李嘉強(qiáng)

摘 要：土壤對(duì)鋼制天然氣管道的腐蝕不僅會(huì)影響管道運(yùn)行的安全性，還會(huì)影響天然氣產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，因此，對(duì)鋼制天然氣管道土壤的腐蝕性進(jìn)行檢測(cè)十分重要。結(jié)合實(shí)例，對(duì)埋設(shè)檢查片法進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，應(yīng)用埋片法對(duì)鋼制天然氣管道土壤的腐蝕情況進(jìn)行檢測(cè)可取得較好的效果。

關(guān)鍵詞：鋼制天然氣管道；建設(shè)周期；運(yùn)輸成本；土壤類(lèi)型

中圖分類(lèi)號(hào)：TE988.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.125

隨著天然氣產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，天然氣在城鎮(zhèn)中的應(yīng)用越來(lái)越普及，鋼制天然氣管道的鋪設(shè)量也越來(lái)越大。采用管道運(yùn)輸天然氣具有運(yùn)輸成本低、建設(shè)周期短、受氣候和環(huán)境影響小、可穿過(guò)各種區(qū)域等優(yōu)點(diǎn)。但由于鋼制天然氣管道深埋在土壤中，易受腐蝕，出現(xiàn)穿孔，進(jìn)而引發(fā)油、氣泄漏，甚至引發(fā)爆炸，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，威脅著人們的生命安全。

1 室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 室內(nèi)土壤分析

由于埋地鋼制天然氣管道沿途經(jīng)過(guò)地區(qū)的土壤類(lèi)型和地形地貌有較大的差異，需要對(duì)沿途不同類(lèi)型的土壤取樣，并對(duì)主要的影響因素進(jìn)行測(cè)試分析。某公司埋地管道的埋地段總長(zhǎng)17.45 km，2009-04竣工投入使用，介質(zhì)為C3C4，管道規(guī)格為168.3 mm×6.4 mm，設(shè)計(jì)壓力為2.29 MPa，運(yùn)行壓力為1.52 MPa，設(shè)計(jì)溫度為60 ℃，運(yùn)行溫度為15 ℃，材質(zhì)為L(zhǎng)245。依據(jù)《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)試方法》（GB/T 21246—2007）提供的材料土壤腐蝕試驗(yàn)方法進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)電化學(xué)性質(zhì)參數(shù)測(cè)試和室內(nèi)理化性質(zhì)分析，分析對(duì)象以影響腐蝕的土壤含水率、氯離子含量、硫酸根離子含量、pH值為主。依據(jù)測(cè)試結(jié)果，確定了40 個(gè)檢查片埋設(shè)點(diǎn)的土壤腐蝕性大部分處于中腐蝕與弱腐蝕之間，少部分具有強(qiáng)化學(xué)腐蝕性。

1.2 鋼制檢查片制備

傳統(tǒng)技術(shù)采用標(biāo)準(zhǔn)鋼試片（50 mm×100 mm），而在2004年后的新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，相關(guān)單位必須根據(jù)調(diào)查對(duì)象設(shè)計(jì)的檢查片來(lái)提供多種設(shè)計(jì)方案。其核心是模擬管道表面的裸露面積（比如防腐層破損點(diǎn)），檢驗(yàn)陰保系統(tǒng)對(duì)缺陷的保護(hù)能力。

制備檢查片的面積必須模擬管道表面有代表性的裸露面積。如果面積過(guò)小，則無(wú)法體現(xiàn)管道的真實(shí)保護(hù)狀況；如果面積過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致結(jié)果失真（IR降）或保護(hù)電流過(guò)度流失，進(jìn)而改變管道陰極的保護(hù)狀態(tài)。本試驗(yàn)在不同土壤pH值的條件下，測(cè)試了管道的極化曲線(xiàn)。通過(guò)檢查片消耗的電流值，可確定檢查片的規(guī)格分別為30 mm×15 mm×5 mm、40 mm×20 mm×5 mm和50 mm×25 mm×5 mm。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

依據(jù)SY/T0029—1998和NACERP0104—2004標(biāo)準(zhǔn)中的要求，結(jié)合陰極保護(hù)系統(tǒng)的實(shí)際情況，將制備的鋼制檢查片埋設(shè)在了預(yù)先設(shè)定的管道沿線(xiàn)檢查片埋設(shè)點(diǎn)中；使用探管儀在埋設(shè)點(diǎn)附近找到了管道埋深最淺的點(diǎn)，其開(kāi)挖規(guī)格為1.5 m×1.5 m×H；對(duì)每組檢查片中3片有強(qiáng)制電流保護(hù)的試片使用直徑為2.5 mm的銅線(xiàn)連接，并將試片與管道電路連接，維持與管道相同的電位，連通管道或管道沿線(xiàn)的測(cè)試樁；采用絕緣繩連接3片自然腐蝕的試片；檢查片均置于開(kāi)挖坑，其深度與管道埋設(shè)的深度相同；回填時(shí)，應(yīng)將回填土分層夯實(shí)，并將耕植土填在埋設(shè)坑上。在埋設(shè)過(guò)程中，應(yīng)嚴(yán)防檢查片受到機(jī)械損傷，并注意保護(hù)導(dǎo)線(xiàn)。經(jīng)過(guò)1年的埋設(shè)后，取出埋設(shè)坑中的鋼制檢查片，經(jīng)過(guò)清洗、酸洗、電鏡掃描等步驟后，對(duì)鋼制檢查片進(jìn)行稱(chēng)重分析。

2 結(jié)果和討論

2.1 試驗(yàn)管段的陰極保護(hù)效果

計(jì)算所使用的檢查片埋設(shè)于村莊的水塘中，受到的保護(hù)較好，無(wú)第三方破壞。在以6片為一組的檢查片中，分別計(jì)算了3片電流保護(hù)片和3片自然腐蝕片。電流保護(hù)片平均腐蝕速率為0.352 5 g/（dm2·年），自然腐蝕片的平均腐蝕速率為4.630 1 g/（dm2·年），保護(hù)度為2.39%.

圖1為試驗(yàn)樣本中電流保護(hù)片與自然腐蝕片腐蝕速率的對(duì)比。在大多數(shù)情況下，電流保護(hù)片的腐蝕速率遠(yuǎn)小于自然腐蝕片的腐蝕速率。由此可見(jiàn)，由計(jì)算檢查片所獲取的保護(hù)度數(shù)較為合理。

2.2 腐蝕形貌掃描電鏡分析

采用KYKY-2800掃描電子顯微鏡對(duì)電流保護(hù)片進(jìn)行了掃描，其放大倍數(shù)為8×～250 000×，加速電壓為0～30 kV。由此可見(jiàn)，試片表面相對(duì)平滑，有片狀的腐蝕產(chǎn)物，大體處于同一平面上，沒(méi)有明顯的蝕孔，腐蝕產(chǎn)物與金屬基體的結(jié)合比較緊密，進(jìn)一步放大后，腐蝕產(chǎn)物呈顆粒狀。這與計(jì)算檢查片所取得的腐蝕速率數(shù)相一致。

自然腐蝕片的電子顯微圖像表面覆蓋有晶體層產(chǎn)物，其與腐蝕產(chǎn)物不在同一平面上，有不同的深度變化。腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)疏松，膜層有孔隙，表面覆蓋膜的保護(hù)性較差，腐蝕產(chǎn)物易剝落，無(wú)法有效阻止管道鋼的腐蝕。放大掃描圖像后發(fā)現(xiàn)，層狀腐蝕產(chǎn)物有破裂現(xiàn)象。由此可見(jiàn)，自然腐蝕片的腐蝕速率明顯高于電流保護(hù)片。

2.3 Χ射線(xiàn)光電子能譜（XPS）分析

進(jìn)行Χ射線(xiàn)光電子能譜（XPS）分析樣品的尺寸應(yīng)為10 mm×10 mm。因此，需要切割樣品。經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，各樣本中電流保護(hù)片和自然腐蝕片的腐蝕產(chǎn)物基本一致，F(xiàn)e2O3、Al2O3、CaCO3、SiO2為主要化學(xué)腐蝕產(chǎn)物。2號(hào)電流保護(hù)試片的Χ射線(xiàn)光電子能譜分析如圖2所示。

2.4 鋼制檢查片樣本計(jì)算差異分析

在使用埋片法檢測(cè)電流保護(hù)片和自然腐蝕片的腐蝕速率時(shí)，從圖1可發(fā)現(xiàn)，個(gè)別試驗(yàn)點(diǎn)中出現(xiàn)了保護(hù)度偏低，電流保護(hù)片腐蝕速率與自然腐蝕片腐蝕速率基本相同，甚至高于自然腐蝕片的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象產(chǎn)生的原因大致有以下4種：①部分埋設(shè)點(diǎn)位于坑內(nèi)積水較多，且周邊有公路、鐵路、高壓線(xiàn)的區(qū)域，鋼制檢查片陰極保護(hù)系統(tǒng)受到了坑內(nèi)積水的腐蝕，使用CuSO4電極萬(wàn)用表測(cè)量得到的檢查片電位很不穩(wěn)定，甚至超出了其外加電流保護(hù)電位的范圍。這些埋設(shè)點(diǎn)腐蝕較為嚴(yán)重的原因主要是管道沿線(xiàn)存在雜散電流。由于檢查片長(zhǎng)期處于積水較多的水坑中，且電流保護(hù)片的導(dǎo)線(xiàn)通電良好、自然腐蝕片只與土壤接觸（不通電），導(dǎo)致保護(hù)片所受的雜散電流腐蝕影響大于自然腐蝕片。因此，某些埋設(shè)點(diǎn)電流保護(hù)片的腐蝕速率高于自然腐蝕片。②部分檢查片埋深較淺，掩埋土質(zhì)中的石頭較多，且其周邊有水塘等干擾源，受環(huán)境影響，其保護(hù)度均低于20%.本次試驗(yàn)中外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)管道的保護(hù)電流并非全部流向被保護(hù)的管道，有部分電流沿其他管道流動(dòng)，進(jìn)而腐蝕外管道。③在外加電流陰極保護(hù)中，雜散電流會(huì)對(duì)保護(hù)電位、陰極保護(hù)電流產(chǎn)生較大的影響。如果地下管道的電位相對(duì)于環(huán)境為負(fù)，則可獲得相應(yīng)的保護(hù)；如果其電位相對(duì)于環(huán)境為正，則管道會(huì)遭受腐蝕。然而，試驗(yàn)管道埋設(shè)的土壤中的雜散電流會(huì)使電位變化復(fù)雜化。由于在埋設(shè)管道時(shí)會(huì)受到雜散電流或瞬時(shí)電場(chǎng)的而影響，其電位會(huì)在瞬時(shí)相對(duì)于環(huán)境為正。在這種情況下，試驗(yàn)管道就變成了陰極保護(hù)系統(tǒng)中的陽(yáng)極，進(jìn)而導(dǎo)致管道遭受腐蝕。④對(duì)于受雜散電流影響的腐蝕較為嚴(yán)重的管道，想完全杜絕雜散電流的流入是不可能的，而減少或防止從管道上排出電流是可行的。建議在使用埋片法檢測(cè)管道陰極保護(hù)效果時(shí)使用電排流，并采取調(diào)整陽(yáng)極布局、測(cè)試樁布局等方法緩解雜散電流對(duì)管道的影響。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，鋼制天然氣管道在土壤中被腐蝕時(shí)可能會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，采用正確的檢測(cè)方法對(duì)鋼制天然氣管道的土壤腐蝕情況進(jìn)行檢測(cè)十分重要。研究表明，用埋片法檢測(cè)鋼制天然氣管道的土壤腐蝕情況，結(jié)果直觀(guān)、準(zhǔn)確，與實(shí)際情況相符，值得推廣應(yīng)用。

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〔編輯：張思楠〕