王萌萌,彭云超,劉大偉, 閆茂成,高博文, 范衛(wèi)華

(1.國家管網東部原油儲運有限公司,徐州 221008;2.華東管道設計研究院有限公司,徐州 221008;3.中國科學院金屬研究所,沈陽 110016)

近年來,我國經濟高速發(fā)展,大量的城際高速鐵路、城市軌道交通、特高壓電力樞紐、風電和光伏發(fā)電場等基礎設施建成并投入運行,這些基礎設施常與埋地油氣管道交叉、平行敷設,油氣管道雜散電流干擾問題越來越普遍,由此引發(fā)的管體腐蝕及運行安全問題日益突出[1-2]。進入管道的雜散電流從防腐蝕層破損點處流出,管體局部腐蝕速率極大,數月即會發(fā)生穿孔,雜散電流干擾已成為管道腐蝕泄漏事故的主要原因,對管道運行安全構成嚴重威脅[3-4]。

埋設試片方法是評估管道雜散電流干擾程度和陰極保護有效性的最直接、最有效的方法[5],但在實際應用中發(fā)現試片面積對測試結果有很大影響[6]。一般認為,試片應模擬管道上有代表性的防腐蝕層破損點。試片面積過小,其與土壤接觸電阻過大,無法表示涂層破損點的實際狀況;試片面積過大,則可導致結果失真,無法反映管道實際的陰極保護狀態(tài)[7]。試片的陰極保護電位只表示小于試片面積的防腐蝕層破損點滿足保護要求,不能說明大于試片面積的防腐蝕層破損點的保護是否充分[8-9]。

對試片面積的選取和影響,學者們做了一些研究。國際管道研究協會(PRCI)的研究結果表明,當試片面積為9～50 cm2時,其對斷電電位影響不大。GB/T 21246-2020《埋地鋼制管道陰極保護參數測量方法》標準中要求采用探頭或者試片對干擾程度進行評價,推薦試片面積為1～100 cm2。還有研究指出,與涂層質量較好的管道相比,對于涂層質量欠佳或裸鋼管道,應考慮使用較大面積的試片。

綜上所述,試片面積對測試結果影響很大,有必要針對試片面積的影響開展研究。筆者采用試片模擬管道防腐蝕層破損點,針對面積較小的防腐蝕層破損點開展試驗,研究了直流雜散電流干擾下不同面積試片的極化規(guī)律和腐蝕行為,分析了試片面積與腐蝕電流密度、腐蝕速率之間的關系,以期為采用試片評價管道雜散電流干擾程度提供理論依據和工程參考。

1 直流干擾管道現場調查

2019年下半年至2020年,儲運公司管道雜散電流普查結果顯示,魯寧線、甬滬寧線、東黃復線、曹津線等多條管線存在直流干擾。以某受干擾管線為例,在線內檢測(ILI)結果顯示管道壁厚損失,對部分腐蝕點位置進行現場開挖驗證,發(fā)現管道外側腐蝕缺陷在5～7點位置,清除表面附著物后,發(fā)現大部分腐蝕缺陷接近圓形,直徑一般為1～10 mm,圖1所示的腐蝕缺陷面積分別約為0.07 ,0.2 ,1.76 cm2。多個直流干擾管段開挖結果表明,大部分深度超過管壁厚度50%的腐蝕缺陷面積均小于1.5 cm2,且呈面積越小、腐蝕坑越深的趨勢。

圖1 某管線受雜散電流影響的腐蝕形貌

為進一步研究雜散電流干擾情況,對該管道進行全面普查,發(fā)現管道受直流雜散電流干擾明顯。其中約120 km管道疑似受到高壓直流干擾,40 km管道疑似受到地鐵直流干擾。根據GB 50991-2014《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》,針對地鐵干擾段,選取腐蝕缺陷較多、周圍環(huán)境較為復雜的管段進行24 h電位測試,結果如圖2所示。白天斷電電位明顯正于-0.8 V,管段處于欠保護狀態(tài),夜間斷電電位恢復正常,管段受到典型的地鐵直流干擾[10]。腐蝕點位置現場開挖結果顯示,部分管段腐蝕深度超過其壁厚的50%,如圖3所示,嚴重影響了管道的安全運行。

圖2 管段某測試點24 h電位測試結果

圖3 東部儲運公司某管道受干擾狀況匯總

2 試驗方法

選用不同面積的X65管材圓形試片模擬管道不同面積防腐蝕層破損點。將試片放入專用模具中封裝,其正面為裸露的鋼材,背面采用環(huán)氧樹脂將導線與模具連接。模擬防腐蝕層破損點面積分別為0.03,0.3,1.0,6.5 cm2。根據ISO 9223-2012CorrosionofMetalsAndAlloys-CorrosivityofAtmospheres-Classification,DeterminationAndEstimation,試驗前采用砂紙將試片工作面逐級打磨至1000號,分別使用去離子水和無水乙醇清洗、冷風吹干后,置于干燥器中備用。

試驗介質采用開挖現場取回的土壤,自然風干,經過機械研磨后過1 mm分析篩,用去離子水調節(jié)含水量為20%后備用,實驗室測試該土壤的平均電阻率為23 Ω·m。將水和土壤充分混合后,放入實驗箱中,實驗箱尺寸為150 mm × 150 mm。封裝完成的試片、硫酸銅參比電極、鉑電極構成三電極體系(其中試片、鉑電極構成電流回路,硫酸銅電極作為參比電極),將其埋入土壤靜置2 h。

試驗1:直流干擾電壓范圍為-0.5～15 V,直流干擾電壓通過電化學工作站施加,記錄不同條件下試片的陽極電流密度。

試驗2:改變試片面積模擬防腐蝕層破損點,分別對試片施加-0.2,1.0,15 V干擾電壓,進行96 h直流干擾測試,采用uDL2型數據記錄儀采集試片受干擾下的陽極電流密度。試驗結束后,觀察試片表面的腐蝕形貌;使用除銹液(由500 mL HCl、500 mL去離子水和20 g六次甲基四胺配制而成)對試片進行除銹,并依次用去離子水和無水乙醇清洗后吹干,觀察基體的腐蝕形貌;根據GB/T 24513.3-2012《金屬和合金的腐蝕 室內大氣低腐蝕性分類 第3部分:影響室內大氣腐蝕性的環(huán)境參數測定》,使用失重法計算腐蝕速率,如式(1)所示。

(1)

式中:V為試片的腐蝕速率,mm·a-1;ΔW0為試片腐蝕前后的質量損失,g;S為試片面積,m2;ρ為材料密度,g·cm-3;t為腐蝕時間,a。

3 結果與討論

3.1 直流干擾下不同面積試片的極化規(guī)律

由圖4可見,隨著干擾電壓的升高,陽極電流密度逐漸增大,且各面積試片的陽極電流密度均呈現相同的規(guī)律。例如,當試片面積為0.3 cm2時,在-0.5,1.0,15 V干擾電壓下試片的陽極電流密度分別為0.3,4.7,48.1 A·m-2。

圖4 在-0.5～15V直流電壓干擾下不同面積試片的陽極電流密度變化

由圖5可見:陽極電流密度隨干擾電壓的增大而顯著增加;當干擾電壓低于2 V時,試片電流密度呈指數型增大;當干擾電壓高于2 V時,電流密度增速減緩。在相同干擾電壓下,試片的電流密度隨試片面積的增大而明顯減小。以干擾電壓5 V時為例,面積為0.03,0.3,1.0,6.5 cm2的試片,其陽極電流密度分別為115,18,9,3 A·m-2。面積最小的試片,其陽極電流密度最大,0.03 cm2試片的電流密度是6.5 cm2試片的38倍。

圖5 施加干擾電壓與陽極電流密度關系

由圖6可見,陽極電流密度與干擾電壓呈正相關,與試片面積呈負相關。對于相同面積試片,干擾電壓越大,陽極電流密度越大;同一干擾電壓下,試片面積越小,陽極電流密度(腐蝕速率)越大。

圖6 在-0.5～15 V干擾電壓下試片的陽極電流密度與試片面積的關系

3.2 不同面積試片的直流干擾腐蝕行為

3.2.1 陽極電流密度

由圖7(a)可見:在-0.2 V干擾電壓下,試片的陽極電流密度與試片面積呈負相關,即試片面積越大,陽極電流密度越小,0.3 cm2試片的腐蝕電流密度最大;隨時間的延長,陽極電流密度逐漸增加,其中0.3 cm2試片的腐蝕電流密度增速較快,6.5 cm2試片的電流密度增速較為緩慢。

圖7 在-0.2,1.0,15 V直流干擾電壓下試片的陽極電流密度隨時間的變化

由圖7(b)可見:在1.0 V干擾電壓下,試驗前期試片的電流密度與試片面積呈負相關,即試片面積越小,陽極電流密度越大,其中0.3 cm2試片的腐蝕電流密度最大;在約30 h后,0.3 cm2試片的電流密度出現波動并降低。該情況可能是兩種因素導致的[11-12]:(1)較高的電流密度在土壤中出現熱效應,加快水分蒸發(fā),導致土壤含水率降低,從而使周圍土壤電阻率升高,電流密度急速下降;(2)0.3 cm2試片表面更易于覆蓋較為嚴密的腐蝕產物,阻止表面電流的正常流出。

由圖7(c)可見:在15 V干擾電壓下,0.3 cm2試片的電流密度仍最大;0.3 cm2和1 cm2試片的電流密度的波動趨勢一致;6.5 cm2試片的陽極電流密度較穩(wěn)定,沒有較大波動。0.3 cm2和1 cm2試片的電流密度波動可能是試驗過程中試片周圍土壤環(huán)境變化引起的。試驗過程中土壤溫度升高,試片表面土壤出現干燥結塊現象,土壤含水率急劇降低,電阻率急劇增大[13]。此外,試片表面腐蝕產物膜的形成與破裂也可能是電流密度劇烈波動的原因之一。圖7再次表明,在不同干擾電壓下,試片面積越小,電流密度越大[14]。

3.2.2 腐蝕形貌

在-0.2 V直流干擾電壓下,試片表面有少量的腐蝕產物,去除產物后表面有輕微腐蝕痕跡。由表1可見:在1 V直流干擾電壓下,試片表面腐蝕產物都較為明顯,腐蝕產物呈紅褐色,主要為Fe3O4、Fe2O3[15];去除腐蝕產物后,0.3 cm2試片表面出現麻點狀局部腐蝕形貌,這與文獻報道的結果一致[16-17];而6.5 cm2試片表面腐蝕程度較輕。由表2可見,在15 V干擾電壓下,試片表面紅褐色腐蝕產物明顯增多;去除腐蝕產物后,0.3 cm2試片表面出現圓形腐蝕坑,1 cm2試片表面的腐蝕坑較為明顯,6.5 cm2試片表面較為平整。

表2 在15 V電壓下經96 h直流干擾測試后試片的腐蝕形貌

綜上所述可知,直流干擾電壓越大,腐蝕產物越多,試片腐蝕越嚴重。當干擾電壓較大時,腐蝕產物呈紅褐色,多孔,質地較為疏松。在不同干擾電壓下,6.5 cm2試片均呈均勻腐蝕形貌,0.3 cm2和1 cm2試片表面出現了局部腐蝕形貌,尤其是在15 V直流干擾下,試片出現圓形腐蝕坑。

3.2.3 腐蝕速率

由圖8可見,試片的腐蝕速率受試片面積影響顯著;在相同干擾電壓下,試片的腐蝕速率隨試片面積的增加而減小;當試片面積相同時,腐蝕速率隨干擾電壓的增大而增大?？傮w而言,直流干擾電壓與腐蝕速率呈正相關,試片面積與腐蝕速率呈負相關,這與文獻報道的結果相吻合[18]。

圖8 在不同電壓下經96 h直流干擾測試后不同面積試片的腐蝕速率比較

當干擾電壓為-0.2 V時,1 cm2試片的腐蝕速率(7.132 mm·a-1)是6.5 cm2試片的(1.517 mm·a-1)4.70倍;當干擾電壓為1 V時,1 cm2試片的腐蝕速率(12.22 mm·a-1)是6.5 cm2試片的(4.742 mm·a-1)2.58倍;當干擾電壓為15 V時,1 cm2和6.5 cm2試片的腐蝕速率分別為23.86 mm·a-1和15.91 mm·a-1,兩者相差1.50倍。

4 結論

(1) 陽極電流密度與干擾電壓呈正相關,與試片面積呈負相關。在相同干擾電壓平下,試片的電流密度和腐蝕速率均隨破損面積的減小而增大,1 cm2試片的腐蝕速率是6.5 cm2試片的4.70倍。當試片面積相同時,其腐蝕速率隨干擾電壓的升高而增大。

(2) 在評估管道局部腐蝕速率風險時,對于受到明顯直流雜散電流干擾的管段,推薦使用1～6.5 cm2試片進行腐蝕速率評估,可使用1 cm2試片進行點蝕評價,使用6.5 cm2試片進行均勻腐蝕評價。為嚴格控制腐蝕風險,準確預測局部腐蝕速率,根據現場開挖情況,推薦使用面積較小且接近實際涂層破損點面積的試片進行腐蝕程度評估。

(3) 為了及時發(fā)現雜散電流腐蝕風險,宜根據現場破損點面積定制腐蝕速率監(jiān)測設備,用于實時監(jiān)測管道的腐蝕速率。