趙銘文

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300451)

海底管道作為一種輸送流體介質(zhì)的工具，具有連續(xù)、快捷、輸送量大等諸多優(yōu)點(diǎn)。海底管道是海上油氣集輸?shù)闹饕侄?，是海洋石油的生命線。隨著國內(nèi)海底輸油管道建設(shè)、使用增多以及運(yùn)營時(shí)間的延長，海底管道腐蝕破損的事故也在逐年增加。海底管道腐蝕破損直接導(dǎo)致石油泄漏、污染附近海域的生態(tài)環(huán)境，而且也給附近區(qū)域的養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)和旅游業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失，所以需要對海底管道的材質(zhì)、生產(chǎn)裝配、維護(hù)等措施進(jìn)行嚴(yán)格規(guī)范[1-3]。

1 海底管道基本情況

此條海底管道于2007年投產(chǎn)，管道設(shè)計(jì)壽命20年，管道總長14.3 km，管道尺寸為 219.1 mm(8英寸)，壁厚8.7 mm，管體結(jié)構(gòu)采用單層保溫配重管，海底管道的工況具體如下：管道進(jìn)出口壓力分別為6.3 MPa、5.9 MPa；進(jìn)出口溫度分別為52 ℃、28 ℃；管道日輸液量450 m3，日輸氣量2.8×105m3；海底水溫3～25 ℃；海底洋流流速0.1～0.15 m/s。

1.1 單層保溫配重管結(jié)構(gòu)形式

單層保溫配重管管體結(jié)構(gòu)從外到內(nèi)依序?yàn)椋旱谝粚訛榛炷僚渲貙?，其中混凝土配重層中間纏繞加固鋼絲網(wǎng)；第二層是PE夾克套管，包覆在保溫層的外表面；第三層是聚氨酯保溫層，包覆在防腐涂層的外表面；第四層是管端聚乙烯防水帽；第五層是在鋼管的外表面涂覆一層防腐涂層(即FBE防腐層)；第六層是鋼管。如圖1所示。

圖1 單層保溫配重管結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 海底管道的化學(xué)分析

此條海底管道管體所采用的材質(zhì)為API 5L X65 無縫鋼管，腐蝕缺陷部位管材取樣的化學(xué)成分與API SPEC 5L規(guī)定X65石油鋼管的化學(xué)成分對比，如表1所示。

表1 X65石油鋼管化學(xué)成分對比 %

從表1可以看出，此條海底管道在發(fā)生嚴(yán)重腐蝕區(qū)域的S含量偏高，其他元素成分符合API SPEC 5L X65化學(xué)成分的要求。同時(shí)，對管道上的犧牲陽極取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，其主要成分結(jié)果：Al為93.830 %；Zn為5.650 %；In為0.017 %。經(jīng)測定管道所用的犧牲陽極類型為鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極，符合犧牲陽極保護(hù)海底管道材質(zhì)規(guī)范要求。

1.3 管道腐蝕形貌特征

該管道通過漏磁檢測共發(fā)現(xiàn)3處管體減薄的位置，管體壁厚減薄率分別為： 88%、75%、63%。海底管道回收后，重點(diǎn)對管體減薄位置進(jìn)行了驗(yàn)證定位，并做了詳細(xì)的檢測，結(jié)果如表2所示。

表2 管線壁厚情況

海底管道腐蝕以局部外腐蝕為主，腐蝕發(fā)生位置主要集中在管道底部距焊縫處370～380 mm附近，腐蝕位置的FBE防腐層與基體有明顯分層現(xiàn)象，腐蝕形狀為橢圓型蝕坑，腐蝕坑深度范圍為6.0～8.0 mm，管道壁厚實(shí)際減薄范圍為69%～92 %。 如圖2、圖3所示。

圖2 海底管道外壁腐蝕

圖3 FBE防腐層下的點(diǎn)蝕孔

2 腐蝕原因分析

2.1 海水造成腐蝕

此條海底管道局部腐蝕坑的產(chǎn)生，是由于海水與管道外壁直接接觸而引起的，海水的介入與管道內(nèi)部形成了電化學(xué)腐蝕，加之海水中的Cl-破化腐蝕膜，使腐蝕加速引起蝕坑。海水腐蝕是造成管道腐蝕的直接原因。

海水能與管道直接接觸，與防腐層破損等因素有關(guān)。管道聚乙烯防護(hù)層隨時(shí)間會(huì)發(fā)生老化膨脹現(xiàn)象，使其在管道基體黏附力減弱，強(qiáng)度下降，材質(zhì)變脆，出現(xiàn)黏結(jié)層剝離現(xiàn)象，形成管體與節(jié)點(diǎn)環(huán)空狀態(tài)，造成管管相通。又因節(jié)點(diǎn)處的外部破損，海水流動(dòng)應(yīng)力直接作用在節(jié)點(diǎn)上，使管端的防水帽和節(jié)點(diǎn)處熱縮帶受海水的沖擊應(yīng)力和管道本身的振動(dòng)影響容易產(chǎn)生裂紋或開裂，使海水通過裂縫或破損處進(jìn)入到管體環(huán)空層內(nèi)，海水在環(huán)空層形成滯留封閉水團(tuán)，而這種腐蝕具有自催化性，能夠形成閉塞自腐蝕電池效應(yīng)。如果陰極保護(hù)電流被隔離(如陽極導(dǎo)線斷裂)，這種腐蝕將更為嚴(yán)重。

2.2 施工造成腐蝕

如圖4所示，常用的聚乙烯熱收縮套和防水帽，內(nèi)層為熱熔膠，外層為聚乙烯。節(jié)點(diǎn)施工時(shí)需要烘烤，如果烘烤溫度低，熱熔膠未熔融將影響?zhàn)そY(jié)性能，影響剝離強(qiáng)度；如果烘烤溫度超標(biāo)，則造成聚乙烯變形或老化，影響使用壽命；烤制不夠均勻、褶皺多、未按標(biāo)準(zhǔn)要求烤出膠、熱熔膠過厚、夾雜砂石、管體表面除銹不到位、熱熔膠急劇驟冷、管體預(yù)熱處理欠佳等現(xiàn)象均影響熱縮套的安裝質(zhì)量。在管道鋪設(shè)過程中，管道受到來自外部應(yīng)力作用，加大了熱縮套開裂的傾向；隨著服役后時(shí)間積累，該位置發(fā)生裂紋或開裂，導(dǎo)致海水逐漸浸入，再加上FBE防腐層施工時(shí)存在噴涂不均勻、損傷后未及時(shí)修補(bǔ)或存在微小針孔，海水可以在這些部位與管道的外壁直接接觸發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

圖4 管道連接節(jié)點(diǎn)位置示意圖

2.3 材質(zhì)造成腐蝕

管道基體內(nèi)可能存在夾雜，會(huì)使基體組織成分變得復(fù)雜，造成各個(gè)組織成分之間存在著電位差，如表3所示，容易形成電偶腐蝕的陰陽兩極，使自身基體材質(zhì)產(chǎn)生腐蝕的傾向增大。根據(jù)管體化學(xué)成分分析得出，管道基體內(nèi)夾雜可能以硫化錳為主，其在管道的腐蝕過程中起著陰極的作用，是造成管道發(fā)生點(diǎn)蝕的根源之一。由于硫化錳夾雜物在腐蝕過程中發(fā)生溶解，加劇了鈍化膜的破壞，從而加速了管道的腐蝕。與其他區(qū)域相比，夾雜附近區(qū)域銹層形貌與成分多為暗色組織，組織應(yīng)力大，易脫落，且夾雜處的腐蝕產(chǎn)物為活性物質(zhì)，易電離，從而使硫化錳夾雜物附近的腐蝕速率遠(yuǎn)大于其他區(qū)域。隨著時(shí)間積累，點(diǎn)蝕坑就優(yōu)先在這些局部表面形成。

表3 X65鋼基體與硫化物夾雜的腐蝕電位(Vs SCE)

2.4 犧牲陽極失效

單層保溫配重管犧牲陽極是安裝在水泥配重層中間，靠銅導(dǎo)線與管道連接。一般來說，犧牲陽極的布置與安裝要適應(yīng)管道結(jié)構(gòu)的特點(diǎn), 陽極經(jīng)過計(jì)算后沿著管道的延伸方向均勻分布。單層保溫配重管是將2個(gè)半圓的環(huán)狀陽極延管道環(huán)向固定在水泥配重層中，再用圓柱型銅芯導(dǎo)線將陽極與管體采用焊接方式連接。合格后對焊接部位、裸露點(diǎn)進(jìn)行防腐處理，再用聚乙烯熱收縮套包覆，使聚乙烯層與管道主體聚乙烯層結(jié)構(gòu)具有相融性和連續(xù)性, 形成結(jié)合緊密、平滑過渡、均勻連續(xù)的防護(hù)結(jié)構(gòu)，滿足腐蝕防護(hù)要求。然而現(xiàn)場施工時(shí)聚乙烯層與主體聚乙烯層結(jié)合力不好，在管道吊裝、鋪設(shè)安裝過程中，焊接點(diǎn)受外部壓力和海水流動(dòng)沖擊力的作用，防腐層剝離、導(dǎo)線斷裂或焊接點(diǎn)受力開裂，使陽極起不到應(yīng)有的保護(hù)管體作用。當(dāng)銅導(dǎo)線斷裂后，保留在管體上的Cu-Fe形成陰陽極保護(hù)，由于Fe活性大，造成犧牲管體保護(hù)銅，所以在焊接點(diǎn)處易出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕。

由于犧牲陽極保護(hù)電流密度為防腐層存在針孔缺陷情況下的電流密度。當(dāng)管體大面積與海水直接接觸時(shí)，陽極布置在管道上的密度不夠，造成陽極所提供的保護(hù)電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，無法滿足點(diǎn)腐蝕需要的電流密度，同時(shí)裸露的金屬管道會(huì)有相當(dāng)一部分雜散電流逸出，導(dǎo)致保護(hù)電流密度進(jìn)一步減弱，也容易出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕現(xiàn)象。

3 防護(hù)建議

針對海底管道腐蝕特點(diǎn)，結(jié)合分析測試結(jié)果，對海底管道腐蝕現(xiàn)象提出以下建議。

1)優(yōu)選管材。嚴(yán)格按照API SPEC 5L技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)選擇管材，對管材鋼體組織內(nèi)部的夾雜、分層等缺陷，進(jìn)行監(jiān)測控制。 開發(fā)新品種鋼種：添加Cr、Mo、Ni、Re等合金元素，尤其添加在海水浸泡環(huán)境下的耐腐蝕元素(防止點(diǎn)蝕)，提高管材鋼體的自腐蝕電位，減緩腐蝕速率。

2)選擇合適的防腐工藝。根據(jù)實(shí)際的腐蝕環(huán)境，選擇匹配的防腐材料及工藝，并增加管道腐蝕實(shí)時(shí)檢測設(shè)備。節(jié)點(diǎn)工藝選擇：盡量采用三層工藝的防腐技術(shù)，采用噴涂FBE和自動(dòng)噴砂等工藝，使涂層材料更容易黏附在金屬基體上，減少涂層里殘余的孔隙通道，保證施工質(zhì)量也增強(qiáng)防腐效果。

3)設(shè)定合理陰極保護(hù)的保護(hù)電流。管道底部由于缺氧，氯離子濃度較高，造成腐蝕傾向加重。管道發(fā)生嚴(yán)重的點(diǎn)蝕現(xiàn)象，說明局部區(qū)域陰極保護(hù)的電流密度不夠，應(yīng)根據(jù)實(shí)際海域及管道輸送物流情況增加犧牲陽極數(shù)量?？紤]到施工時(shí)容易碰斷陽極導(dǎo)線，應(yīng)改進(jìn)陽極導(dǎo)線與管體連接形式，采用穩(wěn)固牢靠的導(dǎo)線，保證犧牲陽極起到應(yīng)有的作用。

4)加強(qiáng)施工管理。加強(qiáng)施工制度管理，每個(gè)環(huán)節(jié)都得達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，提高管道及附屬件的產(chǎn)品質(zhì)量，并對施工的質(zhì)量嚴(yán)格把控。