胡 康 王 營

中國石油化工股份有限公司西北油田分公司油氣運銷部, 新疆 輪臺 841600

0 前言

對于埋地油氣管道,陰極保護是重要的腐蝕防護措施之一,一般采用外防腐層和陰極保護聯(lián)合防護的方式[1]。從安全角度出發(fā),在管線設(shè)計初期,需要對套管進行防腐設(shè)計[2]。目前國際上將防腐層質(zhì)量視為一個整體進行評估[3],滕延平等[4]根據(jù)NACE TM 0102-2002地下管線覆蓋層電導(dǎo)率的測定提出了用防腐層歸一化比電導(dǎo)率評估方法。

國內(nèi)的輸油及輸氣管線在施工過程中,一般會在管線的“三穿”(公路、鐵路、河流穿越)[5]及設(shè)有固定支墩的關(guān)鍵位置采用金屬套管對管線進行保護[6]。但是由于不同階段的施工不同,套管的連接方式也不盡相同,常見的連接方式包括電焊連接、絕緣板連接、兩端密封連接[7-8]。針對施加了陰極保護的管線,套管的連接方式及防腐處理方式會對陰極保護系統(tǒng)帶來一定影響。通過對油田中套管內(nèi)的管線進行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)多處套管內(nèi)的管線存在不同程度的腐蝕,個別管線出現(xiàn)了腐蝕穿孔的現(xiàn)象。通過分析套管對陰極保護電流產(chǎn)生屏蔽的原因,提出合理的解決方案,為其他管段的套管腐蝕治理提供參考。

1 套管對電流產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)

埋地油氣管道的地下環(huán)境一般比較復(fù)雜[9],常用陰極保護的形式對管線上的腐蝕進行控制。陰極保護系統(tǒng)是由陰極、陽極、導(dǎo)通介質(zhì)、離子通路構(gòu)成的一個回路[10],在回路中電流的流動過程是不可控的,一般往電阻低的方向流動。對于含有套管的管段,該處的電阻發(fā)生了變化,保護電流的路徑或分布發(fā)生改變,從而產(chǎn)生一定的屏蔽作用[11]。套管對管道的電流屏蔽情況主要分為斷路屏蔽、耦合屏蔽和短路屏蔽[12]。

1.1 斷路屏蔽

斷路屏蔽就是套管與管道表面之間的電阻足夠大,可認為是斷路狀態(tài),陰極保護電流優(yōu)先對套管的外表面進行保護，由于套管與被保護管道之間處于斷路狀態(tài)，所以保護電流無法順利到達被保護管道的表面。

1.2 耦合屏蔽

對套管與管道之間的腔體進行電位測量,發(fā)現(xiàn)腔體內(nèi)與管道上均能測到電位,但是腔體內(nèi)電位不穩(wěn)定,這種情況往往被認為是耦合作用使得套管與管道的環(huán)形腔體內(nèi)產(chǎn)生電流的流動路徑。

1.3 短路屏蔽

短路屏蔽指套管與管道之間通過填充低電阻導(dǎo)電介質(zhì)的形式使得兩者導(dǎo)通,套管上的電流可以通過介質(zhì)傳遞到管道表面,使得管道表面能有一定的電位保護。若有水或土壤等電解質(zhì)的存在,管道極易發(fā)生電化學(xué)腐蝕[13]。

2 常見腐蝕案例及分析

2.1 案例一

某油田重油一線于2003年投產(chǎn),由于早期國標(biāo)中對管道腐蝕泄漏的要求較低,給管道安全運行埋下隱患。近年來隨著管道使用年限的增長,管道發(fā)生泄漏事故的頻率越來越高。2018年3月30日,該重油管線在一號中間站發(fā)生了管道穿孔泄漏事故,泄露情況見圖1,事故發(fā)生時管線上陰極保護曲線見圖2。

圖1 管道泄漏點照片F(xiàn)ig.1 Photo of leakage point of pipeline

圖2 某油田重油管線某段通、斷電電位曲線圖Fig.2 Diagram of on and off potential curve of a section of heavy oil pipeline in an oilfield

2.1.1 原因分析

對于該事故管道,由于套管和管道之間未填充任何物質(zhì),輔助陽極的電流可以流到套管上,但不能穿透空氣到達管道上,因而陰極保護被屏蔽,起不到保護管道的作用。與此同時,由于管道端部沒有采用任何密封方式,地下水或其他電解液聚結(jié)到管道外壁會在管道外壁上形成微小原電池,加速管道外壁的局部腐蝕,造成管道穿孔泄漏事故發(fā)生。

圖3～4中綠色的腐蝕點即電解液聚集處,該處會形成原電池,造成管道外壁腐蝕。

圖3 現(xiàn)場陰極保護示意圖Fig.3 Schematic diagram of field cathodic protection

圖4 管道外壁局部腐蝕橫截面圖Fig.4 Local corrosion cross section of pipeline

2.1.2 整改措施

按照最新國標(biāo)[14]的要求,考慮整改方向如下。

1)向?qū)щ娞坠軆?nèi)注入可固電解質(zhì)[15],比如泥漿等,不宜注入水,因為水容易在旱季干涸。

2)向套管內(nèi)注入絕緣且氣密性良好的物質(zhì)[10，16],如瀝青膠、明膠等。可以將管線與外界絕緣如圖5所示,使得管道外壁不發(fā)生電化學(xué)腐蝕的同時,陰極保護也不起作用,此種方法必須要做好端面密封工作。

圖5 套管解決方式示意圖Fig.5 Schematic diagram of casing solution

2.2 案例二

某油田某條凝析油管線于2003年投產(chǎn)使用,管線采用外加強制電流形式對該管線進行腐蝕保護,但是由于當(dāng)初施工等原因,套管與管線直接連接。由于此處對防腐層的施工難度較大,該位置的腐蝕情況較為嚴重，見圖6,該管線的陰極保護曲線見圖7。

圖6 現(xiàn)場固定支墩腐蝕情況照片F(xiàn)ig.6 Photo of corrosion of fixed buttresses on site

圖7 某油田凝析油某段通、斷電電位曲線圖Fig.7 On-off potential curve of a section of condensate

2.2.1 原因分析

2.2.1.1 電位分布不均勻

固定支墩滿足了防止管道應(yīng)力變形的要求,與此同時也增大了發(fā)生腐蝕穿孔的風(fēng)險。研究表明,綿延數(shù)里的管道在含氧量不同的介質(zhì)中引起的管道沿線周圍電位分布不均勻[17],在土壤中含氧量較多處電位偏高,在混凝土固定支墩內(nèi)部的管道電位偏低,形成宏觀腐蝕電池,增大管道腐蝕幾率。從微觀考慮,當(dāng)固定支墩處于干濕交替的區(qū)域,混凝土中毛細孔吸水、失水交替進行,使內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)與管道的自腐蝕速度加快,腐蝕程度加深。

2.2.1.2 應(yīng)力集中

管道高溫高壓運行,固定支墩產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象[18]，主要表現(xiàn)在輸送介質(zhì)工作壓力對管道產(chǎn)生徑向壓力、熱脹冷縮變形產(chǎn)生的溫差應(yīng)力、流動介質(zhì)沖刷管段產(chǎn)生的應(yīng)力等的共同作用,進一步加劇了腐蝕的發(fā)生。2012年在對一聯(lián)聯(lián)絡(luò)管道防腐層缺陷點進行修復(fù)時發(fā)現(xiàn),全線12處的固定支墩內(nèi)部防腐層已經(jīng)損壞漏電,占全線17處缺陷點的71%。

2.2.1.3 服役時間長

某聯(lián)絡(luò)管線隨著服役時間的增長,腐蝕穿孔頻率隨之增長。自2003年10月投產(chǎn),聯(lián)絡(luò)管線共發(fā)生3次腐蝕,腐蝕時間為2010年10月、2013年10月、2014年1月,腐蝕面均位于管道順流1-4點鐘方向,最大孔徑約10 mm,孔洞周圍存在200 cm2的不均勻坑蝕。

2.2.1.4 施工質(zhì)量

固定支墩的抗?jié)B能力難以保證,同時受施工環(huán)境、溫度及稀釋劑含量的影響使得防腐層的質(zhì)量得不到很好的保障[19]。針對老舊固定支墩的套管與管線的處理往往直接進行焊接,套管兩端的密封性得不到保證,此處發(fā)生管線腐蝕的風(fēng)險較高。

2.2.2 整改措施

1)導(dǎo)電套管的兩端進行絕緣密封,向套管內(nèi)注入絕緣物質(zhì),并做好固定支墩處的防腐工作,同時采用犧牲陽極的保護形式進行薄弱點加強保護。

2)采用非導(dǎo)電套管,套管內(nèi)安裝鐲式局部犧牲陽極的方式進行保護,保證犧牲陽極與管線不接觸,犧牲陽極不受力,同時做好套管兩端絕緣防腐工作。

3)施工期間嚴格按照要求進行養(yǎng)護,混凝土骨料要事先進行清洗,避免將含氯離子的泥土帶入混凝土材料中[20-21]。同時固定支墩內(nèi)的鋼筋采用鍍層鋼筋或涂層鋼筋。

3 結(jié)論

1)針對絕緣肋板形式,要保證套管與管線的絕緣性使腐蝕的介質(zhì)不能進入,端口處具有良好的密封性,或套管與管線導(dǎo)通,使得陰極保護電流能夠通過導(dǎo)電介質(zhì)傳遞到管線表面，從而達到保護效果。

2)要切實改善固定支墩處的腐蝕情況,首先要在施工期間嚴格把控施工質(zhì)量,同時采用各種防護手段,并不斷加強對新技術(shù)、新材料的開發(fā)使用。