王宏新

(北京安科腐蝕技術(shù)有限公司，北京 102209)

0 前 言

目前,長輸管道大多采用外加電流陰極保護[1-3],在穿越時一般會采用特殊的建設方式,如套管或者箱涵[4,5]。研究者對管道穿越套管時的保護效果開展了大量研究,結(jié)果表明鋼制套管的存在限制了套管內(nèi)主管道的陰極保護電位分布[6-8];相關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示,套管穿越位置發(fā)生過多起腐蝕失效案例[10,11];如2007年12月14日,套管內(nèi)主管道由于大氣腐蝕發(fā)生穿孔導致了哥倫比亞灣運輸公司的天然氣管線在德黑拉穿越時發(fā)生泄漏,造成1輛汽車損毀,1人死亡,1人燒傷;美國Department of Transportation對這種特殊腐蝕風險位置進行了調(diào)研,結(jié)果顯示:1984年8月7日至2006年11月8日期間,美國國內(nèi)管道在套管處發(fā)生11起安全事故[10];國內(nèi)也有類似案例出現(xiàn),如2003年7月1日,由大慶至大連輸油管線在穿越沈陽市102國道某路段時,管道在套管處發(fā)生腐蝕穿孔造成地面冒油。多起案例結(jié)果均表明套管位置管道腐蝕失效損失嚴重[11]。然而,箱涵與套管的結(jié)構(gòu)類似,箱涵指的是洞身以鋼筋混凝土箱形管節(jié)修建的涵洞,箱涵兩端利用麻絲或者磚砌等方式進行封堵,箱涵內(nèi)管道下部設置絕緣支撐或者墊細土進行敷設。考慮到現(xiàn)場條件和安裝施工等問題,箱涵內(nèi)會進入水分或者土壤。由此確定,箱涵段管道結(jié)構(gòu)決定了其內(nèi)部管道也會存在同樣的腐蝕風險,日常巡檢中難以對箱涵這種特殊的管段進行檢測,但是箱涵內(nèi)管道服役情況一直未受到與套管一樣的關(guān)注。為此,本工作通過在實驗室搭建管道穿越箱涵的試驗裝置,分別測試和對比管道與箱涵未短路和短路2種工況條件下,進箱涵、箱涵內(nèi)和箱涵外管道的陰極保護電位和腐蝕速率;同時采用仿真軟件對箱涵鋼筋在不同短路狀態(tài)下管道的保護電位進行仿真計算,并與試驗結(jié)果進行了對照分析,最終確定了箱涵內(nèi)管道的陰極保護電流屏蔽情況,為工程實際提供指導和參考。

1 研究方法

1.1 試驗設計

試驗裝置如圖1所示,由PS-12型陰極保護恒電位儀(4)、MMO陽極(6)、硫酸銅參比電極(5)和穿越箱涵(3)的管道(2)組成陰極保護系統(tǒng);1.0 m×0.6 m×0.5 m的箱涵位于定制的2.0 m×1.6 m×1.2 m木箱中央位置,木箱內(nèi)填滿土壤。需要說明的是,現(xiàn)場埋設的管道外表面有防腐涂層,僅為管道防腐層破損點位置提供陰極保護;為此,試驗采用與管道內(nèi)阻相當?shù)? cm2導線模擬帶防腐層的管道,分別在進箱涵位置、箱涵內(nèi)和出箱涵位置各連接6.5 cm2的試片模擬管道防腐層破損點,每個位置的試片平行樣為3個,每天測試不同位置試片的陰極保護電位,試驗結(jié)束后,取出試片進行腐蝕速率分析。此外,實驗室模擬試驗時,箱涵上表面設計為敞開狀,以便于測試試片的陰極保護電位。

圖1 管道穿越箱涵的試驗裝置示意Fig. 1 Experimental design drawing of pipeline crossing box culvert

模擬試驗分為箱涵與管道未短路和短路2種工況條件,箱涵與管道未短路時,恒電位儀預置電位為-1 100 mV(vs CSE,后面涉及的電位值均為vs CSE值)和-850 mV;箱涵與管道短路時,預置電位設置值為-1 100 mV;每組試驗周期均為15 d,具體試驗條件如表1。

表1 試驗條件Table 1 Experiment condition

1.2 陰極保護電位和腐蝕速率測試

根據(jù)GB/T 21246-2020“埋地鋼制管道陰極保護參數(shù)測量方法”[12]規(guī)定的管地電位測試方法,采用萬用表(型號為fluke289c)和硫酸銅參比電極進行陰極保護電位測試,萬用表正極連接管道試片,負極連接硫酸銅參比電極,每天測試并記錄進箱涵、箱涵內(nèi)和出箱涵位置的管道電位。為準確測試管道的斷電電位,測試期間,在陰極保護回路串聯(lián)同步斷路器,將同步斷路器設置為12 s通和3 s斷的通斷周期。

試驗結(jié)束后,取出試片,分別對試片進行物理清理和化學酸洗[13]。物理清理主要是將試片表面沉積的泥土進行清除。試片在水中浸泡10 min左右,用毛刷清除掉表面的土壤覆蓋層,觀察表面腐蝕產(chǎn)物顏色?；瘜W酸洗法是將物理清洗后的試片放入酸洗液中(500 mL 37%鹽酸,3.5 g六次甲基四胺,加蒸餾水配制成1 000 mL)進行酸洗,以清除掉表面的腐蝕產(chǎn)物,采用精確度0.1 mg的分析天平對試片稱重進行腐蝕速率分析,腐蝕速率計算公式為:

ν=8.76×107×(W1-W2)/ρST

(1)

式中,ν為腐蝕速率,mm/a;W1為試驗前的試片質(zhì)量,g;W2為試驗后試片除銹后的質(zhì)量,g;ρ為鐵的密度,kg/m3,T為試驗時間,h;S為試片面積,cm2;

1.3 仿真模型設計

箱涵陰極保護屏蔽模型的構(gòu)建主要包括箱涵、管道和陽極;各個幾何模型尺寸與實驗室模擬試驗一致,使用軟件BEASY GiD按照1∶1比例完整繪出幾何模型(如圖2)。同時繪出內(nèi)部介質(zhì)環(huán)境,最后對所有幾何模型進行網(wǎng)格劃分,形成計算模型文件。采用BEASY Solver模塊進行計算求解;計算完成后采用BEASY GiD后處理模塊查看電位分布云圖和陰極保護效果,同時利用Beasy CP的Results filter模塊對管道里程和陰極保護數(shù)據(jù)結(jié)果進行電位-里程處理。

圖2 仿真模型設計Fig. 2 Simulation model design drawing

2 結(jié)果與討論

2.1 箱涵與管道未短路時管道電位與腐蝕速率測試結(jié)果

圖3為箱涵與管道未短路,模擬正常陰極保護(恒電位儀預置電位-1 100 mV)和欠保護(恒電位儀預置電位-850 mV)進箱涵、箱涵內(nèi)和箱涵外不同時刻下試片的斷電電位。

圖3 箱涵與管道未短路時不同位置管道的電位Fig. 3 The potential of the pipe in different positions is not short circuit between the box culvert and the pipe

由圖3a可以看出,在同一時間下,與進箱涵和箱涵外陰極保護電位值相比,箱涵內(nèi)試片電位均正向偏移20～30 mV,但是在-1 100 mV的正常陰極保護電位條件下,不同位置試片均滿足-850 mV的保護準則。由圖3b可知,在恒電位值設置為-850 mV(模擬欠保護工況),箱涵內(nèi)試片電位仍比進箱涵和箱涵外正向偏移20～30 mV,此時,箱涵內(nèi)電位值正于-850 mV,不滿足最小陰極保護準則。箱涵與管道未短路時的陰極保護測試結(jié)果表明:(1)箱涵的鋼筋結(jié)構(gòu)會吸收少量陰極保護電流,導致箱涵內(nèi)管道電位正向偏移20～30 mV;(2)在箱涵與管道未短路條件下,為確保箱涵內(nèi)的主管道得到良好的陰極保護,需要合理的設置陰極保護恒電位儀的輸出電流。

試驗結(jié)束后,取出不同位置試片進行腐蝕速率分析,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,在正常陰極保護條件下,進箱涵、箱涵內(nèi)和箱涵外試片腐蝕速率分別為0.004 5,0.007 8,0.005 0 mm/a,均小于0.01 mm/a;欠保護條件下,進箱涵、箱涵內(nèi)和箱涵外試片腐蝕速率分別為0.009 0,0.016 8,0.010 0 mm/a,箱涵內(nèi)和箱涵外的腐蝕速率≥0.01 mm/a;腐蝕速率結(jié)果與圖3的陰極保護電位值相符。表明在箱涵與管道未短路工況時,可以采用提高陰極保護輸出電流的方式以控制箱涵內(nèi)試片的腐蝕速率在標準要求范圍內(nèi)。

圖4 箱涵與管道未短路時不同位置管道的腐蝕速率Fig. 4 The corrosion rate of the box culvert and pipe without short circuit

2.2 箱涵與管道短路時管道電位與腐蝕速率測試結(jié)果

圖5為箱涵的鋼筋結(jié)構(gòu)與管道短路,且恒電位儀預置電位為-1 100 mV的條件時,進箱涵、箱涵內(nèi)和箱涵外不同時間下試片的保護效果。從圖5可知,即使在恒電位儀預置電位為-1 100 mV的條件下,僅進箱涵試片電位達標,與其相比,箱涵內(nèi)和箱涵外電位均正于-850 mV,電位值大都處于-800～-840 mV之間,而試驗前測試的試片自腐蝕電位為-700 mV,即箱涵內(nèi)試片電位雖然可以發(fā)生陰極極化,但是電位值仍不滿足-850 mV的陰極保護準則;此時,提高陰極保護輸出電流,使恒電位儀預置電位調(diào)節(jié)至-1 300 mV;不同位置電位結(jié)果顯示,在提高陰極保護輸出電流后幾小時內(nèi),所有測試點的電位均負向偏移,隨著試驗時間的延長,箱涵內(nèi)和箱涵外的電位再次正向偏移,電位值可能越過-850 mV的臨界點而不再滿足陰極保護電位準則。由此可以確定,若箱涵與管道短路,箱涵的鋼筋結(jié)構(gòu)會吸收大量的陰極保護電流,導致箱涵內(nèi)及箱涵外管道的保護效果下降。

圖5 箱涵與管道短路不同位置的陰極保護電位Fig. 5 Box culvert and pipeline short circuit cathodic protection potential at different positions

圖6為箱涵與管道短路時,進箱涵、箱涵內(nèi)和出箱涵位置試片的腐蝕速率對比。

圖6 箱涵與管道短路腐蝕速率對比Fig. 6 Comparison of short circuit corrosion rate between box culvert and pipeline

由圖6可知,進箱涵、箱涵內(nèi)、出箱涵的腐蝕速率分別為0.006 7,0.014 3,0.012 3 mm/a;腐蝕速率測試結(jié)果與圖4的陰極保護電位結(jié)果對應,進箱涵陰極保護電位達標,腐蝕速率低于0.01 mm/a,箱涵內(nèi)和箱涵外陰極保護電位不達標,腐蝕速率大于0.01 mm/a。電位與腐蝕速率測試結(jié)果表明,若箱涵與管道短路,箱涵內(nèi)和箱涵外管道得不到良好的陰極保護效果,管道存在腐蝕風險。此時,需要通過提高陰極保護輸出電流,以降低管道的腐蝕風險。

2.3 仿真計算結(jié)果

箱涵與管道短路和未短路2種工況下仿真計算云圖和仿真計算結(jié)果分別如圖7和圖8所示。從圖7、圖8可知,2種計算工況與實驗室模擬試驗規(guī)律一致。在箱涵與管道未短路工況條件下,與箱涵外的管道電位相比,箱涵內(nèi)管道陰極保護電位正向偏移,但仍然滿足-850 mV的陰極保護指標,管道電位整體位于-1 042.0～-1 140.6 mV之間。在箱涵與管道短路工況下,僅靠近陽極周圍的進箱涵管道電位滿足陰極保護指標,箱涵內(nèi)和箱涵外的管道因箱涵的鋼筋屏蔽陰極保護電流,均不滿足-850 mV的保護準則。

圖7 不同工況仿真計算陰極保護單位云圖Fig. 7 Different working conditions simulation calculation cloud image

圖8 不同工況仿真計算數(shù)據(jù)Fig. 8 Simulation data of different working conditions

2.4 箱涵屏蔽分析

根據(jù)箱涵與管道未短路和短路2種工況下進箱涵、箱涵內(nèi)和箱涵外管道的陰極保護電位和腐蝕速率結(jié)果,對箱涵與主管道短路和未短路2種工況進行陰極保護電流屏蔽分析。

2.4.1 箱涵與主管道未短路

若箱涵與主管道未短路,外加陰極保護電流自陽極地床流入土壤后,繼續(xù)流入管道防腐層破損位置,進而回到陰極保護恒電位儀負極,主管道得到陰極保護電流(如圖9)。結(jié)合陰極保護電位和腐蝕速率測試結(jié)果,在該工況下,恒電位儀在合理的預置電位條件下運行時,箱涵內(nèi)的主管道可以得到足夠的陰極保護電流,電位滿足-850 mV的陰極保護準則,箱涵內(nèi)主管道無腐蝕風險。

圖9 箱涵與主管道未短路時陰極保護電流傳導路徑分析Fig. 9 Analysis of cathodic protection current conduction path when there is no short circuit between box culvert and main pipe

2.4.2 箱涵與主管道短路

受土壤沉降或者管道自身蠕動的影響,箱涵與主管道可能發(fā)生搭接,即箱涵的鋼筋結(jié)構(gòu)與箱涵內(nèi)主管道短路,陰極保護電流將部分地沿著短路點回到電源負極,僅少量流經(jīng)土壤并到達箱涵內(nèi)主管道,如圖10所示。

圖10 箱涵與管道短路時陰極保護電流傳導路徑分析Fig. 10 Analysis of cathodic protection current conduction path in case of short circuit between box culvert and pipeline

根據(jù)圖5的陰極保護電位測試結(jié)果,靠近陽極的進箱涵管道電位達標,而箱涵內(nèi)和箱涵外的主管道電位均不滿足-850 mV的陰極保護準則。增大陰極保護輸出電流之后,箱涵內(nèi)的主管道陰極保護電位達到-850 mV的臨界點,電位負向偏移并不顯著(相比于進箱涵管道電位)。對于短路工況,箱涵內(nèi)的鋼筋結(jié)構(gòu)相當于管道防腐層的一個大漏點,吸收大量陰極保護電流,會造成箱涵內(nèi)主管道得不到陰極保護[14],進而導致腐蝕風險增加。此時,若在管道建設期,箱涵內(nèi)同時安裝犧牲陽極,根據(jù)陰極保護的原理可知,箱涵與管道短路時,犧牲陽極會為箱涵內(nèi)主管道提供保護,但同時也會保護箱涵的鋼筋結(jié)構(gòu),將會加速犧牲陽極的消耗,進而導致犧牲陽極服役壽命縮短。值得注意的是,若施工不當,犧牲陽極也會增加箱涵與主管道的短路幾率。

為此,對于箱涵穿越段管道的腐蝕控制,首先應加密電位檢測周期,若發(fā)現(xiàn)箱涵外主管道電位不達標,優(yōu)先排查管道與箱涵是否存在短路搭接,發(fā)現(xiàn)后及時找到短路搭接點并將其清除;其次,為避免在箱涵與管道短路時,箱涵的鋼筋結(jié)構(gòu)吸收大量陰極保護電流,可在設計階段對鋼筋混凝土的箱涵結(jié)構(gòu)進行改善,例如,在滿足使用條件時,盡量減少鋼筋數(shù)量,這樣即使在短路情況下,也能減少鋼筋的裸露面積;同時也可以提高陰極保護輸出電流,使箱涵內(nèi)主管道陰極保護電位得到提升。

3 結(jié) 論

對箱涵與管道未短路和短路2種工況條件的電位和腐蝕速率進行分析,得到如下結(jié)論:

(1)箱涵與管道未短路時,只要箱涵與主管道之間填充土壤,在正常的陰極保護輸出條件下,外加電流陰極保護可以對箱涵內(nèi)的主管道提供良好的保護效果,箱涵內(nèi)管道的腐蝕速率小于0.01 mm/a,腐蝕風險低;

(2)箱涵與管道短路時,箱涵內(nèi)管道陰極保護電位不達標,管道的腐蝕速率大于0.01 mm/a,腐蝕風險增加。提高陰極保護輸出電流后,箱涵內(nèi)管道陰極保護電位可接近-850 mV的臨界點;

(3)為減小箱涵與管道短路條件下箱涵內(nèi)管道的腐蝕風險,建議優(yōu)先排查短路搭接位置,清除隱患。同時在箱涵設計階段,在滿足箱涵結(jié)構(gòu)的前提下,減少箱涵內(nèi)鋼筋結(jié)構(gòu)的用量,以減小在短路時鋼筋導致的陰極保護電流損失,確保箱涵內(nèi)管道可以得到足夠的陰極保護電流,從而得到良好保護,降低腐蝕風險。