崔艷雨，張曼曼，劉遠征，揭澤鵬

(中國民航大學 機場學院，天津 300300)

埋地鋼質(zhì)管道是油氣輸送的重要工具，因其重要性其安全性防護和檢查、檢測也備受關(guān)注。而埋地管道腐蝕問題一直是影響整個油氣運輸系統(tǒng)的主要問題［1］。目前，國內(nèi)外普遍采用防腐層與陰極保護相結(jié)合的方式對埋地油氣管道進行外腐蝕控制。防腐層性能評價，就是準確的檢測并判斷管道的腐蝕現(xiàn)狀、腐蝕發(fā)生的部位及其發(fā)展趨勢，是有效預防、控制管道腐蝕事故的關(guān)鍵環(huán)節(jié)和前提條件。本文概述分析了防腐層分級評價方法和外腐蝕層直接評價方法，詳述了防腐層性能評價準則，為了解防腐層質(zhì)量狀況提供了選擇依據(jù)。

1 埋地輸油管道外防腐層評價

隨著管道建設(shè)的大力發(fā)展，管道的安全問題越來越受到重視，而管道腐蝕是管道安全運行的一重大隱患，尤其是管道的外腐蝕問題。

在鋼制管道及儲罐腐蝕評價標準-埋地鋼質(zhì)管道外腐蝕直接評價SY/T 0087.1—2006 中，對管道外腐蝕直接評價ECDA 進行了詳細描述，ECDA 評價包括預評價、間接檢測與評價、直接檢測與評價和后評價4 個步驟［2］，間接檢測方法用于對外防腐層質(zhì)量和陰極保護效果的檢測［3］。長輸管道外防腐層檢測方法有交流電位梯度法ACVG、直流電位梯度法DCVG、密間隔電位法CIPS、電流-電位法、交流電流衰減法ACCA、變頻-選頻法等，現(xiàn)普遍采用多種檢測方法的結(jié)合，如DCVG 和CIPS 的結(jié)合，PCM結(jié)合ACVG 的A 字架檢測方法等［4］，對于采用陰極保護的管道，檢測時可以采用直流電位梯度法-密間隔電位法和變頻-選頻法相結(jié)合［5］。對于油氣田酸性氣體輸氣管道，檢測方法有瞬變電磁法(TEM)、磁記憶檢測法(MMT)、超聲導波技術(shù)等［6］。

管道外防腐層質(zhì)量狀況評價就是根據(jù)以上各檢測方法結(jié)合相應的評價準則，對管道外防腐層的性能進行優(yōu)良分級。SYT 5918—2004 規(guī)定:可通過電流-電位法或者變頻-選頻法，針對石油瀝青防腐層測其防腐層電阻率，對石油瀝青防腐層進行絕緣性能、老化程度及表現(xiàn)、采取措施定量分級評價［7］;規(guī)范SY/T 0087.1—2006 中的直接檢測與評價根據(jù)管道防腐層外觀把防腐層狀況分為優(yōu)中差3 級［2］;埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護工程檢驗GB/T 19285—2014分別根據(jù)防腐層電阻率、電流衰減率Y 值、外防腐層破損點密度P 值3 種評價準則對3LPE、硬質(zhì)聚氨酯泡沫防腐保溫層和瀝青防腐層的性能進行了定量分級評價［8］。

NACETM 0102—2002［9］提出利用導電測量法對管道防腐層進行檢驗評價，該標準將外防腐層性能質(zhì)量分為4 級。NACESP 0502—2010［10］則提出應按每種不同的間接檢測方法，分別對防腐層質(zhì)量狀況進行分級，均分為3 級，并提出了具體的操作程序與步驟。在任何一種分級評價中，評價準則都是必不可少的關(guān)鍵因素。下面就埋地鋼質(zhì)管道外防腐層性能評價的各種評價準則作如下詳述。

2 防腐層性能評價準則

2.1 涂層橫向電阻法

對施加陰極保護的長輸埋地鋼質(zhì)管道，Uhlig H H 給出了沿陰極保護管線的電位分布計算公式［11］:

式中 x——距已知通電點的距離，m;

a——兩個通電點之間距離，m;

α——電位衰減系數(shù);

EA——已知通電點的電位，V;

EB——兩通電點中點位置的電位，V。

管道電位分布衰減趨勢可以用電位衰減系數(shù)來表征，加拿大人Seager W H 在埋地鋼質(zhì)管道防腐層的研究中，確定電位衰減系數(shù)由下式確定［12］:

式中 RS——管道的金屬電阻，Ω/m;

RL——涂層橫向電阻，Ω·m。

管道的金屬電阻RS是管道本身的金屬電阻，由歐姆定律可以求出，涂層橫向電阻RL又稱為表觀涂層電阻，是由加拿大人Seager 提出，他假設(shè)當陽極距離管道很遠，陽極電位對管道影響很小時，通過測得的管地電位根據(jù)式(1)/式(2)、求出電位衰減系數(shù)，再根據(jù)式(3)求出涂層橫向電阻，根據(jù)求得的涂層橫向電阻來反映涂層破損的情況。涂層橫向電阻只是反映了埋地鋼質(zhì)管道防腐層在某種環(huán)境介質(zhì)中的阻抗狀況，但是沒有量化分級［13］。

2.2 涂層空隙系數(shù)

涂層橫向電阻只是反映了涂層在某種環(huán)境介質(zhì)中的阻抗狀況，在直接表示涂層自身質(zhì)量的變化上還存在一定的不確定性。因此，引入了一個能客觀評價涂層質(zhì)量的評價指標-涂層空隙系數(shù)［14］。

定義KS為涂層空隙系數(shù)，S 為涂層破損面積，S0為涂層總面積。

由式(4)可知，涂層空隙系數(shù)反應了防腐層本身客觀狀況，涂層空隙系數(shù)越大，防腐層破損越嚴重，說明防腐層狀況越不好。

當管道防腐層破損后，防腐層橫向電阻值應為破損處的介質(zhì)電阻與完好處防腐層電阻的并聯(lián)值［15］，又防腐層的電阻遠遠大于破損處介質(zhì)的電阻，可得涂層空隙系數(shù)與橫向電阻的關(guān)系:

式中 RL——涂層橫向電阻，Ω·m;

RP——單位長度管道橫向上的破損處介質(zhì)的電阻，Ω·m;

Rm——單位長度管道橫向上完好防腐層的電阻，Ω·m;

ρ——管道周圍介質(zhì)的電阻率，Ω·m;

δ——防腐層的厚度，m;

D——管道內(nèi)徑，m。

由前文敘述可知，電位衰減系數(shù)由管道金屬電阻和涂層橫向電阻確定，因此，根據(jù)電位衰減系數(shù)得出的涂層空隙系數(shù)可建立對管道不同區(qū)段的涂層狀況評價方法。

2.3 針眼指數(shù)

首先引入防腐層針眼指數(shù)KP，KP表示單位面積上防腐層的針眼數(shù)。針眼指數(shù)的概念是在以下假設(shè)條件下提出的:①涂層針眼在管道上的分布勻和;②針眼形狀均被視為圓柱形，且針眼以其軸線垂直于管壁方向散布;③涂層上針眼的孔徑均勻一致，其直徑為dP(m)［16］;④管道防腐層的電阻率遠遠大于管道上針眼里介質(zhì)的電阻率，因此防腐層的電阻率可以忽略不計。所以，針眼指數(shù)的公式為:

式中 KP—— 針眼指數(shù)，1/m2，單位面積上的針

眼數(shù);

dP——針眼的直徑，m，假設(shè)針眼大小一致，

且均為圓柱形;

α——電位衰減系數(shù);

ρp——管道附近介質(zhì)的電阻率，Ω·m;

δ——涂層的厚度，m;

RS——單位長度金屬管道的縱向電阻，Ω/m;

D——管子的直徑，m。

當管道防腐層有破損后，防腐層的針眼指數(shù)KP與管徑(D)、破損點附近介質(zhì)電阻率(ρp)、管道防腐層的厚度(δ)、管道材質(zhì)(RS)以及管道電位衰減系數(shù)(α)有關(guān)，同時α 反映了電位分布的變化。綜上所述，KP不僅反映了管道防腐層的質(zhì)量變化狀態(tài)，也反映了陰保系統(tǒng)輸出參數(shù)的變化情況，因此，KP更能有效的評價埋地鋼質(zhì)管道防腐層的狀態(tài)［13］。

2.4 防腐層絕緣電阻率

埋地管道防腐層絕緣電阻率為單位面積的防腐層絕緣層平均(面)電阻，單位為Ω·m2，是表征其抗腐蝕、防雜散電流干擾的重要性指標［17］。其數(shù)值的大小基本上有防腐絕緣層漏敷、缺陷數(shù)目和大小決定，因此它是衡量管道防腐層質(zhì)量好壞的尺度［18］。

2004 年發(fā)布的《埋地鋼質(zhì)管道外防腐層修復技術(shù)規(guī)范SY/T 5918—2004》中，第5.2.1 防腐層絕緣性能評價中制定了管道防腐層評價等級指標［7］，見表1。

表1 石油瀝青防腐層分級標準及相應措施Table 1 Asphalt anticorrosive coating classification standard and the corresponding measures

日本也有自己評價管道防腐層優(yōu)劣的分級標準［13］，見表2。

表2 日本管道防腐層優(yōu)劣分級表Table 2 The coating quality scale of Japan’s pipeline

埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護工程檢驗GBT 19285—2014 第5.1 中，規(guī)定要求外防腐層絕緣電阻率≥104Ω·m2，對3LPE 防腐層絕緣電阻率一般應≥105Ω·m2［8］。雖然各國對管道防腐層保護效果評價等級指標的分類不同，但埋地管道防腐層絕緣電阻率為10 000 Ω·m2，這個數(shù)值是國內(nèi)外防腐工作者所熟知的數(shù)據(jù)［13］。

王輝榮等人根據(jù)對防腐層絕緣電阻的測量，總體評價管道防腐層狀況，并且提出絕緣電阻以3 ×103Ω·m2為界限統(tǒng)計，統(tǒng)計大于或小于它的值作統(tǒng)計值;絕緣電阻率＜(或＞)3 ×103所占統(tǒng)計比會更能反映相應管道防腐層的好壞［19］。

我國現(xiàn)行關(guān)于管道防腐層絕緣電阻率標準中，除了針對石油瀝青防腐層絕緣電阻率的量化分級標準外，并沒有制定其他新型防腐層絕緣電阻率的量化分級標準。

2.5 IR%評價準則

IR%是針對DCVG/CIPS 測試技術(shù)可以精確定位防腐層破損點并且可以估算其面積大小的特點而提出來的。通過計算外覆蓋層缺陷處IR 降百分比評價管道外覆蓋層缺陷程度。其公式［10，20］:

式中 Von——破損點處的通電電位，mV;

Voff——破損點處的斷電電位，mV。

經(jīng)過大量的理論研究和實驗可以得出，IR%越大陰極保護的程度越低;管道外覆蓋層的破損面積越大，IR% 的值也就越大［21］。NACE Standard RP 0502—2002 給出了根據(jù)IR%評價覆蓋層破損程度的評價準則［22］，見表3 所示;GBT 19285—2014 也給出了防腐層破損點嚴重程度分級，見表4。

表3 根據(jù)IR%評價覆蓋層的破損程度準則Table 3 Criterion of the coating’s damage degree according to IR%

表4 破損點嚴重程度分級Table 4 Classification of the severity of the damaged point

2.6 電流衰減率Y 值

根據(jù)電流衰減率可以判斷外防腐層的狀況，從理論上分析，Y 值評判外防腐層質(zhì)量最直接、最公正［23］。電流衰減率通過埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護系統(tǒng)綜合評價軟件繪制電流衰減曲線而求得，用于埋地管道外防腐層整體狀況的檢測。GBT 19285—2014 對外防腐層電流衰減率Y 值進行了分級評價，見表5［8］。

表5 外防腐層電流衰減率Y 值(dB/m)分級評價Table 5 Classification rating of the current attenuation Y (dB/m)for external anticorrosive coating

2.7 外防腐層破損點密度P 值

破損點密度即管道防腐層單位長度上破損點的個數(shù)，它是劃分防腐層性能評價級別的參量之一［3，23］。GBT 19285—2014 規(guī)范中，對P 值作了分級評價，見表6［8］。

表6 外防腐層破損點密度P 值(處/100 m)分級評價Table 6 Grading evaluation of the damaged point density P(處/100 m)for external anticorrosive coating

2.8 覆蓋層電導率

覆蓋層電導率為覆蓋層絕緣電阻率的倒數(shù)，美國現(xiàn)用標準NACE Standard TM 0102—2002 提出利用電導率進行分級，見表7［23-24］。

此標準是標準化后即土壤電阻率為1 000 Ω·cm的情況下電導率的分級標準，并且沒有指出針對何種覆蓋層［24］。

表7 覆蓋層電導率的分級評價標準Table 7 Grading evaluation criteria of coating conductance

3 外防腐層性能評價準則存在的問題及展望

目前，外防腐層性能評價準則具有較大的局限性、部分評價指標過時，而且缺乏新涂層的評價指標，比如，我們以上介紹的幾種防腐層性能評價準則中，只有防腐層絕緣電阻率、IR%、電流衰減率是目前管道防腐層評價常用的準則，一些評價準則，如橫向電阻、空隙系數(shù)、針眼指數(shù)沒有建立起評價防腐層性能的分級標準，沒有在管道防腐層性能的評價中得到應用;目前的分級評價準則中，有通過防腐層絕緣電阻率評價準則對石油瀝青防腐層、3LPE 和硬質(zhì)聚氨酯泡沫防腐保溫層的量化分級標準，而對于如煤焦油磁漆、熔結(jié)環(huán)氧粉末、聚乙烯類等新型防腐層的絕緣性能只可進行定性評價，無法形成定量分級標準［7］。因此，應加大新型防腐層評價準則的量化分級的研究。

防腐層性能評價中，不同的檢測方法對應不同的評價準則，即使是同一評價準則對應不同的檢測時也應有不同的量化分級標準，在SY/T 5918—2004 的石油瀝青防腐層分級標準中，只有用防腐層絕緣電阻率作評價準則對應不同的檢測方法的量化分級，缺少其他評價準則對應不同檢測時的分級量化標準。

微生物(尤其是SRB)腐蝕造成的管道安全問題也越來越受到重視，埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范GBT 21448—2008 規(guī)范中，提到在厭氧菌或SRB 及其他有害菌土壤環(huán)境中，管道陰極保護電位應為－950 mV(CSE)或更負［25］，但是在管道外防腐層性能評價標準中，沒有提到SRB 的存在對檢測結(jié)果、評價準則、評價方法的影響，更沒有SRB 對管道防腐層評價可能的影響進行量化分級。因此，有必要研究SRB 對管道外防腐層性能評價的影響。

4 結(jié)束語

從20 世紀60 年代國內(nèi)管道建設(shè)初期至今，很多管道已經(jīng)進入高齡期，大多數(shù)埋地鋼質(zhì)管道出現(xiàn)腐蝕，管道腐蝕不僅會引起嚴重經(jīng)濟損失，還可能因為管道發(fā)生嚴重的點腐蝕導致管道穿孔而致油品泄漏發(fā)生爆炸從而帶來安全和資源保護問題［26］。因此，為確保管道運輸?shù)陌踩?，研究埋地輸油管道外防腐層質(zhì)量檢測手段及性能評價準則，對準確有效測評管道防腐層狀況具有非常重要的意義。

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