范 峰 徐 偉 王云峰 杜 毅 劉振軍

（1. 國家管網(wǎng)集團華中分公司，湖北 武漢 430000；2. 中國石油天然氣管道科學研究院有限公司，河北 廊坊 065099）

0 引言

石油天然氣是我國經(jīng)濟發(fā)展不可或缺的能源，用于油氣輸送的站場及埋地管道在儲運工作中起著至關重要的作用，而腐蝕缺陷是威脅其安全運行的主控因素之一[1-3]，掌握腐蝕機理并制定防護方案能夠有效降低失效概率。

目前，諸多學者圍繞油氣管道腐蝕機理與防腐措施展開了研究。李宇霆[4]分析了埋地油氣管道的內(nèi)外腐蝕機理，從防腐材料方面提出了相應的防護措施。范琦[5]以油氣管道機械損傷缺陷為對象，研究了其發(fā)育腐蝕的成因機理。Xie[6]通過有限元模擬的方法研究了CO2影響下的管道焊縫腐蝕機理。楊永等[7]分析認為，交流干擾不僅會導致油氣管道的金屬腐蝕，還會造成陰極保護的失效從而加速腐蝕的發(fā)展。Shuai等[8,9]建立了多物理場耦合的非線性有限元模型，研究了油氣管道彎頭外腐蝕缺陷的成因機理。已有研究目前多聚焦于外管道腐蝕的機理和修復方面，對站內(nèi)埋地管道的針對性研究較少，開展站內(nèi)埋地管道腐蝕缺陷成因及防護方案分析是十分必要的。

本文針對站內(nèi)成品油埋地管道的外腐蝕缺陷問題，結合武漢、汨羅與衡陽3個輸油站場的埋地管道外腐蝕情況，劃分腐蝕類型并統(tǒng)計分析各類的發(fā)育特征，從站內(nèi)管道外部環(huán)境特征及工程設計與質(zhì)量兩個方面進行腐蝕成因機理的分析，并基于此提出對應的防護方案。研究旨在為站內(nèi)埋地管道外腐蝕缺陷提供解決方案。

1 站內(nèi)埋地管道腐蝕缺陷類型

2022年間，武漢、汨羅與衡陽成品油輸油站完成了站內(nèi)埋地管道的大修工程。本次大修工程中首先對開挖管道進行了腐蝕缺陷的統(tǒng)計，如圖1所示，三個輸油站共存在109處。其中，武漢站（2013年建設）26處，腐蝕率為1.73次/a，但腐蝕程度總體較輕，不存在需要限期修復的點；汨羅站（2008年建設）20處，腐蝕率為1.43次/a，包含3處較為嚴重的缺陷，需要限期修復；衡陽站（2013年建設）63處，腐蝕率高達7次/a，其中7處需要立即修復的極為嚴重缺陷，18處較為嚴重。結合3個站場埋地管道腐蝕缺陷的特征，將其劃分為單點型、集群型和條型三類。

圖1 各輸油站埋地管道缺陷數(shù)量與腐蝕率

1.1 單點型腐蝕

如圖2所示，單點型腐蝕發(fā)生在金屬表面非常小的范圍之內(nèi)，呈現(xiàn)沿壁厚方向的小孔狀或圈狀腐蝕形態(tài)，初期金屬的失重較小，但由于所處陽極的持續(xù)溶解，腐蝕缺陷逐漸變大成坑狀，進一步減薄可使管道金屬穿孔破壞。

圖2 單點型腐蝕特征

如圖3所示，本次研究中單點型腐蝕缺陷共49處，其中，汨羅站13處、衡陽站27處、武漢站9處。三者的平均腐蝕比介于6.4%～41.7%之間，武漢站的該類腐蝕較為輕微，缺陷發(fā)育最為嚴重處的腐蝕比為12.7%，最輕微處的僅為1%；衡陽站的該類腐蝕極為嚴重，部分缺陷腐蝕比達到100%，已經(jīng)形成穿孔破壞；汨羅站腐蝕情況則介于二者之間，其最大腐蝕比為34.7%，最小腐蝕比為11.5%。

圖3 單點型腐蝕缺陷發(fā)育狀況

1.2 集群型腐蝕

如圖4所示，集群型腐蝕發(fā)生在金屬的整個表面，多呈蜂窩狀或不規(guī)則片狀展布，獨立發(fā)生的陰極和陽極面積非常小，幾乎無法分辨出，而且陰極和陽極位置在隨時變動，最終使金屬整體發(fā)生損失和減薄，且不伴隨任何陰、陽兩極的物理分離。

圖4 集群型腐蝕特征

如圖5所示，集群型腐蝕缺陷共28處，其中，汨羅站5處、衡陽站17處、武漢站16處。三者的平均腐蝕比介于0.7%～30.7%之間，武漢站的該類腐蝕仍然較為輕微，缺陷發(fā)育最為嚴重處的腐蝕面積為56cm2，最小腐蝕面積僅為6cm2；衡陽站的集群型腐蝕極為嚴重，統(tǒng)計出現(xiàn)的最大腐蝕面積達260cm2；汨羅站的該類腐蝕情況介于二者之間，其最大腐蝕面積為130cm2，最小腐蝕面積為18cm2。

圖5 集群型腐蝕缺陷發(fā)育狀況

1.3 條型腐蝕

如圖6所示，條型腐蝕多以條狀或線狀形態(tài)展布于金屬表面，其長度與寬度的發(fā)育并不規(guī)則，該類腐蝕起初多是由施工質(zhì)量缺陷導致的，在管體制造與鋪設過程中，受外部硬物的磕碰摩擦導致金屬表面出現(xiàn)劃痕，加之后期所處陽極的持續(xù)溶解，腐蝕缺陷的規(guī)模逐漸變長加深。

圖6 條型腐蝕特征

如圖7所示，條型腐蝕缺陷共27處，其中，汨羅站2處、衡陽站19處、武漢站6處，三者的平均腐蝕比介于8.7%～37.4%之間。衡陽站的該類腐蝕極為嚴重，最大劃痕腐蝕長度達100cm，劃痕減薄最深處為37.4%。與前兩類腐蝕不同的是，武漢站的該類腐蝕相對汨羅站而言更為嚴重，武漢站發(fā)育最大的劃痕長度為24cm，而汨羅站最大腐蝕長度僅為11cm，二者的平均腐蝕比介于8.7%～10.1%之間。

圖7 條型腐蝕缺陷發(fā)育狀況

2 腐蝕缺陷成因機理

基于公司場站埋地管道腐蝕調(diào)查結果，從站內(nèi)埋地管道外部環(huán)境特征和工程設計與質(zhì)量兩個方面分析腐蝕缺陷的成因機理。

2.1 管道外部環(huán)境特征

（1）土壤腐蝕性影響

本次研究從定性與定量的角度測試三個站場的土壤腐蝕性。首先，結合土壤電阻率、管道自腐蝕電位、氧化還原電位、土壤pH值、土壤地質(zhì)、土壤含水量、土壤含鹽量及土壤中Cl-離子含量等方面，通過綜合評分法得出各站場土壤腐蝕性的強弱。其次，將站內(nèi)L245管段加工為尺寸50×25×3mm大小的標準試樣，于試樣中心點上方加工一個直徑為3mm的圓孔，基于土壤模擬液浸泡試驗計算各站場試樣的均勻腐蝕速率（圖8），以此揭示腐蝕速率的高低。

圖8 條型腐蝕缺陷發(fā)育狀況

試驗研究表明，衡陽站的土壤腐蝕性最強，汨羅與武漢站次之。由表1可知，武漢站土壤腐蝕性綜合評價為13分，腐蝕速率為3.76g/dm2·a，屬于中等腐蝕；汨羅站與衡陽站的腐蝕速率介于4～6g/dm2·a之間，腐蝕程度較強；

表1 站內(nèi)土壤腐蝕性評價

（2）土壤腐蝕性影響

結合各站場的土壤腐蝕速率，通過單因子統(tǒng)計法分析三類腐蝕缺陷和土壤腐蝕性強度的關系，以此展現(xiàn)土壤腐蝕性的影響程度。如圖9（a）所示，單點型腐蝕個數(shù)與最大腐蝕比均隨著土壤腐蝕速率的增大而增多，正相關變化趨勢明顯，其對于土壤腐蝕速率的相關系數(shù)分別為0.7867和0.8240，二者擬合程度較高且數(shù)值較為相近，表明土壤腐蝕性是造成單點型腐蝕缺陷的要因之一；如圖9（b）所示，集群型腐蝕個數(shù)與土壤腐蝕速率之間不存在明顯的變化規(guī)律，二者相關性較低，而該類腐蝕的最大腐蝕面積卻隨土壤腐蝕速率的上升而增大，且二者相關系數(shù)高達0.9362，可見土壤腐蝕性也是集群型腐蝕形成的主控因素；在圖9（c）中，條型腐蝕的發(fā)育與土壤腐蝕速率的相關性極低，兩類相關系數(shù)均低于0.2，表明土壤腐蝕性對條型腐蝕缺陷并沒有必要性的關聯(lián)。

圖9 各類腐蝕缺陷相關系數(shù)

由上可知，土壤腐蝕速率的高低直接影響著單點型與集群型腐蝕缺陷的發(fā)育程度，造成這類現(xiàn)象的原因主要為管道敷設的土壤環(huán)境中通常存在大量腐蝕性陰離子（Cl-、CO32-、HCO3-、SO42-、S2-等），一些敏感性離子可以穿透金屬表面的保護膜，并導致管道表面腐蝕產(chǎn)物覆蓋率降低（圖10），引發(fā)單點腐蝕或集群腐蝕[10]。土壤腐蝕速率的高低對條型腐蝕影響不大，該類腐蝕主要在管壁劃痕的基礎上發(fā)育；

圖10 土壤液造成金屬腐蝕的化學機理

（3）雜散電流干擾

本次調(diào)查研究中未發(fā)現(xiàn)站外雜散電流對站內(nèi)產(chǎn)生較大的影響，雜散電流不是造成站內(nèi)埋地管道腐蝕的主要原因。

2.2 工程設計與質(zhì)量

（1）防腐層完整性

如圖11所示，本次調(diào)查對三個站內(nèi)管道防腐層的材料、外觀、厚度及附著力進行了檢測。檢測結果表明，衡陽站與汨羅站防腐層材料均以環(huán)氧煤瀝青為主，局部增設有3LPE防腐層，二者的防腐層厚度達標，但附著力均較差。其中，衡陽站埋地管道防腐層整體狀況一般，管道防腐層外觀較粗糙，未發(fā)現(xiàn)未固化的涂料，表面較平整、無空鼓和皺折，壓邊和搭邊黏結較緊密。汨羅站環(huán)氧煤瀝青防腐層存在損傷，3LPE防腐層損傷現(xiàn)象相對較輕，整體表面平整、光滑、無氣泡等外觀缺陷，未發(fā)現(xiàn)大面積破損和空鼓，未出現(xiàn)暗泡、皺折、裂紋等缺陷。武漢站埋地管道防腐層為3PE特加強級防腐，整體結構完整且不存在缺陷。

圖11 管道防腐層完整性檢測

可見，防腐層等級越高所起的保護效果越明顯，3PE與3LPE防腐層整體起到了隔絕腐蝕和機械保護的作用，但局部存在肉眼可見的防腐層破損點。環(huán)氧煤瀝青防腐層存在表面粗糙、機械損傷，防腐層厚度不均、防腐層附著力較差、表面粗糙等問題，這類材料在防腐能力上的缺陷將加快管道腐蝕的形成；

（2）管材一致性

三個站場內(nèi)采用L360、L245、20#等不同系列的鋼管，這些鋼管的碳含量、合金元素都存在一定的差異，當不同系列的管材埋設到同一介質(zhì)中，由于電位的不同形成腐蝕原電池，產(chǎn)生腐蝕電流不可逆的流動，引起管道腐蝕。部分場站存在銅包鋼接地極，銅包鋼接地極和埋地的金屬管道會形成電偶腐蝕，進一步加速管道的腐蝕；

（3）陰極保護缺失

所有場站埋地管道無陰極保護對其進行保護。陰極保護是通過在管道表面產(chǎn)生一個電位較為負的電場，使得管道表面成為陰極，從而抑制管道的電化學腐蝕，保護管道不被腐蝕。陰極保護可以有效控制管道的腐蝕速度，延長管道的使用壽命，提高管道的安全性和可靠性。管道沒有陰極保護會導致管道的腐蝕速度加快，從而縮短管道的使用壽命；

（4）施工質(zhì)量缺陷

三個場站的土壤本身的腐蝕性由“中”到“強”，當施工過程中因不規(guī)范操作出現(xiàn)劃痕破壞時，破損的防腐層造成管道直接暴露在土壤介質(zhì)中，無法起到隔絕土壤的作用。在防腐層破損點處管道長期和土壤直接接觸后，管道受到化學和電化學作用的結果將加速腐蝕，這是條型腐蝕缺陷形成的主要原因。

3 管道腐蝕防護方案

將防護方案分為兩類條件考慮，其一為“站內(nèi)場地寬松且土壤腐蝕性較強”，該類場景具備管道地面顯性化改造的條件，且性價比較高；其二為“站內(nèi)場地條件有限”，則應以腐蝕修復+光纖監(jiān)測為主。

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3.1 站內(nèi)管道顯性化改造

輸油站內(nèi)埋地管道顯性化改造是將管道開挖后整體抬升至地面的工程，該工程主要通過動火改線使得站內(nèi)管道杜絕與腐蝕性土壤接觸，同時為管體檢測工作提供可視化操作空間。以武漢站顯性化改造工程為例，具體介紹該類防護方案的內(nèi)容與效果。

（1）改造方案

如圖12所示，武漢站埋地管道改造至地面對策內(nèi)容全部實施完成，改造后的管道嚴格按照防腐規(guī)范要求重新進行防腐。改造過程中涉及站內(nèi)多項設備與工藝如下：

圖12 埋地管道顯性化改造設計圖

①埋地閥門

成品油管道埋地進站、出站緊急截斷閥，修建閥池；成品油埋地全越站閥門結合安裝位置，修建閥池；輸油泵埋地進口閘閥與相鄰泵的出口閘閥修閥池；輸油泵出口匯管單向閥，修建閥池；當閥門旁通管線也處于閥池中時，該旁通管線應考慮設置基礎支撐，以減少應力集中；各處根據(jù)現(xiàn)場實際情況，修建獨立閥池或聯(lián)合閥池；

②泄壓管線

埋地泄壓管線優(yōu)先采取原安裝方案，重點做好防腐回填處理；地面路由安裝檢測管，便于及時檢測有無泄漏；成品油泄壓管線具備改造條件的，可進行管溝改造；

③回注管線

原油回注管線埋地段與主工藝管線處于同一水平軸線時，優(yōu)先修建管溝并回填中粗砂，且可以將鄰近成品油回注管線一并納入管溝；成品油回注管線在輸油注入點帶壓封堵安裝全焊接根閥、就地壓力儀表，并修建閥池；在回注泵至帶壓封堵處間的回注管線埋設檢測管，便于及時檢測有無泄漏；

④燃料油下載和降凝劑注入管線

結合支管與主管連接點有無根閥，帶壓封堵并安裝地上根閥；

⑤排污和放空管線

針對埋地匯管的排污和放空管線，在其與匯管連接處修建閥池；結合就近的埋地管線、匯管、三通等可修建聯(lián)合閥池；

⑥進出站絕緣接頭

站場圍墻內(nèi)的進出站絕緣接頭，靜密封點包裹防滲材料后安裝檢測管；

⑦進出站流量計

采取修建閥池方式；

⑧防滲地面與應急水溝

原埋地管道區(qū)域部分土地進行地面硬化與防滲處理，周圍增設雨污水明溝；

（2）改造效果

武漢站實現(xiàn)了埋地管道顯性化管理，永久將埋地管道與土壤隔離（圖13），對管道的管理更加直觀有效，可靠性較高。同時，針對原有埋地管道檢測不方便的問題，實時開展管道宏觀檢測與定期檢測。利用現(xiàn)有檢測設備可以每年僅需要對壁厚進行測厚，對防腐層和焊縫依托日常巡檢進行宏觀檢測，滿足管理要求。

圖13 輸油站內(nèi)埋地管道顯性化改造

3.2 埋地管道修復與監(jiān)測

當輸油站內(nèi)場地條件有限，無法進行地面顯性化改造時，可以考慮采取埋地管道腐蝕修復、提升防腐層級別、增設陰極保護及管道內(nèi)力監(jiān)測等方法綜合開展防護工作。以衡陽站第一批埋地管道腐蝕修復工程為例，具體介紹該類防護方案的內(nèi)容與效果。

（1）工程概況

衡陽站第一批埋地管道腐蝕修復工程共發(fā)現(xiàn)19處金屬腐蝕點，其中金屬腐蝕深度介于實際壁厚10%以下的有4處，10%～30%的有14處，30%～50%的有1處。根據(jù)《GB/T 6701-2018埋地鋼質(zhì)管道管體缺陷修復指南》和《Q/SY 1592-2013油氣管道管體修復技術規(guī)范》規(guī)范要求，這19處腐蝕點的金屬減薄比均低于80%，故將其分為影響管道安全運行腐蝕點（1處）與不影響管道安全運行腐蝕點（18處）兩類；

（2）腐蝕修復

針對對第一類金屬腐蝕點采取鋼制環(huán)氧套筒進行修復，主要原因為鋼質(zhì)環(huán)氧套筒施工需動火，不影響管道正常運行，施工周期短，對安裝在泵出口位置管線振動易造成螺母松動問題，采取雙螺母緊固，并對緊固力矩進行檢查。對第二類金屬腐蝕點采取復合材料補強的方法，將腐蝕程度較輕的腐蝕點進行修復。

針對管道防腐層而言，結合武漢站的防腐層質(zhì)量，提升材料等級能夠有效增強防腐能力，故在工程中將原有防腐層替換為3PE特加強級防腐。

推廣應用輸油站內(nèi)柔性陰極保護技術，衡陽站埋地管道增設了柔性陽極強制電流陰極保護系統(tǒng)，其設施主要由恒電位儀、線性陽極地床、陽極接線箱、陰極接線箱、通電點、匯流點和測試點等構成。恒電位儀除具有一般恒電位儀所具有的顯示、各種保護功能，以及在故障情況下恒電位自動轉換為恒電流功能外，還可實現(xiàn)同步斷電測試，以便對被保護管道進行斷電電位測試；

（3）光纖光柵陣列監(jiān)測

基于光纖光柵陣列技術建立埋地管道腐蝕實時監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠利用光柵陣列應變感知技術，監(jiān)測不同壁厚條件下，管道形變變化判斷腐蝕情況，衡陽站為國內(nèi)外首次應用該監(jiān)測系統(tǒng)的成品油輸油站。

在前期的系統(tǒng)測試階段中，針對光纖光柵監(jiān)測管體應變的可行性進行了模型試驗研究。如圖14所示，將監(jiān)測設備纏繞布設于擁有間斷防腐層的管道上，隨后管內(nèi)加壓測得管體應變數(shù)據(jù)，試驗結果表明防腐層對管體應變的測量無影響。此外，對監(jiān)測系統(tǒng)能否實現(xiàn)捕捉管道內(nèi)堵、泄漏進行了測試，如圖15所示，在管道壁厚不同的前提條件下，光纖光柵設備均能有效監(jiān)測到管道失效處的應變異常現(xiàn)象，可實現(xiàn)全域管體分布式壓力檢測，有效捕捉管道腐蝕泄漏的缺陷。

圖14 基于光纖光柵監(jiān)測的管體應變試驗

圖15 基于光纖光柵監(jiān)測的管道加壓試驗

目前，試驗場取得成果已經(jīng)應用于衡陽站和汨羅站站內(nèi)埋地管道改造工程示范項目（圖16），在后續(xù)工作中將持續(xù)完善光纖光柵監(jiān)測技術的推廣及應用。

圖16 站內(nèi)管道實時監(jiān)測設備

4 結語

結合華中三個成品油輸油站內(nèi)的埋地管道腐蝕情況，根據(jù)表觀特征分為單點型、集群型和條型三類腐蝕。衡陽站腐蝕缺陷最多，汨羅與武漢站次之。

管道外部環(huán)境和工程設計與質(zhì)量共同影響著埋地管道的腐蝕程度。試驗研究表明，衡陽站的土壤腐蝕性最強，汨羅與武漢站次之，土壤腐蝕性是單點型和集群型腐蝕形成的主控因素，條型腐蝕多是由于施工機械損傷導致。防腐層等級不足、管材型號差異、陰極保護缺失及施工質(zhì)量缺陷均是導致管道發(fā)生電化學腐蝕的成因。

當站內(nèi)場地寬松且土壤腐蝕性較強時，地面顯性化改造是長期且有效的防護方案。若站內(nèi)場地有限則應該提升防腐等級，選定合適的腐蝕防護方案，增設陰極保護技術，并布設光纖光柵陣列監(jiān)測系統(tǒng)進行全時全域動態(tài)監(jiān)測。