朱帥帥 曲本文 朱作峰
(青島雙瑞海洋環(huán)境工程股份有限公司,山東 青島 266101)
某石化廠(chǎng)區(qū)二期于2017年投入使用,地下鋼結(jié)構(gòu)物主要包括地下循環(huán)水管線(xiàn)(CWS/CWR)、消防水管線(xiàn)(FW)及生產(chǎn)給水(PW1)管線(xiàn)等,廠(chǎng)區(qū)內(nèi)所有埋地金屬結(jié)構(gòu)物沒(méi)有進(jìn)行陰極保護(hù),并且廠(chǎng)區(qū)內(nèi)所有管線(xiàn)沒(méi)有設(shè)置絕緣法蘭或絕緣接頭,廠(chǎng)區(qū)內(nèi)接地網(wǎng)與設(shè)備直接連通。基于同類(lèi)項(xiàng)目及本廠(chǎng)區(qū)一期的項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn),為了保證煉化廠(chǎng)區(qū)管網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行安全,對(duì)廠(chǎng)區(qū)土壤腐蝕性進(jìn)行評(píng)估,通過(guò)雜散電流排查、自然電位測(cè)量以及饋電實(shí)驗(yàn)來(lái)分析廠(chǎng)區(qū)地下復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)物的腐蝕情況。
1.1.1 測(cè)量方法
根據(jù)GB/T 21246-2020《埋地鋼制管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法》[2],采用等間距法進(jìn)行土壤電阻率實(shí)測(cè)。在整個(gè)廠(chǎng)區(qū)內(nèi)選取42個(gè)點(diǎn)進(jìn)行土壤電阻率測(cè)量,范圍涵蓋整個(gè)廠(chǎng)區(qū),測(cè)量點(diǎn)幾乎均勻分布。
1.1.2 土壤檢測(cè)
影響土壤腐蝕性因素較多,考慮到本項(xiàng)目特點(diǎn)及各影響因素的權(quán)重,主要對(duì)以下項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)量。
取樣分析對(duì)象為三口試驗(yàn)井處的土壤環(huán)境,每處選取2個(gè)不同深度(地表及地下1.5m深度)的2個(gè)土樣。具體土壤檢測(cè)結(jié)果如表4所示。
測(cè)量方法及依據(jù)
按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21246-2020《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法》進(jìn)行電位測(cè)量。測(cè)量時(shí)將硫酸銅參比電極放置在管道上方地表的潮濕土壤上,應(yīng)保證硫酸銅參比電極底部與土壤接觸良好,萬(wàn)用表調(diào)至直流電壓檔,萬(wàn)用表的紅標(biāo)筆接被測(cè)管道,黑表筆接參比電極,讀取數(shù)據(jù),做好自然電位記錄。
基于上述測(cè)量方法,對(duì)廠(chǎng)區(qū)內(nèi)進(jìn)行自然電位測(cè)量,共測(cè)量288處,測(cè)量范圍涵蓋整個(gè)廠(chǎng)區(qū),測(cè)量點(diǎn)幾乎均勻分布。
1.3.1 檢測(cè)方法
根據(jù)前期對(duì)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況考察,確定采用IPL進(jìn)行廠(chǎng)區(qū)內(nèi)雜散電流排查。
1.3.2 檢測(cè)時(shí)間及位置選定
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)了解及觀(guān)察,廠(chǎng)區(qū)內(nèi)所有的埋地鋼制結(jié)構(gòu)及設(shè)備都沒(méi)有施加陰極保護(hù)系統(tǒng),并且廠(chǎng)區(qū)附近也沒(méi)有電氣化鐵路,存在幾處變壓站,初步分析存在干擾影響的程度比較弱。
廠(chǎng)區(qū)內(nèi)各種設(shè)施一直穩(wěn)定運(yùn)行,環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定,沒(méi)有突然外部因素的影響,測(cè)試時(shí)間定在白天工作時(shí)間即可。重點(diǎn)對(duì)廠(chǎng)區(qū)內(nèi)變電站附近的管線(xiàn)(7處)進(jìn)行測(cè)試。
試驗(yàn)方法
饋電實(shí)驗(yàn)一般選擇在管線(xiàn)條件較為復(fù)雜的地段[3]。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,共選取3處作為饋電實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)電源選擇使用50V/50A恒電位儀,輔助陽(yáng)極選擇混合金屬氧化物陽(yáng)極(MMO),陽(yáng)極地床采用深井式陽(yáng)極地床。
表1 檢測(cè)項(xiàng)目、方法及主要儀器
在不通電的自然狀態(tài)下,采用數(shù)字萬(wàn)用表和參比電極對(duì)饋電實(shí)驗(yàn)周邊鋼制結(jié)構(gòu)物進(jìn)行自然電位測(cè)量,以便和通電后的鋼制結(jié)構(gòu)物的極化電位對(duì)比。
在通電狀態(tài)下采用上述方法測(cè)量鋼制結(jié)構(gòu)物在通電后的極化電位,通過(guò)對(duì)試驗(yàn)區(qū)范圍內(nèi)測(cè)試點(diǎn)電位的測(cè)量,判斷陰極保護(hù)的范圍。
結(jié)合實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)可以看出,表層土壤(1.5m深度)的電阻率普遍較大,電阻率大部分32~113Ω.m之間;當(dāng)深度達(dá)到5m時(shí),電阻率大部分在6~81.7Ω.m之間;深度為10m時(shí),電阻率最小,大部分范圍在1.9~59.7Ω.m之間。
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 1554-2016 接地網(wǎng)土壤腐蝕性評(píng)價(jià)導(dǎo)則[4],對(duì)于一般地區(qū)的土壤,土壤腐蝕性可根據(jù)土壤電阻率進(jìn)行判定,土壤電阻率與土壤腐蝕性的關(guān)系如表2所示。
表2 土壤電阻率與土壤腐蝕性的關(guān)系
結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)42個(gè)測(cè)試點(diǎn),不同深度下的土壤電阻率分布如表3所示。
表3 不同深度下土壤電阻率的分布
由表3 可以看出,在淺層土壤深度(3 m 之內(nèi)),土壤的電阻率集中在20~100Ω.m之間,土壤腐蝕性屬于中弱程度;在土壤深度為5m的土層中,大部分土壤腐蝕性屬于中強(qiáng)程度;在深度為10m的土層中,絕大多數(shù)的土壤腐蝕性屬于強(qiáng)腐蝕性。
鋼結(jié)構(gòu)在土壤環(huán)境中腐蝕性按照GB50021-2004《巖土工程勘察規(guī)范》[5]進(jìn)行評(píng)判,評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)如表5所示。
表4 土壤檢測(cè)結(jié)果
表5 鋼結(jié)構(gòu)在土壤環(huán)境中的腐蝕性
結(jié)合土壤電阻率測(cè)量結(jié)果以及土壤分析,中海殼牌廠(chǎng)區(qū)內(nèi)土壤腐蝕性強(qiáng)。
廠(chǎng)區(qū)內(nèi)的埋地管道外防腐措施采用環(huán)氧煤瀝青涂料與防腐冷纏帶相結(jié)合的方式進(jìn)行,廠(chǎng)區(qū)的不同管道之間沒(méi)有進(jìn)行絕緣法蘭或者絕緣接頭進(jìn)行電絕緣,同時(shí)整體廠(chǎng)區(qū)的接地系統(tǒng)采用鍍鋅扁鋼與鍍鋅角鋼的方式進(jìn)行,而且接地系統(tǒng)與管道系統(tǒng)沒(méi)有進(jìn)行電絕緣。
對(duì)廠(chǎng)區(qū)288處管道進(jìn)行了自然電位測(cè)量,其中169處管道的自然電位在-0.40~-0.65V之間,占總測(cè)量數(shù)量的58.7%,有119處自然電位負(fù)于-0.65V,占總測(cè)量數(shù)量的41.3%。其中自然電位<-0.55V的占總測(cè)量數(shù)量的93%。
通常情況下帶防腐涂層鋼質(zhì)管道在土壤環(huán)境中的自然電位處于-0.40~-0.65V之間。
通過(guò)管道自然電位測(cè)量可知,大部分的埋地管道處于自腐蝕狀態(tài),管道面臨土壤以及外部環(huán)境帶來(lái)的腐蝕影響,需要盡快對(duì)管道進(jìn)行陰極保護(hù)補(bǔ)救。
測(cè)量數(shù)據(jù)顯示,有93%的埋地管道的自然電位負(fù)于-0.55V,管道的自然電位負(fù)于-0.55V。這表明:
管道周?chē)耐寥拉h(huán)境腐蝕性較強(qiáng),但管道可能得到了一定程度的陰極保護(hù)。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的主要原因是廠(chǎng)區(qū)內(nèi)部采用鍍鋅扁鋼/角鋼的接地系統(tǒng),這些接地系統(tǒng)與管道直接相連時(shí),外部的鍍鋅層會(huì)起到一定作用的鋅合金犧牲陽(yáng)極保護(hù)效果。
根據(jù)GB/T 21447-2018《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》[6],處于直流電氣化鐵路、陰極保護(hù)系統(tǒng)及其他直流干擾源附近的管道,其任一點(diǎn)上的管地電位較該點(diǎn)的自然電位正向偏移20mV或管道臨近土壤中直流電位梯度大于0.5mV/m時(shí),可認(rèn)為管道存在直流干擾。
檢測(cè)結(jié)果
針對(duì)每個(gè)選定的測(cè)試點(diǎn),進(jìn)行一定時(shí)間的雜散電流干擾測(cè)試,具體的測(cè)試結(jié)果如圖1(由于全部7處的電位變化范圍都很小,選取有代表性的一處):
圖1 干擾源測(cè)試電位記錄圖
受干擾程度的判斷指標(biāo)按照表6進(jìn)行判斷。
表6 直流干擾程度的判斷標(biāo)準(zhǔn)
通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看到,所測(cè)試的管道電位變化很小,變化值都在20mV以?xún)?nèi),證明廠(chǎng)區(qū)內(nèi)管道幾乎不受雜散電流干擾。
根據(jù)GB/T 21448-2017《埋地鋼質(zhì)陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》[7]判斷,碳鋼管道在一般土壤和水環(huán)境下電位達(dá)到-850mV就說(shuō)明管道得到了有效的保護(hù)。通過(guò)饋電實(shí)驗(yàn)可以得知,埋地管道在施加外加電流陰極保護(hù)的情況下可以得到有效的保護(hù),但是受保護(hù)的范圍并不是很大。1#實(shí)驗(yàn)井在目前的條件下保護(hù)范圍約為50m;2#實(shí)驗(yàn)井在目前的條件下保護(hù)范圍約為60m;3#實(shí)驗(yàn)井在目前條件下保護(hù)范圍約為20m。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果
造成保護(hù)范圍偏小的原因可能是因?yàn)槌龖?yīng)接受陰極保護(hù)的埋地管道,其他地下結(jié)構(gòu)物(儲(chǔ)罐底板、信號(hào)塔及框架接地等)也吸收了大量的電流,電位負(fù)方向偏移,這造成保護(hù)范圍的偏小。
通過(guò)廠(chǎng)區(qū)的地下復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)物腐蝕調(diào)查:
(1)廠(chǎng)區(qū)內(nèi)土壤電阻率較低,土壤腐蝕性強(qiáng);
(2)大部分金屬結(jié)構(gòu)處于自腐蝕狀態(tài),同時(shí)埋地管道防腐層的壽命較短,需要對(duì)全場(chǎng)埋地管網(wǎng)進(jìn)行陰極保護(hù)補(bǔ)救,以避免埋地管道因外部腐蝕造成穿孔失效問(wèn)題;
(3)經(jīng)測(cè)試管道電位變化極小,埋地管道無(wú)直流和交流干擾;
(4)通過(guò)饋電試驗(yàn)結(jié)果可知,需要對(duì)廠(chǎng)區(qū)內(nèi)管道之間、設(shè)備與接地網(wǎng)之間進(jìn)行電絕緣處理,為后續(xù)陰極保護(hù)的成功運(yùn)行提供保證。
表7 饋電實(shí)驗(yàn)記錄表