吳林虎,許永勃,房 勇,黎 寧

(1. 中國石油工程建設有限責任公司 青海分公司，敦煌 736202； 2. 西安石油大學 石油工程學院，西安 710065；

應用技術

套管穿越段管道腐蝕控制工程的設計要點

吳林虎1,許永勃2,房 勇3,黎 寧4

(1. 中國石油工程建設有限責任公司 青海分公司，敦煌 736202； 2. 西安石油大學 石油工程學院，西安 710065；

3. 青海油田公司 采氣三廠，德令哈 816499; 4. 青海油田公司 采油四廠，德令哈 816499)

穿越段埋地管道加設了套管的部位發(fā)生腐蝕的情況往往比其他部位嚴重。論述了鋼質套管對陰極保護系統(tǒng)的影響及其原因，并對目前普遍采用的套管內(nèi)安裝犧牲陽極的做法的局限性進行了分析，就取消套管穿越措施的可行性和套管穿越段管道腐蝕控制工程的設計要點進行了探討。

套管穿越;犧牲陽極;陰極保護

電化學腐蝕是最普遍的腐蝕現(xiàn)象，而陰極保護是基于電化學反應機理對埋地金屬構筑物采取的重要腐蝕防護措施之一，防腐蝕層和陰極保護聯(lián)合防護措施是腐蝕控制的主要方法[1]。陰極保護系統(tǒng)是一個系統(tǒng)工程，與眾多外部因素有著緊密關聯(lián)，其中套管穿越段管道的腐蝕控制措施便是其重要的影響因素之一。

管道(一般指鋼質管道)穿越溝渠、道路、橋梁等特殊地段時，基于業(yè)主單位對地基結構的要求，為保護管道及便于日后維修，往往在主管的外面增設一層套管，套管多為比主管口徑稍大一些的鋼管。沒有絕緣就沒有陰極保護，國內(nèi)普遍采用的絕緣措施是施工時對套管與主管之間的環(huán)狀縫隙用油麻絲、石棉水泥或其他柔性密封材料填塞、密封，防止地下水的滲入，但在實際操作過程中要實現(xiàn)套管與主管之間充分絕緣、完全密封是很難達到和長期保持的。

根據(jù)長輸管道、城鎮(zhèn)燃氣管道領域的實踐可知，在穿越公路、鐵路、溝渠、河流等加設套管的地方，管道發(fā)生腐蝕的情況比其他地方嚴重[2-7]，加設金屬套管后主管道反而易發(fā)生腐蝕甚至穿孔。根據(jù)華東石油管理局對1 123.23 km所轄管道的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在發(fā)生的幾起較大的腐蝕穿孔事件中，有40%的事故發(fā)生在套管段。由于套管穿越工程涉及多個專業(yè)的配合，設計時的疏忽或考慮不周往往直接影響整個陰極保護系統(tǒng)的有效性，埋下安全隱患，甚至造成巨大經(jīng)濟損失。

1 套管對埋地管道的影響分析

1.1 埋地管道腐蝕防護的原理

埋地管道常采用防腐蝕層外加陰極保護的防護措施進行腐蝕防護。防腐蝕層主要是針對埋地管道的均勻腐蝕，其主要作用是隔絕管道和土壤的接觸，避免鋼管發(fā)生電化學腐蝕；陰極保護則主要以點蝕防護為主，當管道防腐蝕層漏損時，能充分減緩管道的腐蝕速率[8]。防腐蝕層外加陰極保護的雙重保護，有力地保證了埋地管道的防腐蝕效果。

1.2 套管對陰極保護的影響

套管對陰極保護的影響問題 ，歸納起來主要有以下幾種情況。

(1) 套管與管道絕緣且套管內(nèi)無導電介質 由于套管對陰極保護電流有屏蔽作用，因而陰極保護電流對套管內(nèi)介質形成的腐蝕環(huán)境不起作用，加速了套管內(nèi)管段的腐蝕[9-10]。如果管道表面有凝析水且套管內(nèi)管道安裝了犧牲陽極，則由于凝析水電阻率很高，其保護效果還需要進一步研究[11]。

(2) 套管與管道絕緣且套管內(nèi)有導電介質 若套管內(nèi)未安裝犧牲陽極，外加陰極保護電流穿過套管后可以通過套管內(nèi)的水或土壤等導電介質到達管道表面，對管道進行保護，套管內(nèi)壁受到腐蝕，外壁受到保護，但套管對陰極保護電流仍有屏蔽作用，所以套管內(nèi)的管道得不到充分的陰極保護，還是存在發(fā)生腐蝕的可能。

如果套管內(nèi)部安裝了電位較高的犧牲陽極，犧牲陽極將消耗部分外加陰極保護電流，所消耗的電流大小與套管內(nèi)所安裝的犧牲陽極性能以及套管穿越處與管道陰極保護站距離有關。若消耗的電流過大，將影響套管附近管道的陰極保護。如果套管內(nèi)部安裝的犧牲陽極電位較低，犧牲陽極可能對套管內(nèi)的管道提供一些保護，但此時，外加陰極保護電流也可以穿過套管到達管道表面，所以，犧牲陽極的作用不是必需的。

(3) 套管與管道短路且套管內(nèi)有導電介質 如果套管內(nèi)未安裝犧牲陽極，套管對陰極保護電流的屏蔽作用只發(fā)生在套管與管道短路并且套管內(nèi)有導電介質時，此時，套管內(nèi)的管道處于自由腐蝕的狀態(tài)[12-13]。

如果套管內(nèi)部安裝了犧牲陽極，則犧牲陽極會對管道產(chǎn)生保護作用，但套管已經(jīng)與管道短路，相當于一個整體，所以犧牲陽極也會同時保護套管內(nèi)壁。如果管道防腐蝕層漏點和犧牲陽極的間距大于犧牲陽極和套管的間距，那么到達防腐蝕層漏點處的陰極保護電流會很小，無法起到保護作用，大部分陰極保護電流會消耗在保護套管內(nèi)壁上[11]。套管內(nèi)壁防腐蝕層很差甚至沒有，它將大量消耗犧牲陽極，犧牲陽極會很快耗盡，不能達到預期的壽命。

(4) 套管與管道短路且套管內(nèi)無導電介質 如果管道表面有凝析水且套管內(nèi)主管道安裝了犧牲陽極，則由于凝析水電阻率很高，其保護效果還需要進一步研究[11]。

2 套管穿越段局部陰極保護設計

2.1 局部陰極保護設計方案選擇與計算

在使用鋼質管道的情況下，目前普遍采用局部陰極保護[10,12,14-16]的方法對管道進行腐蝕防護。方案設計時，可以選擇在套管內(nèi)的管道上纏繞鎂陽極帶或鋅陽極帶或安裝鐲式陽極，通常推薦使用纏繞鎂陽極帶的局部陰極保護方法,其安裝示意圖如圖1所示。如2012年“東坪至一里溝輸氣管道工程”315國道穿越段、2013年“兩東氣田聯(lián)絡輸氣管道工程”S305省道穿越段、“柴北緣輸氣管道工程”套管穿越段，套管內(nèi)主管道即采用了纏繞鎂陽極帶的局部陰極保護方法。陰極保護犧牲陽極的用量可根據(jù)保護面積計算得到。

圖1 犧牲陽極帶的安裝示意圖Fig. 1 Installation diagram of ribbon sacrificial anode

2.2 纏繞鎂陽極帶的陰極保護方法

安裝鎂陽極帶時，可采用機械打磨的方法露出約4 cm×4 cm的管道，在管道上開鑿合適的焊點，采用電焊、鋁熱焊等焊接方式連接鎂陽極帶和管道，根據(jù)不同的管徑按照一定的角度和間距，將鎂陽極帶緊緊纏繞在管道外壁上，兩個焊點都要做好絕緣防腐蝕。鎂陽極帶纏繞施工完畢后，套管兩端應采用柔性的防腐蝕、防水材料密封，并保證密封良好，防止水或其他雜物的進入。

纏繞鎂陽極帶法的優(yōu)點是施工簡單方便，缺點是鎂的電位較負，保護年限不是很長。

2.3 纏繞鋅陽極帶的陰極保護方法

我國尚無鋅陽極帶行業(yè)標準，不同的廠家生產(chǎn)的鋅陽極帶型號不同，可根據(jù)套管穿越處的實際情況計算用量。纏繞鋅陽極帶法的優(yōu)點是鋅的電位相對較高，可以使用較長的年限并且比較經(jīng)濟，缺點是鋅陽極帶比較脆，不易安裝。目前，國內(nèi)常見的鋅陽極帶規(guī)格見表1。

表1 鋅犧牲陽極帶的規(guī)格Tab. 1 Specification of ribbon zinc anode

2.4 安裝鐲式陽極的局部陰極保護方法

安裝鐲式陽極的局部陰極保護方法，既操作簡便又能保證足夠的使用年限。鐲式陽極的材料為鋁鎂合金，采用雙半圓環(huán)組合形式，每套陽極包括兩個半圓環(huán)陽極，陽極采用螺栓連接并環(huán)繞卡緊在管道上，把電纜像安裝普通埋地式陽極一樣焊接到管壁上，做好絕緣防腐蝕即可完成。設計時，根據(jù)套管穿越處的實際情況計算出所需鐲式陽極的規(guī)格和數(shù)量，根據(jù)計算結果進行布置，使陽極在套管內(nèi)均勻分布。鋼鐵研究總院青島海洋腐蝕研究所是國內(nèi)率先開發(fā)生產(chǎn)鐲式陽極的單位，對不同環(huán)境中的陽極選擇和設計安裝積累了豐富的實踐經(jīng)驗。截至目前，國內(nèi)在山東青島、山東東營、河北廊坊、河南焦作等地也有多家公司可提供鐲式陽極。

2.5 套管穿越處的絕緣、防腐處理

管道穿越江河時，如果固定管道而加設的穩(wěn)管設施有導電金屬，則該金屬必須與管道絕緣，且不得損壞管道的防腐蝕層。

對管材、絕緣支架和端部柔性密封要仔細選擇材料和設計施工。要求套管和管道直而圓，并且在套管穿越處管段使用的防腐蝕層一般要比其他管段高一等級；若套管內(nèi)采用局部陰極保護，必須使用絕緣支架將套管與管道隔離[16-17]，絕緣支架的高度應保證犧牲陽極不與套管內(nèi)壁接觸，以防止陽極失效和受力。如果絕緣支架在安裝過程中意外損壞，應更換后再繼續(xù)安裝。套管內(nèi)的所有雜物在穿越之前必須清除干凈。

當管道采用導電的金屬支撐架時，管道與導電的支撐之間應有可靠的絕緣。應根據(jù)管道的運行和環(huán)境條件選取合適的絕緣襯墊，如玻璃纖維增強塑料、氯丁橡膠、陶瓷等[18]。

在回填土之前，應進行電絕緣性能檢查，把參比電極置于同一位置，測量管地電位和套管對地電位，兩個讀數(shù)有較大的差值，則證明絕緣性能良好。

3 關于穿越段采用套管的必要性

從20世紀70年代開始，一些國家就已重視套管穿越段管道的腐蝕問題。美國、瑞典等國相繼進行過套管腐蝕調(diào)查，并證實了套管穿越段輸油(氣)管道存在著較為普遍的腐蝕現(xiàn)象。瑞典腐蝕協(xié)會1984年公布的調(diào)查報告中，列舉了l4個國家33條長輸管道的腐蝕事件。為避免套管內(nèi)輸油(氣)管道發(fā)生腐蝕，美國的現(xiàn)行作法是加厚管壁(壁厚為10～16 mm)而不設計套管。對已建成的套管段，尚無成熟的辦法。據(jù)美國腐蝕工程師協(xié)會訪華團介紹，美國也采用套管內(nèi)填充密封性材料(如石蠟等)的方法，其出發(fā)點是利用這些材料隔離腐蝕介質，以減緩腐蝕速率。

我國對這一問題的認識尚不統(tǒng)一，設計施工中穿越溝渠、河流、鐵路、公路處管段仍不斷采用加套管敷設方式，且套管與長輸管道之環(huán)狀空間填充物多種多樣，如水泥沙漿、珍珠巖、聚氨酯泡沫等，上述做法都不利于管道保護。近年來，國內(nèi)部分標準規(guī)范對金屬套管使用進行了明確限制。SY/T 6964-2013《石油天然氣站場陰極保護技術規(guī)范》指出：站場內(nèi)被保護的埋地鋼質管道穿越站內(nèi)路面時，宜采用混凝土套管、箱涵或增加管道壁厚來確保管道機械安全，不宜采用金屬套管。Q/SY 1186-2009《油氣田及管道站場腐蝕控制技術規(guī)范》要求：油氣田及管道站場管網(wǎng)不宜采用金屬套管穿越。

在套管內(nèi)安裝犧牲陽極，不但增加了管道和套管短路的概率，也增加了施工難度，而且，不論管道與套管間是否短路，其保護效果都值得懷疑。若管道與套管間沒短路，則在有電解質存在時,外加陰極保護電流可起到保護作用，不需要犧牲陽極；若管道與套管間短路時，犧牲陽極大部分作用在套管內(nèi)壁上，很快就消耗殆盡，也難以達到預期效果。

4 結論與建議

(1) 從腐蝕控制的角度考慮， 陰極保護的管道中應盡量避免采用鋼套管穿越且不能采用絕緣材料的套管(如PE管、玻璃鋼管等)，推薦通過增加管道壁厚來滿足強度上的要求。

(2) 不采用金屬套管，而以混凝土套管代之，并保證套管與長輸管道的絕緣。

(3) 如果一定要采用鋼套管，則建議套管內(nèi)不安裝犧牲陽極(包括犧牲陽極帶和鐲式陽極)，而是加密絕緣墊塊，以防止管道與套管間發(fā)生短路。同時，取消套管兩端的密封，允許地下水、土壤進入套管，使外加電流陰極保護對其起作用。

(4) 對套管采用高質量涂層以延長套管使用壽命，并在套管上安裝犧牲陽極，在保護套管的同時，為管道陰極保護提供電流通路。

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[18] GB/T 21447-2008 鋼質管道外腐蝕控制規(guī)范[S].

Key Points in Corrosion Control Engineering Design for Pipeline in Casing Crossing Section

WU Lin-hu1, XU Yong-bo2, FANG Yong3, LI Ning4

(1. China Petroleum Engineering & Construction Corporation, Qinghai Branch, Dunhuang 736202, China； 2. College of Petroleum Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China; 3. The Third Gas Plant, Qinhai Oilfield Co.,Delinha 816499, China; 4. The Fourth Oil Plant, Qinhai Oilfield Co., Delinha 816499, China)

Corrosion in casing crossing section of buried steel pipe is more serious than in other parts. The influence of steel casing on the cathodic protection system and its causes are discussed. And the limitation for the method of installing sacrificial anode cathode in casing, which is widely used, is analyzed. The feasibility of cancelling casing and the key points in corrosion control engineering design for pipeline in casing crossing section are discussed as well.

casing crossing； sacrificial anode； cathodic protection

10.11973/fsyfh-201702011

2015-10-13

吳林虎(1973-),高級工程師,碩士,從事防腐技術研究、材料研究,0937-8934079,wulinhu@163.com

TG174

B

1005-748X(2017)02-0138-04