閻宗攀

（國家管網(wǎng)集團(tuán)北方管道有限責(zé)任公司沈陽檢測技術(shù)分公司，遼寧沈陽，110168）

1 引言

隨著油氣資源的開發(fā)以及能源市場的急增，管道運(yùn)輸在世界范圍內(nèi)得到了飛速發(fā)展，已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)的命脈。目前我國油氣管道的建設(shè)正處于蓬勃發(fā)展之中。但是隨著管線的增多，管齡的增長，因腐蝕等問題造成的管道泄漏事故頻頻發(fā)生[1,2]。埋地管道沿途地形復(fù)雜，土壤的腐蝕特性、外防腐層的破壞、微生物等因素的綜合相互作用，造成嚴(yán)重的管道外腐蝕。管道腐蝕問題已成為制約油氣安全和節(jié)能降耗的重要因素。油氣田集輸管道、長輸管道由于埋設(shè)條件復(fù)雜，管道的腐蝕狀況尤為突出。管道腐蝕穿孔后大量油品泄漏，會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，而且存在著火和爆炸危險(xiǎn)，危害極大，造成直接和間接經(jīng)濟(jì)損失非常巨大。因此本文針對(duì)目前評(píng)價(jià)管道內(nèi)外腐蝕的主要檢測數(shù)據(jù)及評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行了分析，以期為埋地管道的腐蝕防護(hù)提供借鑒。

2 主要評(píng)價(jià)要素

2.1 外腐蝕因素

2.1.1 土壤

關(guān)于土壤對(duì)管道的腐蝕性研究，國外開始的較早。美國國家標(biāo)準(zhǔn)局從1922年起在全國128個(gè)地點(diǎn)埋設(shè)三萬六千多個(gè)試件，進(jìn)行了土壤腐蝕試驗(yàn)，取得了大量的資料，初步探討了土壤腐蝕的各種因素，得出了一些對(duì)生產(chǎn)有一定指導(dǎo)意義的結(jié)論，但沒有明確各個(gè)因素之間的主次關(guān)系及其內(nèi)在聯(lián)系。在我國，最初于五十年代開始土壤腐蝕性研究，大慶油田在1972年對(duì)埋地管線進(jìn)行了較詳細(xì)的調(diào)查。近幾年，中科院南京土壤所、沈陽腐蝕所、大慶石油設(shè)計(jì)院土防室等單位聯(lián)合建立了土壤腐蝕網(wǎng)站，取得了大量的實(shí)際數(shù)據(jù)，為今后的進(jìn)一步研究提供了第一手資料。

目前，土壤腐蝕研究的主要目標(biāo)是進(jìn)行土壤的腐蝕性評(píng)價(jià)，只有對(duì)各種各樣土壤的腐蝕性作出正確的評(píng)價(jià)，才能為地下工程的設(shè)計(jì)、防腐措施的制定等提供科學(xué)依據(jù)。有關(guān)傳統(tǒng)的土壤腐蝕的評(píng)價(jià)方法，主要有單指標(biāo)法和多因素綜合指標(biāo)法。在單指標(biāo)法中，主要有土壤電阻率法、含水量法、土壤交換性酸總量和pH值法等。該種方法對(duì)土壤腐蝕性進(jìn)行評(píng)價(jià)只考慮影響土壤腐蝕性的部分因素，方法簡單但帶有片面性，有時(shí)還會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的結(jié)論。多項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)法就是選擇某些對(duì)金屬腐蝕影響比較嚴(yán)重的土壤理化性質(zhì)進(jìn)行綜合考慮，得出評(píng)價(jià)指標(biāo)，美國ANSIA21.5打分法、德國Baeckman綜合評(píng)分指標(biāo)（DVGW）評(píng)價(jià)方法都是近些年應(yīng)用廣泛的綜合指標(biāo)評(píng)定法。在對(duì)土壤腐蝕綜合指標(biāo)中，評(píng)價(jià)因素的選取上有兩種趨勢，一是綜合、全面地考慮土壤的腐蝕因素，這種方法具有考察全面、準(zhǔn)確性較高的優(yōu)點(diǎn)，但操作復(fù)雜，難度較大；二是對(duì)評(píng)價(jià)因素進(jìn)行篩選，以主要的因素作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，這種方法雖然操作簡單，但可能存在一定的盲目性和主觀性；此外，由于各國的實(shí)際情況不同，針對(duì)土壤腐蝕的認(rèn)識(shí)和概念也有所不同，對(duì)不同土壤理化性質(zhì)打分的標(biāo)準(zhǔn)也不一定都合適。這些方法在我國的適用性并不非常理想，目前國內(nèi)在多項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)方面尚無一套成型的方法。因此，針對(duì)具體的土壤，采取一定的方法，科學(xué)正確地選取土壤的主要腐蝕因素，將影響土壤腐蝕性的主要理化指標(biāo)權(quán)重進(jìn)行綜合分析，對(duì)土壤的腐蝕性強(qiáng)度進(jìn)行分類，從而為防腐設(shè)計(jì)和防腐措施提供依據(jù)是土壤腐蝕特性研究的趨勢[3,4]。

在我國，對(duì)于土壤腐蝕性的主要有綜合法和單指標(biāo)法兩種。

綜合法：根據(jù)GB/T 19285-2014《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)》中提出了土壤腐蝕性綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，包括土壤電阻率、管道自然腐蝕電位、土壤pH值、土壤質(zhì)地、土壤含水量、土壤含鹽量、土壤Cl-含量8項(xiàng)指標(biāo)，根據(jù)不同參數(shù)的分值加和確定所測試土壤的腐蝕特性，分為強(qiáng)、中、較弱、弱四個(gè)等級(jí)。

單指標(biāo)法：在GB/T 21447-2008《鋼制管道外腐蝕控制規(guī)程》中指出，單指標(biāo)評(píng)價(jià)主要包括以下三個(gè)參數(shù)，分別為電流密度/平均腐蝕速率（表1）、土壤電阻率（表2）和氧化還原電位（表3），具體評(píng)價(jià)指標(biāo)如下所示。其中氧化還原電位評(píng)價(jià)主要是針對(duì)土壤中微生物腐蝕，而其他兩相單指標(biāo)可以認(rèn)為是土壤腐蝕性能的綜合指標(biāo)。

表1 土壤腐蝕性分級(jí)

表2 一般地區(qū)土壤腐蝕性分級(jí)

表3 土壤細(xì)菌腐蝕評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.1.2 防腐層

防腐層是埋地管道外腐蝕防護(hù)的第一道防線，也是有效減少所需要陰極保護(hù)電流的關(guān)鍵，它能夠有效地將管體與土壤腐蝕環(huán)境分隔開，起到了屏蔽的作用。

目前，對(duì)于長輸管道來說，相關(guān)規(guī)范中均推薦采用了3PE防腐層，要求其絕緣電阻率≥105Ω·m2；但是從目前各大油田的管道防腐層應(yīng)用現(xiàn)狀來說，尤其是針對(duì)大慶油田、勝利油田等老油田，其集輸管網(wǎng)系統(tǒng)依然多采用石油瀝青防腐層（由于對(duì)環(huán)境的污染，已經(jīng)停止使用），在已經(jīng)廢止的SY/T 0036-2000《埋地鋼質(zhì)管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，分別給出了不同防腐層要求的電阻率，如表4所示。

表4 不同外防腐層類型所要求的最小面電阻率

而對(duì)于輸油管道、集油管道來說，尤其是高凝原油需要高溫輸送，一般設(shè)置聚氨酯保溫層，即黃夾克，但是一旦黃夾克外層發(fā)生破損，內(nèi)部聚氨酯層具有吸收水分作用，大量腐蝕性介質(zhì)沉積在管道表面，引發(fā)管道的嚴(yán)重外腐蝕問題。圖1為現(xiàn)場外層黃夾克發(fā)生破損后聚氨酯層腐蝕性介質(zhì)侵蝕后的宏觀圖像，從圖中可以看出，在聚氨酯與管道表面接觸的位置生成了大量的腐蝕產(chǎn)物，管道外表面遭到了嚴(yán)重的破壞。

圖1 腐蝕性介質(zhì)侵蝕后的黃夾克保溫層

因此，對(duì)于管道外防腐層來說，需要最大程度地保證其完整性，一旦發(fā)現(xiàn)防腐層發(fā)生破損，需要及時(shí)對(duì)其進(jìn)行修復(fù)。

2.1.3 陰極保護(hù)與雜散電流

陰極保護(hù)是一種有效地電化學(xué)保護(hù)方法，主要分為強(qiáng)制電流陰極保護(hù)和犧牲陽極陰極保護(hù)。目前在長輸管道上多采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，而在站場區(qū)域陰極保護(hù)中主要采用強(qiáng)制電流+犧牲陽極的共同保護(hù)方法。

目前常用的陰極保護(hù)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則指出，當(dāng)金屬設(shè)施的斷電電位處于-0.85～-1.2 V（相對(duì)于飽和硫酸銅參比電極）之間時(shí)，管道處于正常陰極保護(hù)電位區(qū)間內(nèi)，此時(shí)管道的腐蝕速率可以忽略不計(jì)。在相關(guān)陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)中也指出，在不同環(huán)境中，如針對(duì)高強(qiáng)鋼、硫酸鹽還原菌環(huán)境中，陰保電位區(qū)間有所調(diào)整。陰極保護(hù)電位區(qū)間的設(shè)置主要考慮兩個(gè)方面：最小陰極保護(hù)電位的設(shè)置原則是指在該陰極保護(hù)電位條件下管道的全面腐蝕速率在可接受的范圍內(nèi)（國際上公認(rèn)應(yīng)≤0.076 mm/a），而最大陰極保護(hù)應(yīng)保證被保護(hù)鋼材不發(fā)生析氫反應(yīng)。而在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中也以不影響防腐層與金屬的粘結(jié)強(qiáng)度為標(biāo)準(zhǔn)的最大陰極保護(hù)電位，如石油瀝青防腐層為-1.5 V、煤焦油瓷漆為-3.0 V、環(huán)氧粉末為-2.0 V。

與陰極保護(hù)相對(duì)應(yīng)的是管道所受環(huán)境的雜散電流，分別交流和直流雜散電流兩種，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中給出了判斷雜散電流干擾程度的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于直流干擾來說，多采用管地電位正向偏移量和土壤表面電位梯度（平行于管道與垂直于管道兩個(gè)方向）來判斷，如表5所示：當(dāng)管地電位正向偏移≥100 mV，或土壤表面電位梯度＞2.5 mV/m時(shí)，需要采取相應(yīng)的防護(hù)措施。

表5 直流干擾評(píng)價(jià)指標(biāo)

而對(duì)于交流干擾來說，當(dāng)交流干擾電壓大于4 V時(shí)，需要計(jì)算交流電流密度來判斷干擾程度，如表6所示：當(dāng)交流電流密度≥30 A/m2時(shí)，建議采用防護(hù)措施。

表6 交流干擾評(píng)價(jià)指標(biāo)

2.2 內(nèi)腐蝕因素

管道內(nèi)腐蝕受到諸多因素的影響，目前常用的內(nèi)檢測方式僅僅只能針對(duì)管道壁厚參數(shù)進(jìn)行采集，多次內(nèi)檢測數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)齊實(shí)現(xiàn)對(duì)管道內(nèi)腐蝕平均速率的預(yù)測。實(shí)際上，管道壁厚減薄的關(guān)鍵因素難以描述，比如在內(nèi)檢測之前需要對(duì)齊進(jìn)行清管，而管道內(nèi)壁的垢層是微生物腐蝕的關(guān)鍵。上述原因造成了管道內(nèi)檢測結(jié)果僅僅能夠用于評(píng)價(jià)管道目前的狀態(tài)，而難以從腐蝕因素角度來提出相應(yīng)的措施[5]。

圖2以原油集輸管道為例分析了不同單因素變化對(duì)管道全面腐蝕速率的影響，主要包括原油含水率、管內(nèi)流速、氣體分壓和溫度四個(gè)因素。事實(shí)上，對(duì)于原油管道來說，管道內(nèi)腐蝕不是單一因素作用的結(jié)果，也不是某個(gè)關(guān)鍵因素作用的結(jié)果。除前述四個(gè)因素之前，如管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)、立管底部的波動(dòng)狀態(tài)、加藥劑情況等等都是影響管道內(nèi)腐蝕的關(guān)鍵，因此管道的內(nèi)腐蝕目前僅僅能夠通過腐蝕速率來進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖2 不同單因素變化對(duì)管道全面腐蝕速率的影響

3 結(jié)論與建議

管道的內(nèi)外腐蝕評(píng)價(jià)問題受到諸多因素的影響。相對(duì)于管道的內(nèi)腐蝕問題來說，管道的外腐蝕檢測及評(píng)價(jià)相對(duì)簡單，形成了如GB/T 19285-2014《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護(hù)工程檢驗(yàn)》、GB/T 21447-2008《鋼制管道外腐蝕控制規(guī)程》等技術(shù)規(guī)范，也形成了相關(guān)的技術(shù)規(guī)范（如GB/T 21448-2008《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》、GB/T 23257-2009《埋地鋼質(zhì)管道聚乙烯防腐層》等）。而由于管道內(nèi)檢測困難、影響因素多、數(shù)據(jù)清洗和應(yīng)用復(fù)雜等因素，目前在GB/T 23258-2009《鋼質(zhì)管道內(nèi)腐蝕控制規(guī)范》中也僅僅能夠通過腐蝕速率來進(jìn)行評(píng)價(jià)。而隨著管道數(shù)字孿生體、管道大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，建立符合現(xiàn)場實(shí)際工況的多參數(shù)管道腐蝕速率速率模型，對(duì)描述管道狀態(tài)的實(shí)時(shí)變化，具有重要意義。