎng)度上破損點(diǎn)的個(gè)數(shù)，它是劃分防腐層性能評(píng)價(jià)級(jí)別的參量之一［3，23］。GBT 19285—2014 規(guī)范中，對(duì)P 值作了分級(jí)評(píng)價(jià)，見(jiàn)表6［8］。

表6 外防腐層破損點(diǎn)密度P 值(處/100 m)分級(jí)評(píng)價(jià)Table 6 Grading evaluation of the damaged point density P(處/100 m)for external anticorrosive coating

2.8 覆蓋層電導(dǎo)率

覆蓋層電導(dǎo)率為覆蓋層絕緣電阻率的倒數(shù)，美國(guó)現(xiàn)用標(biāo)準(zhǔn)NACE Standard TM 0102—2002 提出利用電導(dǎo)率進(jìn)行分級(jí)，見(jiàn)表7［23-24］。

此標(biāo)準(zhǔn)是標(biāo)準(zhǔn)化后即土壤電阻率為1 000 Ω·cm的情況下電導(dǎo)率的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，并且沒(méi)有指出針對(duì)何種覆蓋層［24］。

表7 覆蓋層電導(dǎo)率的分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Table 7 Grading evaluation criteria of coating conductance

3 外防腐層性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則存在的問(wèn)題及展望

目前，外防腐層性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則具有較大的局限性、部分評(píng)價(jià)指標(biāo)過(guò)時(shí)，而且缺乏新涂層的評(píng)價(jià)指標(biāo)，比如，我們以上介紹的幾種防腐層性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則中，只有防腐層絕緣電阻率、IR%、電流衰減率是目前管道防腐層評(píng)價(jià)常用的準(zhǔn)則，一些評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，如橫向電阻、空隙系數(shù)、針眼指數(shù)沒(méi)有建立起評(píng)價(jià)防腐層性能的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有在管道防腐層性能的評(píng)價(jià)中得到應(yīng)用;目前的分級(jí)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則中，有通過(guò)防腐層絕緣電阻率評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)石油瀝青防腐層、3LPE 和硬質(zhì)聚氨酯泡沫防腐保溫層的量化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，而對(duì)于如煤焦油磁漆、熔結(jié)環(huán)氧粉末、聚乙烯類(lèi)等新型防腐層的絕緣性能只可進(jìn)行定性評(píng)價(jià)，無(wú)法形成定量分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)［7］。因此，應(yīng)加大新型防腐層評(píng)價(jià)準(zhǔn)則的量化分級(jí)的研究。

防腐層性能評(píng)價(jià)中，不同的檢測(cè)方法對(duì)應(yīng)不同的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，即使是同一評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)不同的檢測(cè)時(shí)也應(yīng)有不同的量化分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，在SY/T 5918—2004 的石油瀝青防腐層分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)中，只有用防腐層絕緣電阻率作評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)不同的檢測(cè)方法的量化分級(jí)，缺少其他評(píng)價(jià)準(zhǔn)則對(duì)應(yīng)不同檢測(cè)時(shí)的分級(jí)量化標(biāo)準(zhǔn)。

微生物(尤其是SRB)腐蝕造成的管道安全問(wèn)題也越來(lái)越受到重視，埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范GBT 21448—2008 規(guī)范中，提到在厭氧菌或SRB 及其他有害菌土壤環(huán)境中，管道陰極保護(hù)電位應(yīng)為－950 mV(CSE)或更負(fù)［25］，但是在管道外防腐層性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中，沒(méi)有提到SRB 的存在對(duì)檢測(cè)結(jié)果、評(píng)價(jià)準(zhǔn)則、評(píng)價(jià)方法的影響，更沒(méi)有SRB 對(duì)管道防腐層評(píng)價(jià)可能的影響進(jìn)行量化分級(jí)。因此，有必要研究SRB 對(duì)管道外防腐層性能評(píng)價(jià)的影響。

4 結(jié)束語(yǔ)

從20 世紀(jì)60 年代國(guó)內(nèi)管道建設(shè)初期至今，很多管道已經(jīng)進(jìn)入高齡期，大多數(shù)埋地鋼質(zhì)管道出現(xiàn)腐蝕，管道腐蝕不僅會(huì)引起嚴(yán)重經(jīng)濟(jì)損失，還可能因?yàn)楣艿腊l(fā)生嚴(yán)重的點(diǎn)腐蝕導(dǎo)致管道穿孔而致油品泄漏發(fā)生爆炸從而帶來(lái)安全和資源保護(hù)問(wèn)題［26］。因此，為確保管道運(yùn)輸?shù)陌踩裕芯柯竦剌斢凸艿劳夥栏瘜淤|(zhì)量檢測(cè)手段及性能評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，對(duì)準(zhǔn)確有效測(cè)評(píng)管道防腐層狀況具有非常重要的意義。

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