肖 勇

(中國(guó)石化廣州分公司,廣州 510000)

珠三角地區(qū)某陸地原油管道總長(zhǎng)約163 km，管道直徑φ610 mm，管道原防腐蝕層為環(huán)氧煤瀝青。該管線工程于1997年竣工投用。目前管線年輸量約1 300萬(wàn)t/a，是珠三角地區(qū)重要的能源通道之一。

管線陰極保護(hù)測(cè)試樁沿線布置，約每千米1支，全線共計(jì)169支。其中:A段27支測(cè)試樁；B段56支測(cè)試樁；C段36支測(cè)試樁；D段39支測(cè)試樁；E段11支測(cè)試樁。

隨著埋地時(shí)間的延長(zhǎng)以及環(huán)境條件的變化，土壤的腐蝕性增強(qiáng)，管線會(huì)面臨越來(lái)越嚴(yán)重的腐蝕威脅。同時(shí)，近年來(lái)珠三角地區(qū)油品消耗增加，該輸油管道的運(yùn)行壓力長(zhǎng)期較高，這對(duì)管道的安全運(yùn)行提出了更高的要求[1]。由此，確保該輸油管道全線的陰極保護(hù)處于有效狀態(tài)成為了該管道完整性管理工作的重中之重。管道原陰極保護(hù)方式為沿線以100～500 m間隔安裝鋅/鎂陽(yáng)極，管道運(yùn)行接近20 a時(shí)，檢測(cè)評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)防腐蝕層出現(xiàn)嚴(yán)重老化，管道沿線陰極保護(hù)效果逐年劣化。為確保管道的防腐蝕措施有效、保障管道的安全運(yùn)行，管理方?jīng)Q定在該管道上追加外加電流陰極保護(hù)站，采用外加電流和犧牲陽(yáng)極聯(lián)合陰極保護(hù)。

本工作介紹了管道外檢測(cè)評(píng)價(jià)中的保護(hù)電位數(shù)據(jù)以及防腐蝕層絕緣性的變化，結(jié)合饋電試驗(yàn)確定了外加電流陰極保護(hù)站的輸出選型以及最優(yōu)安裝位置。以期為犧牲陽(yáng)極保護(hù)管道的外加電流陰極保護(hù)改造提供借鑒。

1 犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的效果

防腐蝕層與陰極保護(hù)技術(shù)聯(lián)合應(yīng)用，是目前公認(rèn)行之有效的防腐蝕措施。陰極保護(hù)方法有兩類：犧牲陽(yáng)極法和外加電流法[2-3]。兩者皆通過(guò)為被保護(hù)結(jié)構(gòu)物提供直流電流對(duì)被保護(hù)結(jié)構(gòu)物進(jìn)行極化，從而實(shí)現(xiàn)抑制腐蝕的目的[4-5]。

外加電流方法須使用外部直流電源，將電源負(fù)極與被保護(hù)結(jié)構(gòu)物相連，電源正極與輔助陽(yáng)極相連。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以輸出較大電流且電流可調(diào)，受電解質(zhì)電阻率限制影響小等[2]。犧牲陽(yáng)極法是采用鎂、鋅、鋁等電位較負(fù)的合金材料與被保護(hù)結(jié)構(gòu)物連接在一起，依靠陽(yáng)極消耗溶解產(chǎn)生的電流使被保護(hù)結(jié)構(gòu)物表面產(chǎn)生極化[2]。犧牲陽(yáng)極法的缺點(diǎn)在于提供的保護(hù)電流較小、受電解質(zhì)電阻率影響較大，且易于消耗殆盡無(wú)法繼續(xù)提供保護(hù)。

兩種陰極保護(hù)方法聯(lián)合應(yīng)用可以解決單一犧牲陽(yáng)極保護(hù)法的陰極保護(hù)有效性下降問(wèn)題，該方法在業(yè)界已經(jīng)有了成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)[6-10]。

本工作研究的輸油管道沿線地形復(fù)雜，山勢(shì)峻峭，河流縱橫，地質(zhì)情況變化較多，管道采用的環(huán)氧煤瀝青防腐蝕層耐久性較差。隨著應(yīng)用年限增加，防腐蝕層的老化情況日益嚴(yán)重。管道管理方于2006年組織開(kāi)展了管道外防腐蝕檢測(cè)評(píng)價(jià)工作，采用交流電位梯度法對(duì)防腐蝕層破損點(diǎn)進(jìn)行了檢測(cè)定位，共發(fā)現(xiàn)防腐蝕層破損點(diǎn)365個(gè)。其中,嚴(yán)重破損點(diǎn)17個(gè)，中度破損點(diǎn)108個(gè)，輕微破損點(diǎn)240個(gè)。2010年，通過(guò)智能內(nèi)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)管道外部出現(xiàn)數(shù)千個(gè)金屬損失點(diǎn)，結(jié)合后期陰保電位檢測(cè)工作發(fā)現(xiàn)，腐蝕深度較大的缺陷多位于陰保效果較差的管段。

管道自投運(yùn)起至2014年，采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)方式，沿線以100～500 m間隔布置鋅或鎂合金陽(yáng)極。管道在運(yùn)行初期一直采用通電電位法來(lái)評(píng)價(jià)陰保效果，當(dāng)時(shí)認(rèn)為通電電位為-0.85～-1.30 V(相對(duì)于銅硫酸銅參比電極，CSE)時(shí)，管道處于最佳保護(hù)狀態(tài)。管道沿線犧牲陽(yáng)極有一部分通過(guò)測(cè)試樁連接管道，大多數(shù)采用埋地電纜直連的方式連接管道，這給后期的檢測(cè)和評(píng)價(jià)工作帶來(lái)了困難。表1所示為在犧牲陽(yáng)極測(cè)試樁處測(cè)得的犧牲陽(yáng)極的開(kāi)路電位。

表1 犧牲陽(yáng)極的開(kāi)路電位Tab. 1 Open circuit potentials of sacrificial anodes

因?yàn)闊o(wú)法斷開(kāi)所有犧牲陽(yáng)極與管道的連接，所以過(guò)去通常采用通電電位法評(píng)價(jià)管道的陰保效果。圖1為2006年檢測(cè)評(píng)價(jià)工作中獲得的管道沿線通電電位分布情況。

圖1 犧牲陽(yáng)極作用下管道沿線的通電電位(2006年)Fig. 1 On-potentials along the pipeline under the action of sacrificial anode (2006)

基于現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21448-2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》 ，可采用極化電位來(lái)判斷管道的陰保效果。鑒于管道上連接的犧牲陽(yáng)極無(wú)法全部斷開(kāi)，所以目前該管道利用極化試片法評(píng)價(jià)陰極保護(hù)的有效性。采用極化試片測(cè)量時(shí)，將試片埋設(shè)于管道服役環(huán)境中，試片與管道中心線的水平距離為0.1～0.5 m。根據(jù)SY/T 0029-2012《埋地鋼質(zhì)檢查片應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中關(guān)于“陰極保護(hù)電位檢查片”的技術(shù)要求，同時(shí)考慮管道服役時(shí)間較長(zhǎng)且防腐蝕層日益嚴(yán)重老化等情況，選擇10 cm2圓柱形試片。將試片測(cè)試線與管道測(cè)試線相連，極化一定時(shí)間后，將試片與管道斷開(kāi)，即可測(cè)得試片的瞬間斷開(kāi)電位，用該電位來(lái)評(píng)價(jià)管道的陰保效果。試片的連接方式見(jiàn)圖2。

圖2 極化試片與管道的連接方式Fig. 2 Connection method of polarization test piece and pipe

基于上述極化試片法，管道管理方于2013年開(kāi)展了管道全線陰極保護(hù)效果的評(píng)價(jià)工作。在管道沿線共埋設(shè)了148片試片，采集了所有極化試片(共148片)的通電電位和瞬間斷開(kāi)電位，電位的分布情況見(jiàn)圖3。這次評(píng)價(jià)工作統(tǒng)一采用-850 mV極化電位準(zhǔn)則，結(jié)果表明，共有84處未達(dá)標(biāo)，占比為57%。

圖3 極化試片的通電電位與瞬間斷開(kāi)電位(2013年)Fig. 3 On-potentials and instantaneous disconnection potentials of the polarization test pieces (2013)

此外，在檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)靠近5號(hào)站的管段受到一定程度的動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾，疑似受到廣州地鐵干擾。由圖4可見(jiàn)：該管段的通電電位存在明顯的動(dòng)態(tài)波動(dòng)。

圖4 受動(dòng)態(tài)直流干擾管段的通電電位波動(dòng)情況(2013年)Fig. 4 Fluctuations of on-potentials of the pipe section subject to dynamic DC interference (2013)

2 外防腐蝕層性能評(píng)價(jià)

GB/T 19285-2014《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)提出了埋地鋼質(zhì)管道外防腐蝕層的分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)。外防腐蝕層狀況的非開(kāi)挖檢測(cè)評(píng)價(jià)可采用外防腐蝕層電阻率、電流衰減率(Y值)、破損點(diǎn)密度等不開(kāi)挖檢測(cè)指標(biāo)進(jìn)行分析。其中，電流衰減率的評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 電流衰減率Y值(dB/m)的分級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)Tab. 2 Graded evaluation index of current attenuation rate Y (dB/m)

采用管中交流電流衰減法可以對(duì)管中電流衰減情況、電流衰減因子進(jìn)行判斷和計(jì)算。該方法適用于除鋼套管、鋼絲網(wǎng)加強(qiáng)的混凝土配重層(套管)外，遠(yuǎn)離高壓交流輸電線地區(qū)，任何交變磁場(chǎng)能穿透的覆蓋層下的管道外防腐蝕層質(zhì)量檢測(cè)。對(duì)埋地管道的埋深、位置、分支、外部金屬構(gòu)筑物、防腐蝕層缺陷等都能給出準(zhǔn)確信息；根據(jù)電流衰減的斜率，可以定性確定各段管道防腐蝕層質(zhì)量的差異，為更準(zhǔn)確的防腐蝕層破損點(diǎn)查尋提供基礎(chǔ)。

在檢測(cè)中,發(fā)射機(jī)通過(guò)測(cè)試樁向管道施加電流信號(hào)，然后使用接收機(jī)沿線探測(cè)管中電流信號(hào)。管中電流強(qiáng)度從信號(hào)饋入點(diǎn)開(kāi)始隨距離的增大而減小。衰減率與管線防腐蝕層狀況、土壤電阻率等因素有關(guān)。檢測(cè)電流信號(hào)在管道“故障點(diǎn)”處出現(xiàn)迅速下降。故障點(diǎn)可能是管道防腐蝕層損壞或管道與其他金屬設(shè)施搭接。

接收機(jī)以amps/mA或dBmA值顯示電流。

根據(jù)測(cè)得管道電流，利用式(1)計(jì)算出IdB和Y值。

Y=IdB/△X

(1)

式中：Y為單位距離管道中電流變化率；△X為檢測(cè)管道電流兩點(diǎn)間的距離；IdB為經(jīng)對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換后得到以分貝(dB)表示的電流值。

轉(zhuǎn)換的關(guān)系為：

IdB=20×|lg(I1/I2)|

(2)

式中：I1和I2分別為相鄰2個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)電流。

在防腐蝕層缺陷處，電流會(huì)通過(guò)破損點(diǎn)流向大地，故防腐蝕層破損點(diǎn)處電流衰減率(Y值)會(huì)突然增大，從電流衰減率與距離的曲線圖上該點(diǎn)Y值會(huì)突然增大，由此可判定管道防腐蝕層異常的位置，根據(jù)電流衰減率變化可以分析管道防腐蝕層平均質(zhì)量的優(yōu)劣。

本工作中的輸油管道沿線密布犧牲陽(yáng)極，且多為地下直連無(wú)法斷開(kāi)，所以具備進(jìn)行管中電流衰減測(cè)試的管段較少。在對(duì)犧牲陽(yáng)極檢測(cè)定位并臨時(shí)摘除了陽(yáng)極后，對(duì)5處管段進(jìn)行了防腐蝕層性能測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 管段防腐蝕層的性能評(píng)價(jià)結(jié)果Tab. 3 Performance evaluation results of anti-corrosion layer of pipe section

GB/T 19285-2014標(biāo)準(zhǔn)未列出環(huán)氧煤瀝青防腐蝕層，故本工作借鑒瀝青防腐蝕層且選用管徑接近的660 mm管道的指標(biāo)進(jìn)行了防腐蝕層的評(píng)價(jià)。從表3可見(jiàn)：換管段采用3LPE防腐蝕層，評(píng)級(jí)為1級(jí)(優(yōu)異)；其他幾處原防腐層管段的評(píng)級(jí)都為4級(jí)，即性能嚴(yán)重劣化。

3 外加電流陰極保護(hù)改造

基于管道沿線極化試片電位以及防腐蝕層性能評(píng)價(jià)結(jié)果，可以判定管道的防腐蝕層絕緣性能下降嚴(yán)重，管道的陰極保護(hù)效果難以達(dá)標(biāo)。為有效抑制外腐蝕的發(fā)生、確保管道的安全運(yùn)行，有必要對(duì)管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行增強(qiáng)。鑒于管道沿線多數(shù)犧牲陽(yáng)極無(wú)法開(kāi)挖更換，經(jīng)饋電試驗(yàn)確定追加外加電流陰極保護(hù)的增強(qiáng)方案，并于2014年在2，3，4，5號(hào)站進(jìn)行四處外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的安裝和調(diào)試投運(yùn)工作。

在實(shí)施外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的安裝工作前，對(duì)輸油管道沿線8處絕緣接頭進(jìn)行了絕緣性能測(cè)試。采用固定參比電極同時(shí)測(cè)量絕緣接頭兩側(cè)的電位，若電位存在明顯差異則確定絕緣法蘭的絕緣性能良好。由表4可見(jiàn)：8處絕緣接頭的絕緣性能均為良好。

表4 絕緣接頭的絕緣性能測(cè)試結(jié)果Tab. 4 Insulation performance test results of insulated joints

在四處陰極保護(hù)站安裝完畢后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試。四處新建陰極保護(hù)站的輸出情況見(jiàn)表5。由表5可見(jiàn)：受地質(zhì)情況影響，2，5號(hào)站陽(yáng)極地床的接地電阻較大。

表5 四處新建陰極保護(hù)站的輸出情況Tab. 5 Outputs of 4 newly built cathodic protection stations

在四處陰保站運(yùn)行1 a后，再次對(duì)管道進(jìn)行陰極保護(hù)有效性評(píng)價(jià)，并對(duì)外加電流陰極保護(hù)站投運(yùn)前后管道沿線的極化試片瞬間斷開(kāi)電位進(jìn)行了比較，見(jiàn)圖5。

圖5 實(shí)施外加電流陰極保護(hù)前后管道沿線的陰保電位Fig. 5 Cathodic protection potentials along the pipeline before and after the application of impressed current cathodic protection

由表6可見(jiàn)：在實(shí)施外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)前(2013年)，全線有44處斷電電位不達(dá)標(biāo)，達(dá)標(biāo)率為70.2%；外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)實(shí)施后， 2015年測(cè)得全線有8處斷電電位不達(dá)標(biāo)，達(dá)標(biāo)率為93.9%； 2017僅測(cè)得3處電位不達(dá)標(biāo)。施加外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)有效增強(qiáng)了管道的陰極保護(hù)效果，且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，管道極化效果越來(lái)越好，陰極保護(hù)電位也越來(lái)越負(fù)。

表6 全線測(cè)試樁處管道電位達(dá)標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果Tab. 6 Statistic results of the pipeline polentials reaching the standard at all test piles

從最近的斷電電位檢測(cè)數(shù)據(jù)(2020年)來(lái)看，該輸油管道沿線普遍受到日益嚴(yán)重的動(dòng)態(tài)直流干擾，沿線斷電電位均有波動(dòng)(圖6)，波動(dòng)最大值出現(xiàn)在D15號(hào)測(cè)試樁，斷電電位為-1.23～-0.26 V(圖7)。

圖6 2020年管道全線測(cè)試樁處的斷電電位Fig. 6 Power-off potentials at test piles along the pipeline in 2020

圖7 D15號(hào)測(cè)試樁位置的通電/斷電電位Fig. 7 Power-on/power-off potentials at the location of test pile D15

隨著大灣區(qū)建設(shè)的快速推進(jìn)，珠三角地區(qū)城市軌交系統(tǒng)建設(shè)必將進(jìn)一步提速，該輸油管道受到的外部直流雜散電流干擾也會(huì)日趨嚴(yán)重。此外，管道原有環(huán)氧煤瀝青防腐蝕層的絕緣性能仍持續(xù)下降，管道的陰極保護(hù)電流需求將持續(xù)增大。在犧牲陽(yáng)極和外加電流陰極保護(hù)聯(lián)合使用的情況下，該輸油管道的陰極保護(hù)基本可以達(dá)到有效，但是受外界直流干擾以及防腐蝕層老化和犧牲陽(yáng)極消耗的影響，保護(hù)效果必然受到持續(xù)的負(fù)面影響。

4 結(jié)論

本工作研究的輸油管道于1997年投入使用，原環(huán)氧煤瀝青防腐蝕層老化嚴(yán)重，建設(shè)時(shí)期安裝的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)在運(yùn)行多年后已經(jīng)無(wú)法對(duì)管道進(jìn)行有效保護(hù)。隨著原有犧牲陽(yáng)極的逐步消耗，陽(yáng)極電位發(fā)生正向偏移，犧牲陽(yáng)極的輸出電流逐步減少且有可能開(kāi)始吸收外加電流系統(tǒng)輸出的陰極保護(hù)電流，所以應(yīng)該密切關(guān)注犧牲陽(yáng)極的消耗情況。在條件允許的情況下，應(yīng)逐步開(kāi)挖原有犧牲陽(yáng)極，剔除已經(jīng)消耗殆盡的陽(yáng)極，將仍有效的陽(yáng)極通過(guò)新增的測(cè)試樁連接到管道，為后續(xù)的檢測(cè)、整改提供便利條件。

珠三角地區(qū)的軌道交通建設(shè)正處于爆發(fā)式發(fā)展階段，該輸油管道受到的動(dòng)態(tài)直流雜散電流干擾日趨嚴(yán)重。有必要對(duì)管道受干擾情況進(jìn)行定期檢測(cè)評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果及時(shí)增加排流緩解措施或調(diào)整陰極保護(hù)系統(tǒng)的輸出。

老舊管道的延壽問(wèn)題是國(guó)內(nèi)諸多油氣管道所面臨的一個(gè)課題。采用外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)管道原有的犧牲陽(yáng)極系統(tǒng)進(jìn)行增強(qiáng)，可以恢復(fù)管道陰極保護(hù)的有效性，為老舊管道的延壽使用提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。