上海天然氣管網(wǎng)有限公司 蔣卡克

埋地油氣管道往往在穿越河流、公路、高架橋、鐵路等位置會(huì)設(shè)計(jì)套管或頂管（以下統(tǒng)稱套管），對(duì)套管內(nèi)芯管進(jìn)行調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，多條管道出現(xiàn)不同程度的腐蝕現(xiàn)象，個(gè)別區(qū)域甚至發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕。

目前國(guó)內(nèi)套管設(shè)計(jì)普遍采用金屬鋼套管+套管內(nèi)安裝犧牲陽(yáng)極+套管端口密封的設(shè)計(jì)形式。在本公司所轄高壓天然氣管道350余套管檢測(cè)中發(fā)現(xiàn)此類設(shè)計(jì)存在諸多問(wèn)題，例如，套管與管道搭接、陽(yáng)極失效、套管密封失效等，對(duì)管道陰極保護(hù)產(chǎn)生不利影響。從現(xiàn)場(chǎng)問(wèn)題出發(fā)，分析套管失效的主要原因，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，提出符合陰極保護(hù)設(shè)計(jì)理念、滿足技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性均優(yōu)的套管設(shè)計(jì)方法，并理論推導(dǎo)套管選材公式，提出選材邊界。這為防止套管內(nèi)管道發(fā)生腐蝕提供了借鑒和參考。

1 常規(guī)套管設(shè)計(jì)在實(shí)際應(yīng)用中存在的問(wèn)題

本公司在役套管主要采取下述設(shè)計(jì)方法：套管材質(zhì)選用 Q245，內(nèi)外壁涂覆環(huán)氧富鋅漆，套管內(nèi)管道每隔4 m卡箍一組鐲式鋅陽(yáng)極，套管與管道間采用塑料支架支撐來(lái)防止兩者搭接，套管兩端密封處理，管道、套管和陽(yáng)極各引出1根6 mm2電纜至測(cè)試樁內(nèi)，管道線和陽(yáng)極線通過(guò)金屬連接片跨接。通過(guò)端口密封杜絕土壤和水分等電解質(zhì)進(jìn)入套管內(nèi)，防止套管內(nèi)芯管防腐層破損點(diǎn)處于腐蝕環(huán)境中。一旦密封失效，電解質(zhì)進(jìn)入到破損點(diǎn)位置，由于環(huán)形空間存在和涂層套管的屏蔽效應(yīng)，從而使陰極保護(hù)電流無(wú)法穿過(guò)套管保護(hù)芯管防腐層破損點(diǎn)，此時(shí)依靠鋅陽(yáng)極進(jìn)行保護(hù)。

理論上分析，基于套管與管道是否搭接、套管和管道兩端是否密封良好環(huán)形空間、有沒(méi)有進(jìn)水和土壤，將套管與管道的關(guān)系可分為以下4種模式：

(1)套管與管道無(wú)短路且套管和管道兩端密封良好，環(huán)形空間內(nèi)未進(jìn)水和土壤。

(2)套管與管道無(wú)短路且套管和管道兩端密封失效，環(huán)形空間內(nèi)進(jìn)水和土壤。

(3)套管與管道短路且套管和管道兩端密封良好，環(huán)形空間內(nèi)未進(jìn)水和土壤。

(4)套管與管道短路且套管和管道兩端密封失效，環(huán)形空間內(nèi)進(jìn)水和土壤。

對(duì)在役管道350余處套管完成檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在以下弊端。

1.1 鐲式鋅陽(yáng)極電位狀態(tài)不一

套管兩端密封完好狀態(tài)下，陽(yáng)極不與電解質(zhì)接觸，理論上無(wú)法測(cè)試到陽(yáng)極對(duì)地電位，但實(shí)際對(duì)350余處套管的鋅陽(yáng)極進(jìn)行測(cè)試后，均能測(cè)試到不同大小的電位值，說(shuō)明套管兩端未能完全密封，水和土壤已經(jīng)進(jìn)入到環(huán)形空間內(nèi)。

鐲式鋅陽(yáng)極開路電位測(cè)試的結(jié)果見表1。若陽(yáng)極開路電位在－0.6 V～－0.7 V時(shí)，則說(shuō)明陽(yáng)極電位已經(jīng)明顯失效，不但無(wú)法起到犧牲陽(yáng)極作用，反而在環(huán)形空間充滿電解質(zhì)時(shí)會(huì)成為漏點(diǎn)，吸收陰極保護(hù)電流或與破損點(diǎn)處管道產(chǎn)生電偶腐蝕；若陽(yáng)極開路電位處于－1.1 V，則說(shuō)明陽(yáng)極狀態(tài)正常，但是否能發(fā)揮陽(yáng)極的作用結(jié)果未知；若陽(yáng)極開路電位處于－1.2 V～－1.3 V且逐漸去極化，則說(shuō)明陽(yáng)極吸收電流陰極極化，測(cè)量到陽(yáng)極和管道連接線上存在陽(yáng)極向管道流動(dòng)的電流，進(jìn)一步說(shuō)明陽(yáng)極在吸收電流；若陽(yáng)極開路電位與管道電位同步波動(dòng)，說(shuō)明陽(yáng)極與管道搭接。

表1 鐲式鋅陽(yáng)極開路電位測(cè)試結(jié)果 V

陽(yáng)極設(shè)計(jì)首先無(wú)法確定是否對(duì)套管內(nèi)管道破損點(diǎn)處起到保護(hù)作用，其次陽(yáng)極大量失效且無(wú)法更換以及其吸收電流的現(xiàn)狀，對(duì)管道陰極保護(hù)造成不利影響，因此套管內(nèi)陽(yáng)極設(shè)計(jì)是弊大于利的。

1.2 套管與管道搭接

檢測(cè)發(fā)現(xiàn)存在套管與管道電位同步波動(dòng)，且大小幾乎一致的情況，分析其原因可能有以下幾點(diǎn)：

(1)施工質(zhì)量原因。由于套管較長(zhǎng)，施工拖拉管道過(guò)程中往往會(huì)造成套管和管道中心線偏離，可能導(dǎo)致套管與金屬臺(tái)車甚至與陽(yáng)極接觸，金屬臺(tái)車和陽(yáng)極會(huì)大大增加其劃傷管道防腐層的風(fēng)險(xiǎn)，最終套管通過(guò)金屬臺(tái)車或陽(yáng)極與破損點(diǎn)管道接觸，造成因施工質(zhì)量問(wèn)題而產(chǎn)生的搭接。

(2)地面沉降導(dǎo)致套管與金屬臺(tái)車或陽(yáng)極接觸進(jìn)而與管道搭接。

(3)陽(yáng)極腐蝕產(chǎn)物與套管接觸造成的搭接。

從上述原因可以發(fā)現(xiàn)，金屬臺(tái)車和陽(yáng)極的存在會(huì)增加套管與管道搭接的風(fēng)險(xiǎn)。

2 常規(guī)套管設(shè)計(jì)形式改進(jìn)

實(shí)踐證明，套管內(nèi)陽(yáng)極的設(shè)置弊大于利，應(yīng)改進(jìn)目前的設(shè)計(jì)形式以適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求。GB/T 21448－2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》明確規(guī)定，套管設(shè)計(jì)可采取屏蔽陰極保護(hù)電流和導(dǎo)通陰極保護(hù)電流兩種不同的設(shè)計(jì)理念。

對(duì)照GB/T 21448－2017，比較屏蔽陰極保護(hù)電流方式與公司目前設(shè)計(jì)的差異：套管材質(zhì)選取上，規(guī)范推薦塑料管、帶防腐層的混凝土管、導(dǎo)電性差的混凝土管、帶防腐層的鋼套管等屏蔽陰極保護(hù)電流的套管，而在役套管單純選取內(nèi)外壁涂覆環(huán)氧富鋅漆的鋼套管；規(guī)范推薦在套管與管道空隙間填充防腐材料，而在役套管不填充介質(zhì)。

基于以上差異，屏蔽陰極保護(hù)電流方式存在幾點(diǎn)弊端：

(1)如果套管選取帶防腐層鋼套管，且防腐層厚度較薄或內(nèi)外壁涂覆環(huán)氧富鋅漆的鋼套管，施工過(guò)程中套管拖拉和金屬臺(tái)車均有可能導(dǎo)致套管內(nèi)外壁涂層破壞。在陽(yáng)極存在情況下，無(wú)法降低套管與管道搭接導(dǎo)致陰極保護(hù)電流流失的風(fēng)險(xiǎn)，除非選取塑料管徹底消除搭接隱患。

(2)填充防腐材料大都有絕緣性，如粘彈體化合物和緩蝕蠟，這種情況下安裝犧牲陽(yáng)極毫無(wú)意義。

(3)防腐材料價(jià)格昂貴，增加了套管建設(shè)的成本，從經(jīng)濟(jì)上并不可取。

因此選取導(dǎo)通陰極保護(hù)電流方式，套管采取裸鋼套管(簡(jiǎn)稱鋼套管)、無(wú)防腐層且導(dǎo)電性較好的混凝土套管(以下簡(jiǎn)稱混凝土管)，套管與管道環(huán)形空間內(nèi)填充足夠的導(dǎo)電性良好的電解質(zhì)。從技術(shù)上分析，由于環(huán)形空間內(nèi)取消了陽(yáng)極設(shè)計(jì)安裝，降低了套管與管道搭接的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)陰極保護(hù)電流可以通過(guò)鋼套管或混凝土管進(jìn)入到環(huán)形空間，起到保護(hù)作用；從經(jīng)濟(jì)上分析，取消陽(yáng)極、減少材料成本，導(dǎo)電性電解質(zhì)價(jià)格遠(yuǎn)比防腐材料價(jià)格低，因此導(dǎo)通陰極保護(hù)電流方式比屏蔽陰極保護(hù)電流方式更有經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。但此方式一旦套管與管道搭接，則套管內(nèi)管道破損點(diǎn)處被完全屏蔽，同樣面臨腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。因此，杜絕套管與管道搭接是實(shí)現(xiàn)套管內(nèi)管道保護(hù)的先決條件。

3 套管選材理論技術(shù)分析

3.1 電流通過(guò)套管的難易程度分析

從功能上分析，鋼套管強(qiáng)度和韌性更好，適合于長(zhǎng)距離套管施工。但套管與管道搭接情況下，混凝土管比鋼套管對(duì)陰極保護(hù)造成的危害小，且隨著運(yùn)行年限延長(zhǎng)，鋼套管容易腐蝕。套管材質(zhì)該如何選取是設(shè)計(jì)時(shí)較為關(guān)心的問(wèn)題，以下主要從陰極保護(hù)電流通過(guò)套管的難易程度進(jìn)行分析。

假設(shè)以管道本體為基準(zhǔn)參考點(diǎn)，電勢(shì)為 0，套管外表面接觸土壤電勢(shì)為E1(相當(dāng)于給管道施加了相對(duì)套管外側(cè)大地－E1的通電電位)，管道自然電位為－E2(自然狀態(tài)下管道表面接觸的土壤電勢(shì)為E)，鋼套管外壁與內(nèi)壁自然電位差為△E(若外壁比內(nèi)壁更正值，那么△E＞0，反之△E＜0)，鋼套管陰極極化值和陽(yáng)極極化值為△V陰和△V陽(yáng)(這里均為正值)，陰極微極化電阻率和陽(yáng)極微極化電阻率均為ρ陰和ρ陽(yáng)，管道陰極強(qiáng)極化電阻率(電位區(qū)間在－0.85 V至－1.2 V)為ρpol，不同碳鋼在土壤中的極化電阻率測(cè)試結(jié)果見表2。從表2可以發(fā)現(xiàn)隨著極化程度增大，極化電阻率減小，極化難度增強(qiáng)，不同碳鋼同一極化區(qū)間極化電阻率的數(shù)量級(jí)是一致的，取ρ陰=ρ陽(yáng)=1 Ω·m2，根據(jù)DIN EN 15280－2013《應(yīng)用于陰極保護(hù)埋地管道的交流腐蝕可能性評(píng)價(jià)》，強(qiáng)極化電阻率為 0.1 Ω·m2，與測(cè)試結(jié)果數(shù)量級(jí)一致，取ρpol=0.3 Ω·m2，套管內(nèi)壁土壤至管道破損點(diǎn)表面電阻為R，ρ填充為填充物電阻率，t為防腐層厚度(一般為 3 mm)，管道破損點(diǎn)有效破損直徑為d，破損點(diǎn)達(dá)到陰極保護(hù)狀態(tài)的電流密度為i(ISO 15589－2016推薦值0.1～1 A/m2)，混凝土管電阻率為ρ，壁厚為L(zhǎng)(設(shè)計(jì)取0.2 m)，流過(guò)鋼套管和混凝土管的表面積均為S(假設(shè)為1 m2)。

表2 不同碳鋼在土壤中的極化電阻率測(cè)試結(jié)果

電流通過(guò)鋼套管和混凝土管的方式在本質(zhì)上是有區(qū)別的。電流通過(guò)鋼套管的阻力可分為電流流入鋼套管外壁的陰極極化電阻、鋼套管本體金屬純電阻(電阻值很小，可忽略)、電流流出鋼套管內(nèi)壁的陽(yáng)極極化電阻，同時(shí)還應(yīng)考慮表面差異產(chǎn)生的電位差帶來(lái)的影響；電流通過(guò)混凝土管只考慮其電阻率為ρ的純電阻影響(這里不考慮混凝土管內(nèi)部鋼筋的影響)。因此在上述因素的影響下，通過(guò)鋼套管和混凝土管的電流表達(dá)式見式(1)和式(2)。

從式(6)可以看出，R包含間隙電阻和泄漏電阻，因泄漏電阻實(shí)際是相對(duì)于遠(yuǎn)大地，但這里只到套管內(nèi)表面處，因此實(shí)際值會(huì)比表達(dá)式值小，但可以發(fā)現(xiàn)R與填充物電阻率ρ填充成正比。管道電流密度需求i取值為0.1～1 A/m2，d取值為1～10 cm，那么根據(jù)式(5)計(jì)算所得I鋼套管的電流值在0.007 85～7.85 mA范圍內(nèi)，鋼套管表面積S為1 m2，那么△V陰和△V陽(yáng)為0.007 85～7.85 mV。一般情況下S遠(yuǎn)大于1 m2，因此△V陰和△V陽(yáng)的值將更小，相比于E1－E2＋△E的幾百毫伏可以忽略。

圖1 泄漏電阻、間隙電阻和極化電阻的相對(duì)位置

(1)若△E≥△V陰+△V陽(yáng)，忽略△V陰+△V陽(yáng)的大小，即在△E≥0時(shí)，對(duì)比式(1)和式(2)，不可能存在ρ，使得I混凝土管＞I鋼套管，因此鋼套管外壁自然電位比內(nèi)壁更正值時(shí)，相當(dāng)于額外增加一個(gè)△E的驅(qū)動(dòng)力，電流更容易通過(guò)鋼套管。

(2)若△E＜△V陰+△V陽(yáng)，忽略△V陰+△V陽(yáng)的大小，即在△E＜0時(shí)，假設(shè)I混凝土管＝I鋼套管，推導(dǎo)ρ的表達(dá)式：

在填充物電阻率ρ填充、管道極化電阻率ρpol、破損點(diǎn)有效直徑d、表面積S，混凝土壁厚L及管道自然電位(－E2)和控制電位(－E1)確定的情況下，ρ與△E的關(guān)系見圖2。隨著△E變負(fù)，即鋼套管內(nèi)壁自然電位比外壁越正，ρ值越大。假設(shè)R+=500 Ω，S=1 m2，L=0.2 m，E1?E2=0.6 V，若△E=－0.1 V，那么ρ=500 Ω·m。當(dāng)ρ=500 Ω·m時(shí)，I混凝土管＝I鋼套管；若ρ＜500 Ω·m，此時(shí)I混凝土管＞I鋼套管；若ρ＞500 Ω·m，I混凝土管＜I鋼套管。

圖2 ρ與△E的關(guān)系

(3)從式(8)可以看出，ρ不僅與△E相關(guān)，與R、ρpol、d、S和L均密切相關(guān)。從式(6)可以看出R與填充物電阻率ρ填充正相關(guān)，與破損點(diǎn)大小d負(fù)相關(guān)。從式(8)可以看出，填充物電阻率ρ填充和管道極化電阻率ρpol越高，破損點(diǎn)有效直徑d越小，表面積S越大，混凝土管壁厚L越小，管道自然電位(－E2)

和控制電位(－E1)的差值越小，ρ越大。由于表面積S跟管道防腐層破損點(diǎn)面積、數(shù)量、大小、位置均有關(guān)系，嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)S的取值較為困難。

(4)與套管內(nèi)填充膨潤(rùn)土相比，填充水泥砂漿的電阻率相對(duì)更高，且鋼套管內(nèi)壁自然電位更正值，在假設(shè)I混凝土＝I裸鋼的條件下，計(jì)算所得ρ值越大。此時(shí)混凝土管在電阻率上將有更大的選擇空間，但根據(jù)式(2)，ρ越大可通過(guò)的電流量將會(huì)減小，不利于套管內(nèi)管道的陰極保護(hù)。因此應(yīng)綜合考慮套管材質(zhì)選取、填充物與套管內(nèi)管道破損情況的相互關(guān)系。

(5)從上述推導(dǎo)可以看出，部分參數(shù)假設(shè)存在不確定性，因此推導(dǎo)結(jié)果更多的是反映各參數(shù)對(duì)ρ的相互關(guān)系，無(wú)法精確得到鋼套管和混凝土管選取的邊界，但可通過(guò)軟件數(shù)值模擬迭代計(jì)算獲得。

3.2 套管內(nèi)電流流向分析

由于地下水能較均勻地滲透過(guò)混凝土管，致使內(nèi)部填充介質(zhì)含水量較均勻，均處于潮濕狀態(tài)，因此電流也能均勻分布，如圖3所示。但水分無(wú)法通過(guò)鋼套管管壁，同時(shí)由于兩端無(wú)法完全密封，因此水份能從兩端滲入，致使端口填充介質(zhì)較潮濕，電阻率較小，中心填充介質(zhì)干燥，電阻率較大，如圖4所示。在這種情況下，電流往往會(huì)沿著鋼套管往兩端朝電阻率小的介質(zhì)流動(dòng)，致使兩端電流量較大，中心電流量較小。

圖3 混凝土套管電流流向和分布

圖4 鋼套管電流流向和分布

因此，若芯管存在防腐層破損點(diǎn)，采用混凝土套管情況下，芯管防腐層破損點(diǎn)處能獲得較均勻的陰極保護(hù)電流。但采用鋼套管情況下，兩端芯管破損點(diǎn)得到的陰極保護(hù)電流比中間芯管防腐層破損點(diǎn)得到的陰極保護(hù)電流大。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從在役套管設(shè)計(jì)和運(yùn)行存在的諸多問(wèn)題出發(fā)，推導(dǎo)出鋼套管和混凝土管選取公式和邊界，并得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)在役套管中陽(yáng)極失效且不可更換性和套管與管道搭接造成陰極保護(hù)失效等是在役套管設(shè)計(jì)需優(yōu)化的關(guān)鍵點(diǎn)，建議采取套管可導(dǎo)通陰極保護(hù)電流的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行優(yōu)化。

(2)通過(guò)公式推導(dǎo)和理論假設(shè)，獲得鋼套管和

(2)通過(guò)公式推導(dǎo)和理論假設(shè)，獲得鋼套管和混凝土套管選取的技術(shù)邊界表達(dá)式。鋼套管外壁自然電位比內(nèi)壁更負(fù)且程度越大，填充物電阻率ρ填充越大、管道極化電阻率ρpol越高、破損點(diǎn)有效直徑d越小、表面積S越大，混凝土套管壁厚L越小，管道自然電位(－E2)和控制電位(－E1)差值越小(即E1－E2越小)，混凝土套管ρ值越大，優(yōu)選混凝土套管范圍越廣。但同時(shí)需注意實(shí)際通過(guò)套管的電流密度相對(duì)減小。

(3)若△E≥0，即鋼套管外壁自然電位比內(nèi)壁更正。此時(shí)相當(dāng)于鋼套管額外增加△E的驅(qū)動(dòng)力，使得鋼套管比混凝土管更容易通過(guò)電流，此時(shí)選取鋼套管比混凝土套管更加有優(yōu)勢(shì)。

(4)若套管內(nèi)芯管存在破損點(diǎn)，混凝土管內(nèi)芯管能獲得較均勻的陰極保護(hù)電流，而鋼套管內(nèi)芯管端口處比中心段得到的陰極保護(hù)電流更多。