姜姝 胡亞博

(中石油管道沈陽(yáng)龍昌管道檢測(cè)中心,遼寧沈陽(yáng) 110034)

埋地鋼質(zhì)管道的陰極保護(hù)準(zhǔn)則

姜姝＊胡亞博

(中石油管道沈陽(yáng)龍昌管道檢測(cè)中心,遼寧沈陽(yáng) 110034)

陰極保護(hù)是保證管道完整性的重要手段,但國(guó)內(nèi)關(guān)于不同陰極保護(hù)準(zhǔn)則在實(shí)際環(huán)境中的適用性并沒(méi)有很好的總結(jié)。本文旨在對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究工作進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上,為工程實(shí)踐提供參考。

埋地管道 陰極保護(hù) 準(zhǔn)則

目前,我國(guó)在役油氣管道已經(jīng)基本形成橫跨東西縱貫?zāi)媳钡墓芫W(wǎng)分布。管道途經(jīng)土壤也基本覆蓋了國(guó)內(nèi)的主要土壤類型,包括東北的黑土、西北的棕漠土、南方的紅壤、西南的酸性土壤以及海濱的鹽漬土等。不同區(qū)域土壤的特性也存在明顯差異,由此造成碳鋼的腐蝕速率也差異很大。雖然土壤千差萬(wàn)別,國(guó)內(nèi)在管道陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)維護(hù)方面普遍應(yīng)用的主要是-850mVOFF電位準(zhǔn)則和100mV極化準(zhǔn)則。幾十年的管道運(yùn)營(yíng)管理經(jīng)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性,但針對(duì)不同準(zhǔn)則在不同環(huán)境中的適用性總結(jié)卻一直進(jìn)展緩慢,這必將不利于陰極保護(hù)技術(shù)的發(fā)展和精細(xì)化管理。本文旨在對(duì)國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究工作進(jìn)行總結(jié)基礎(chǔ)上,為工程實(shí)踐提供參考。

1 陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

目前國(guó)際上現(xiàn)有的陰極保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)有ISO 15589-1、NACE SP0169-2007、EN 12954-2001[3]、AS 2832.1-2004[4]和OCC-1-2005[5]等。Song Fengmei等人[6]針對(duì)不同國(guó)家和地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比結(jié)果存在兩個(gè)鮮明特點(diǎn)：一方面,各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中均不同程度地缺少適用于特殊環(huán)境(如高土壤電阻率環(huán)境、存在微生物腐蝕、管壁上附有腐蝕產(chǎn)物、存在SCC等)的陰保準(zhǔn)則;另一方面,各標(biāo)準(zhǔn)對(duì)通常條件下常用的-850mV ON電位準(zhǔn)則、-850mV OFF電位準(zhǔn)則和100mV極化準(zhǔn)則的推薦程度也不盡相同,沒(méi)有其中任何一個(gè)準(zhǔn)則是在5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中都包括的。NACE SP0169-2007和OCC-1-2005基本一致,同時(shí)包括了這3個(gè)準(zhǔn)則,雖然部分NACE專家對(duì)-850mV ON電位準(zhǔn)則持懷疑態(tài)度,但是在NACE RP/SP0169標(biāo)準(zhǔn)的8次修訂過(guò)程中,-850mV ON電位準(zhǔn)則卻一直保留了下來(lái)。ISO15589-1和EN12954都不包括-850mV ON電位準(zhǔn)則,而且EN12954只給出了-850mV OFF電位準(zhǔn)則一個(gè)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則。AS2832.1則不包括100mV極化準(zhǔn)則。我國(guó)的GB21448-2008[7]是在吸收了ISO 15589-1-2003主要內(nèi)容的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國(guó)管道陰極保護(hù)實(shí)踐編制而成,可參照ISO15589-1的對(duì)比結(jié)果。

2 -850mV準(zhǔn)則

1928年,Robert J. Kuhn[8]在New Orieans第一次將陰極保護(hù)應(yīng)用到埋地管道保護(hù)的工程實(shí)際中,并首次提出了-850mV ON電位準(zhǔn)則,依據(jù)主要為工程實(shí)踐。A.W. Peabody[9]在其專著中從理論上解釋了-850mV準(zhǔn)則的適用性,指出有防腐層覆蓋的埋地管道在土壤中的自然電位多介于-0.5～-0.7VCSE之間。Schwerdtfeger和McDorman[10]在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中測(cè)試了管線鋼在20組無(wú)氧土壤(pH=2.9～9.6)中的電位隨pH的變化情況,并和析氫曲線進(jìn)行了對(duì)比,交點(diǎn)位置處的電位(-0.85 VCSE)即被認(rèn)為達(dá)到陰極保護(hù)的電位,測(cè)試的電位均為去除IR降后的OFF電位。1969年第一版NACE RP/SP0169標(biāo)準(zhǔn)首次將-850mV ON電位準(zhǔn)則和OFF電位準(zhǔn)則同時(shí)包括在內(nèi)。1983年,Barlo等人[11]在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中完成了-850mV準(zhǔn)則在有氧和無(wú)氧環(huán)境中的適用性分析。并進(jìn)一步開(kāi)展了為期5年的試驗(yàn)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。Song Fengmei等人[6]以Barlo等人的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對(duì)-850mV準(zhǔn)則的適用性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

在選取的8處土壤電阻率ρ＜10kΩ·cm試驗(yàn)場(chǎng)中,發(fā)現(xiàn)：56個(gè)滿足-850mV ON電位準(zhǔn)則的試片中只有2個(gè)試片的腐蝕速率大于1mpy,占3.6%;其余146個(gè)未滿足-850mV ON電位準(zhǔn)則的試片中有29個(gè)試片的腐蝕速率大于1mpy,占19.9%。在3處土壤電阻率10k＜ρ＜100k Ω·cm的試驗(yàn)場(chǎng)環(huán)境中,不極化試片中腐蝕速率大于1mpy的比例占33.3%,極化試片電位滿足-850mV ON電位準(zhǔn)則后,腐蝕速率均小于1mpy。在1處土壤電阻率ρ＞100k Ω·cm的試驗(yàn)場(chǎng)環(huán)境中,極化試片和未極化試片的腐蝕速率均小于1mpy。相應(yīng)地,在OFF電位滿足-850mV準(zhǔn)則的試片中,只有1個(gè)試片的腐蝕速率大于1mpy。這也說(shuō)明OFF電位準(zhǔn)則比ON電位準(zhǔn)則更準(zhǔn)確,在使用ON電位準(zhǔn)則時(shí)應(yīng)考慮土壤中可能產(chǎn)生的IR降大小。

YoungGeun Kim等人[12]將CIPS/DCVG結(jié)果與內(nèi)檢測(cè)和開(kāi)挖結(jié)果對(duì)應(yīng)后,61處CIPS結(jié)果顯示電位滿足-850mV準(zhǔn)則的防腐層缺陷處,內(nèi)檢測(cè)結(jié)果和直接開(kāi)挖結(jié)果發(fā)現(xiàn)并不存在明顯的金屬損失,也驗(yàn)證了-850mV準(zhǔn)則的有效性。在剝離涂層下陰保電流無(wú)法進(jìn)入,電位可能不滿足-850mV準(zhǔn)則的位置則存在明顯的金屬損失。Mark Mateer等人[13]針對(duì)其運(yùn)營(yíng)的幾千英里管道在50年內(nèi)由于腐蝕造成的失效事故進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,如圖1所示。在采用-850mV OFF電位準(zhǔn)則后,腐蝕失效事故較采用-850mV ON電位準(zhǔn)則時(shí)進(jìn)一步減少。

3 100mV準(zhǔn)則

100mV準(zhǔn)則最早是由Ewing[14]在1951年提出的。隨著防腐層的老化,-850mV準(zhǔn)則的要求在老管道上往往比較嚴(yán)苛,但又不想新增陰極保護(hù)系統(tǒng)時(shí),則可考慮使用100mV準(zhǔn)則。因此,100mV準(zhǔn)則目前多用于-850mV準(zhǔn)則不適用的地方。Mears和Brown等人[15]認(rèn)為當(dāng)電極極化到陽(yáng)極反應(yīng)的平衡電位Eoc,a時(shí),腐蝕完全消失。通常條件下極化電位每負(fù)移30～60mV,陽(yáng)極反應(yīng)的電流密度降低1個(gè)數(shù)量級(jí)。按此計(jì)算,當(dāng)電極電位負(fù)移100mV時(shí),陽(yáng)極反應(yīng)的電流密度降低為原來(lái)的1/2154～1/46,已很可能滿足0.025mm/a腐蝕速率要求。

表1 100mV準(zhǔn)則和-850mV準(zhǔn)則的對(duì)比分析

NACE SP0169-2007[1]第6.2.2.2.2條款指出：“在含有硫化物、細(xì)菌、高溫、酸性環(huán)境和異種金屬偶接的條件下,100mV準(zhǔn)則不適用”。在這些特殊環(huán)境中,應(yīng)慎用100mV準(zhǔn)則。100mV準(zhǔn)則和-850mV準(zhǔn)則的對(duì)比分析如表1所示,在實(shí)際工程中使用100mV準(zhǔn)則時(shí)應(yīng)具體問(wèn)題具體分析。

4 過(guò)保護(hù)電位

對(duì)于埋地鋼質(zhì)管道而言,過(guò)保護(hù)電位的危害主要體現(xiàn)在防腐層剝離和氫致開(kāi)裂兩個(gè)方面。一方面,在陰極保護(hù)電流的電滲透作用下,H2O和OH-擴(kuò)散到防腐層和基體之間,會(huì)降低防腐層的粘結(jié)力,氫氣的析出也會(huì)促進(jìn)防腐層的鼓脹;另一方面,在過(guò)保護(hù)電位下,基體表面的析出的氫原子擴(kuò)散進(jìn)入管體內(nèi)部會(huì)引起氫致開(kāi)裂。

由于陰極保護(hù)電位對(duì)管道外防腐層的剝離作用,防腐層的抗剝離性能已經(jīng)成了防腐層選材過(guò)程中的一個(gè)重要參考指標(biāo)。A S T M G-8[16]中也規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試方法對(duì)防腐層的抗剝離性能進(jìn)行測(cè)試,評(píng)價(jià)指標(biāo)為破損防腐層的剝離半徑。Markus Betz等人[17]研究了實(shí)驗(yàn)室測(cè)試方法與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況的相關(guān)性。有趣的是,他們的研究結(jié)果表明陰極反應(yīng)產(chǎn)生的NaOH并不會(huì)促使防腐層剝離。由于影響防腐層剝離的因素很多,更深入的認(rèn)識(shí)還有待進(jìn)一步的研究。

關(guān)于陰極極化對(duì)SCC敏感性的影響,劉智勇等人[18]采用快掃慢掃極化曲線結(jié)合的方法,研究了不同極化條件下X70管線鋼在土壤模擬溶液中的SCC敏感性,并給出了敏感性的判定公式。隨著極化電位的負(fù)移,SCC的機(jī)制逐漸由陽(yáng)極溶解機(jī)制(AD機(jī)制)轉(zhuǎn)變?yōu)闅浯鄼C(jī)制(HE機(jī)制)。在陰極保護(hù)過(guò)保護(hù)電位下,SCC裂紋側(cè)面為陰極區(qū),表面析出的氫原子滲透到基體內(nèi)部后會(huì)促進(jìn)裂紋的擴(kuò)展;由于裂紋開(kāi)口小,對(duì)陰保電流有屏蔽作用,裂紋尖端仍可能處于陽(yáng)極區(qū),發(fā)生陽(yáng)極溶解,實(shí)際仍是AD+HE機(jī)制的協(xié)同作用促進(jìn)SCC裂紋擴(kuò)展。

5 結(jié)論

(1)經(jīng)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)、試驗(yàn)場(chǎng)模擬數(shù)據(jù)和管道內(nèi)外檢測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比,驗(yàn)證了-850mV準(zhǔn)則在多種環(huán)境中的適用性;-850mV的OFF電位準(zhǔn)則比ON電位準(zhǔn)則具有更明確的電化學(xué)基礎(chǔ),在實(shí)際應(yīng)用中也具有更好的效果。(2)在-850mV準(zhǔn)則不滿足的情況下,為保證經(jīng)濟(jì)效益,減少新增陰極保護(hù)系統(tǒng),可考慮使用100mV準(zhǔn)則;但在高溫、含細(xì)菌、異種金屬偶接、存在SCC敏感性、存在交流干擾等情況下,應(yīng)慎用100mV準(zhǔn)則。(3)陰極保護(hù)的過(guò)保護(hù)的危害包括防腐層剝離和氫致開(kāi)裂兩個(gè)方面,在實(shí)際工程中應(yīng)避免過(guò)保護(hù)發(fā)生。

圖1 不同陰保電位準(zhǔn)則對(duì)腐蝕失效事故數(shù)量的影響[13]

[1]NACE SP0169-2007 Control of external corrosion on underground or submerged metallic piping systems [S],2007.

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[3]EN 12954 Cathodic protection of buried or immersed metallic structures. General principles and application for pipelines[S], 2001.

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[18]劉智勇.X70鋼酸性土壤環(huán)境應(yīng)力腐蝕實(shí)驗(yàn)研究[D].北京：北京科技大學(xué),2008.

姜姝(1979-),工程師,主要從事油氣管道技術(shù)服務(wù)的生產(chǎn)、標(biāo)準(zhǔn)化管理工作。