孫偉棟

(管網(wǎng)集團(tuán)(徐州)管道檢驗(yàn)檢測(cè)有限公司 ,徐州 221008)

海底管道是海洋油氣開(kāi)發(fā)和利用的重要輸送通道之一,在我國(guó)渤海、東海和南海海域均有相當(dāng)數(shù)量的海底管道,由于其所處海洋環(huán)境具有較高的導(dǎo)電率和流動(dòng)性,腐蝕性強(qiáng),通常采用外防腐(蝕)層結(jié)合陰極保護(hù)來(lái)提供腐蝕防護(hù)[1-2],以防止腐蝕泄漏而污染海洋環(huán)境。海底管道陰極保護(hù)設(shè)計(jì)大多采用犧牲陽(yáng)極,以鐲式陽(yáng)極為主,具有較好的免維護(hù)性,使用初期也帶來(lái)了諸多便利。但是,由于近海航運(yùn)及相關(guān)作業(yè)較多,近海海底管道要求埋入海泥中,且近海區(qū)域海水渾濁,海底能見(jiàn)度為零,犧牲陽(yáng)極消耗狀況及管道保護(hù)電位難以檢測(cè),海底管道陰極保護(hù)有效性處于未知狀態(tài),這影響了海底管道的完整性管理[3-4]。

通常,海底管道陰極保護(hù)有效性涵蓋犧牲陽(yáng)極工作狀況和海底管道保護(hù)電位是否達(dá)標(biāo)兩方面[5-6]。陸上埋地管道陰極保護(hù)檢測(cè)常用密間隔電位法(CIPS)和直流電位梯度法(DCVG),而海底管道由于沿線無(wú)測(cè)試樁且無(wú)成熟工具,這些方法無(wú)法應(yīng)用。水下目視、單點(diǎn)電位檢測(cè)[7-10]以及陰極保護(hù)數(shù)值模擬[10-13]是當(dāng)前常見(jiàn)的海底管道陰極保護(hù)有效性評(píng)估方法。常規(guī)的水下目視和電位檢測(cè)主要應(yīng)用于鋪在海床上且有一定能見(jiàn)度的深海管道,通過(guò)水下遙控機(jī)器人(ROV)錄像和電位檢測(cè)直觀觀察犧牲陽(yáng)極的消耗狀況并檢測(cè)犧牲陽(yáng)極工作電位,結(jié)合陰極保護(hù)數(shù)值模擬技術(shù)反演和預(yù)測(cè)犧牲陽(yáng)極壽命,并進(jìn)行優(yōu)化改造設(shè)計(jì)[10]。然而,對(duì)于埋入海泥中的近海海底管道來(lái)說(shuō),相關(guān)研究較少。這主要是由于可采取的技術(shù)研究手段有限,且費(fèi)用和風(fēng)險(xiǎn)均較高[3-4]。隨著海底管道服役年限越來(lái)越長(zhǎng),犧牲陽(yáng)極消耗增加,腐蝕風(fēng)險(xiǎn)也愈發(fā)增長(zhǎng),亟需尋求相對(duì)簡(jiǎn)單可信的評(píng)估方法,指導(dǎo)后期維護(hù)與優(yōu)化。

筆者以近海海底原油管道為研究對(duì)象開(kāi)展海底管道陰極保護(hù)有效性評(píng)估方法研究,首先對(duì)部分服役環(huán)境參數(shù)與初始設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比,結(jié)合陰極保護(hù)數(shù)值模擬方法計(jì)算獲取了陰極保護(hù)電位分布和犧牲陽(yáng)極輸出電流,并預(yù)測(cè)了犧牲陽(yáng)極的壽命,最后測(cè)試了海底管道兩端絕緣接頭處的電位及海中2處海底管道保護(hù)電位,打撈了某犧牲陽(yáng)極并開(kāi)展了詳細(xì)的測(cè)試分析,對(duì)冊(cè)鎮(zhèn)線海底管道犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)有效性進(jìn)行了評(píng)估,并對(duì)評(píng)估方法進(jìn)行了討論。

1 冊(cè)鎮(zhèn)線海底管道犧牲陽(yáng)極陰極基礎(chǔ)信息

冊(cè)鎮(zhèn)線海底原油管道于2006年2月28日投產(chǎn),管道起自冊(cè)子島輸油站,至冊(cè)子島大沙灣下海,于鎮(zhèn)海新鴻口登陸上岸,沿海翔路北側(cè)敷設(shè)至達(dá)嵐山輸油站。全長(zhǎng)45 km,其中陸地管道7.5 km,海底管道37.5 km,管徑762 mm,材質(zhì)為L(zhǎng)415(陸上)和X60(海底)鋼。

海底管道采用管線自埋技術(shù),埋深約在海床下1.5～2 m處,海水最深處約30 m。海底管道采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)和環(huán)氧粉末防腐層聯(lián)合防護(hù),并帶有鋼筋混凝土配重層。外防腐層為單層環(huán)氧粉末(FBE),涂料干膜厚度450～500 μm。犧牲陽(yáng)極為鐲式鋁合金犧牲陽(yáng)極,尺寸765 mm×895 mm×524 mm×100 mm(內(nèi)徑×外徑×長(zhǎng)度×間隙),數(shù)量509個(gè),單只陽(yáng)極質(zhì)量220 kg。海中段和登陸段犧牲陽(yáng)極的布置間距分別為72 m和60 m。設(shè)計(jì)壽命35 a,設(shè)計(jì)最小保護(hù)電位為-0.85 V(相對(duì)于銅/硫酸銅參比電極,CSE),犧牲陽(yáng)極工作電位為-0.95 V(相對(duì)于銀/氯化銀參比電極,SSC)。設(shè)計(jì)選取海泥電阻率100 Ω·cm,陽(yáng)極電容量2 100 A·h/kg。初始涂層破損率為3%,最終破損率為13%,陽(yáng)極利用因子為0.8。

2 陰極保護(hù)數(shù)值模擬與檢測(cè)方法

2.1 陰極保護(hù)數(shù)值模擬基本原理

當(dāng)海底管道犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),由于所處區(qū)域海泥較均勻,根據(jù)電荷守恒定律,其電位分布滿足Laplace方程[10-15]:

?2φ=0

(1)

式中:?是Laplace算子;φ為海泥中各處的電位。

假設(shè)海底管道及其陰極保護(hù)系統(tǒng)區(qū)域被表面Γ包圍,則:

Γ=ΓA+ΓC+ΓI

(2)

式中:ΓI為絕緣表面,采用恒定電流密度作為邊界條件,絕緣表面無(wú)電流流入流出,電流密度為零;ΓC和ΓA分別為陰極保護(hù)系統(tǒng)中海底管道和犧牲陽(yáng)極的外表面,邊界條件常根據(jù)極化函數(shù)確定,該函數(shù)表示了極化電流密度J與極化電位E之間的關(guān)系,可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)量確定,即:

J=f(E)

(3)

對(duì)于有防腐層的海底管道,上述極化電流密度應(yīng)乘以防腐層破損率(防腐層破損率參照設(shè)計(jì)值)。由于極化邊界條件或求解區(qū)域具有復(fù)雜性,無(wú)法通過(guò)解析方法得到Laplace方程的解,只能采取數(shù)值計(jì)算方法如有限差分法、有限元法或邊界元法等獲得數(shù)值解。其中,邊界元法的離散和計(jì)算都只在邊界上,減少了未知數(shù)的個(gè)數(shù),計(jì)算得到的邊界上的電位和電流密度是陰極保護(hù)的關(guān)鍵參數(shù)[10-15],基于此,筆者采用了邊界元計(jì)算方法。

2.2 犧牲陽(yáng)極和管材的服役特性測(cè)試

2.2.1 海泥電導(dǎo)率測(cè)試

海泥電導(dǎo)率測(cè)試采用電阻率(或電導(dǎo)率)測(cè)試盒進(jìn)行。測(cè)試時(shí)將海泥鋪在盒內(nèi),在測(cè)試盒的兩端施加電流I,測(cè)量中間兩個(gè)電極之間的電壓U,由此得到兩電極之間的電阻R=U/I。該測(cè)試盒為特制測(cè)試盒,故而電阻率ρ=U/I(單位:Ω·cm),電導(dǎo)率為100/ρ(單位:S/m)。

2.2.2 犧牲陽(yáng)極電化學(xué)性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 17848-1999《犧牲陽(yáng)極電化學(xué)性能試驗(yàn)方法》測(cè)試犧牲陽(yáng)極的電化學(xué)性能。將陽(yáng)極試樣加工成直徑16 mm,長(zhǎng)48 mm,表面粗糙度Ra1.6的陽(yáng)極棒,并在一端加工M3 mm×8 mm連線。陽(yáng)極棒分別用去離子水和酒精清洗、除油并吹干,在烘箱內(nèi)105 ℃烘烤30 min,等冷卻至室溫后對(duì)試樣稱量,再次烘烤、稱量,直至兩次稱量結(jié)果之差低于0.4 mg,取兩次結(jié)果的平均值作為試樣的質(zhì)量,然后上端連接銅螺紋桿,用PVC管封裝兩端,露出長(zhǎng)28 mm的圓柱面作為工作表面,陽(yáng)極試樣的工作面積為14 cm2,非工作面用絕緣性強(qiáng)的硅膠封住,以避免陽(yáng)極工作面與密封面之間發(fā)生縫隙腐蝕。試驗(yàn)中的輔助陰極采用316L不銹鋼圓筒,工作面積約為840 cm2。試驗(yàn)介質(zhì)為取自海底管道所在海域的天然海泥。測(cè)試內(nèi)容包括犧牲陽(yáng)極的開(kāi)路電位、工作電位、表面溶解性、電容量、電流效率及消耗率。

2.2.3 管材在海泥中的極化曲線測(cè)試

試驗(yàn)材料為X60(鋼),采用線切割機(jī)加工試樣,尺寸為2 cm×2 cm×5 cm,一面用銅導(dǎo)線焊接,保留另一面的工作面積為4 cm2,其他部分用環(huán)氧樹(shù)脂密封。測(cè)量前對(duì)試樣進(jìn)行表面除油、清洗并吹干。試驗(yàn)介質(zhì)為取自海底管道所在海域的天然海泥。

極化曲線測(cè)量采用標(biāo)準(zhǔn)的三電極體系,即工作電極為X60試樣,輔助電極為鉑電極,參比電極為飽和甘汞電極(SCE)。測(cè)量?jī)x器為武漢科思特CS2350H雙恒電位儀,掃描速率為0.5 mV/s,掃描范圍為-1.2～-0.6 V(相對(duì)于SCE)。

2.2.4 海底管道電位測(cè)試

在海底管道兩端登陸段絕緣接頭處,采用地表參比法檢測(cè)了海底管道電位。海中區(qū)域海水較渾濁,海底管道附近水下能見(jiàn)度為零,為此自研了電位檢測(cè)裝置,由潛水員攜帶包含2個(gè)參比電極的探頭,采用鋼芯刺穿防腐層接觸管體,將電位信號(hào)通過(guò)電纜傳至甲板,采用萬(wàn)用表讀取海底管道的電位,解決了海底零能見(jiàn)度無(wú)法目測(cè)和開(kāi)展常規(guī)電位測(cè)試的難題。測(cè)試示意圖和測(cè)試裝置實(shí)物見(jiàn)圖1。

圖1 海底管道電位測(cè)試示意及實(shí)物圖Fig.1 Schematic(a) and physical diagram (b) of potentialtesting for submarine pipelines

2.2.5 犧牲陽(yáng)極狀況測(cè)試

在測(cè)量區(qū)域打撈某犧牲陽(yáng)極,采用3D幾何掃描技術(shù)構(gòu)建犧牲陽(yáng)極表面3D形貌,計(jì)算犧牲陽(yáng)極消耗總量。提取犧牲陽(yáng)極表面坑蝕處的殘留物,采用日本理學(xué)公司D/max 2500 PC型X射線粉末衍射儀測(cè)試其成分。

3 結(jié)果與討論

3.1 犧牲陽(yáng)極和管材服役環(huán)境測(cè)試結(jié)果與分析

3.1.1 海泥電導(dǎo)率

海底管道所在區(qū)域海泥電阻率的3次測(cè)試結(jié)果分別為117.88,118.94,119.84 Ω·cm,平均電阻率為118.89 Ω·cm,對(duì)應(yīng)電導(dǎo)率為0.84 S/m。實(shí)際電阻率略高于初始設(shè)計(jì)值(100 Ω·cm),這降低了犧牲陽(yáng)極輸出電流量和海底管道保護(hù)電位分布均勻性。

3.1.2 犧牲陽(yáng)極電化學(xué)性能

犧牲陽(yáng)極在所處海泥中的電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果如下:開(kāi)路電位-1.127 V(相對(duì)于銅/硫酸銅參比電極,CSE,文中若無(wú)特指,均相對(duì)于CSE),工作電位-1.058 V,實(shí)際電容量2 141 A·h·kg-1,消耗率4.09 kg·(A·a)-1,電流效率74.6%,且海泥中陽(yáng)極表面溶解較均勻,陽(yáng)極腐蝕產(chǎn)物易脫落,可以看出,陽(yáng)極工作電位實(shí)測(cè)值較設(shè)計(jì)值(-1.00 V)更負(fù)。電化學(xué)性能測(cè)試結(jié)果表明:陽(yáng)極在所處海域的電化學(xué)性能良好。

3.1.3 管材在海泥中的極化曲線

海底管道所在海域地處溫帶,其在海泥中陰極保護(hù)中期所需平均電流密度約為20 mA/m2[10],與在海泥介質(zhì)中的實(shí)測(cè)自腐蝕電流密度接近,見(jiàn)圖2。由于海底管道表面涂有熔結(jié)環(huán)氧粉末防腐層,實(shí)際所需電流密度與涂層破損率相關(guān)。由于無(wú)法直接獲得實(shí)際的涂層破損率,在數(shù)值計(jì)算時(shí)采取與設(shè)計(jì)相同的破損率。

圖2 X60在海泥介質(zhì)中的極化曲線Fig.2 Polarization curve of X60 in marine mud medium

3.2 數(shù)值模擬

由于設(shè)計(jì)參數(shù)與實(shí)測(cè)結(jié)果存在差異,基于實(shí)測(cè)結(jié)果采用數(shù)值模擬方法計(jì)算獲得海底管道陰極保護(hù)電位和犧牲陽(yáng)極輸出電流,分別用于評(píng)估海底管道陰極保護(hù)效果和預(yù)估犧牲陽(yáng)極的壽命。

基于給定的模擬條件計(jì)算獲得犧牲陽(yáng)極輸出電流和海底管道保護(hù)電位分布,見(jiàn)表1。犧牲陽(yáng)極壽命與陽(yáng)極凈質(zhì)量、陽(yáng)極輸出電流、陽(yáng)極消耗率和陽(yáng)極利用率等息息相關(guān)。通常,犧牲陽(yáng)極壽命=陽(yáng)極凈質(zhì)量×陽(yáng)極利用率/(陽(yáng)極輸出電流×陽(yáng)極消耗率)。已測(cè)得犧牲陽(yáng)極的平均消耗率為4.09 kg·(A·a)-1,鐲式陽(yáng)極利用率為0.8,陽(yáng)極凈質(zhì)量為220 kg,基于計(jì)算獲得的陽(yáng)極輸出電流,預(yù)估犧牲陽(yáng)極的壽命,結(jié)果見(jiàn)表1,可以看出,陽(yáng)極能夠滿足35 a的設(shè)計(jì)壽命。模擬結(jié)果表明:初始涂層(破損率3%)和最終涂層(破損率13%)的保護(hù)電位達(dá)均滿足-850 mV或更負(fù)的標(biāo)準(zhǔn)要求,海底管道均處于有效保護(hù)中。

表1 陽(yáng)極的各項(xiàng)參數(shù)模擬結(jié)果

3.3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

3.3.1 海底管道陰極保護(hù)電位

由表2可見(jiàn):鎮(zhèn)海側(cè)和冊(cè)子島側(cè)絕緣接頭、海中1處測(cè)得的電位均達(dá)標(biāo);海中2處2019年7月17日測(cè)得的電位為-0.790 V,保護(hù)不達(dá)標(biāo),主要原因在于該處有4 m的防腐層均被完全打磨,裸露面積過(guò)大導(dǎo)致極化減弱,8月6日工裝安裝后測(cè)得裸露長(zhǎng)度減小至0.53 m,8月7日測(cè)得保護(hù)電位約為-0.971 V,保護(hù)達(dá)標(biāo)。8月13日裸露管段涂覆防腐涂料后,測(cè)得保護(hù)電位約為-1.009 V,保護(hù)達(dá)標(biāo),電位水平得到了進(jìn)一步提升。

表2 冊(cè)鎮(zhèn)線海底管道電位測(cè)試結(jié)果

2022年7月27日,對(duì)冊(cè)鎮(zhèn)線海底管道海中2處管卡、犧牲陽(yáng)極及管道電位進(jìn)行了檢測(cè),且使用了新檢測(cè)設(shè)備,其與舊檢測(cè)設(shè)備的主要區(qū)別在于設(shè)置了兩個(gè)相同的銀氯化銀參比電極且配備了具有數(shù)據(jù)處理功能的末端設(shè)備。由表3可見(jiàn):在同一測(cè)試點(diǎn),新設(shè)備測(cè)得電位誤差為0.19%～3.31%,滿足設(shè)計(jì)需求;管卡兩側(cè)管道保護(hù)電位達(dá)標(biāo);管卡固定螺栓與犧牲陽(yáng)極吊裝點(diǎn)均處在有效保護(hù)狀態(tài);管卡處犧牲陽(yáng)極平均工作電位為-1.103 V,較試驗(yàn)值正移5 mV,仍負(fù)于設(shè)計(jì)選用的犧牲陽(yáng)極電位(-1.00 V)。

表3 海底管道及陽(yáng)極的電位測(cè)試結(jié)果

由圖3可見(jiàn):A-B段的電位約為-0.403 V,為潛水員攜帶檢測(cè)裝置入水后鋼芯在海水中的自然電位;鋼芯接觸管卡螺栓后,出現(xiàn)了由B-C的變化,此為螺栓的電位,約穩(wěn)定在-1.045 V。

圖3 冊(cè)子島側(cè)管卡螺栓測(cè)點(diǎn)的電位變化情況Fig.3 Potential changes at the measuring points of the pipeclamp bolts on the island side of the booklet

3.3.2 犧牲陽(yáng)極服役狀況

現(xiàn)場(chǎng)打撈了海管1處附近某鐲式犧牲陽(yáng)極,外觀形貌如圖4所示?？梢钥闯?除了犧牲陽(yáng)極外表面的管頂側(cè)有較大缺陷外,其他表面陽(yáng)極消耗較輕;犧牲陽(yáng)極外表面管頂側(cè)的缺陷主要是由拆除作業(yè)過(guò)程中的沖擊力造成的,有幾處為腐蝕坑。

圖4 犧牲陽(yáng)極外表面和內(nèi)表面宏觀形貌Fig.4 Macro morphology of the sacrificial anode at outer surface (a) and inner surface (b)

采用3D幾何掃描技術(shù)對(duì)犧牲陽(yáng)極外表面管頂側(cè)進(jìn)行了掃描,統(tǒng)計(jì)了13處較大局部損失(部分疑為打撈時(shí)作業(yè)造成的)的外形尺寸,陽(yáng)極密度按照鋁的密度2 700 kg/m3計(jì)算,初步測(cè)算其腐蝕質(zhì)量損失為3.094 kg;此外,陽(yáng)極整體厚度減薄1 mm,長(zhǎng)度基本不變,均勻損失體積為1.373×10-3m3,對(duì)應(yīng)腐蝕質(zhì)量損失為3.707 kg。綜上,打撈犧牲陽(yáng)極的總腐蝕質(zhì)量損失約為6.8 kg。

由于冊(cè)鎮(zhèn)線海底管道及犧牲陽(yáng)極均為埋設(shè),且海底管道具有混凝土配重層,環(huán)境變化較小,在正常陰極保護(hù)情況下,陽(yáng)極的消耗速率取決于因老化防腐層破損率的變化,按照標(biāo)準(zhǔn)ISO 15589-2-2015推薦參數(shù)[5],FBE涂層的起始破損率為0.03,年增破損率為0.001 5,在過(guò)去14 a內(nèi)的平均破損率為0.040 5,在未來(lái)的21 a內(nèi)平均破損率為0.066 8。按照上述參數(shù)測(cè)算未來(lái)陽(yáng)極的腐蝕質(zhì)量損失為16.8 kg。中間摘除1支犧牲陽(yáng)極后,質(zhì)量損失按照2倍計(jì)算為33.6 kg,現(xiàn)有陽(yáng)極質(zhì)量213.2 kg,可利用陽(yáng)極質(zhì)量為170.6 kg,即完全能夠滿足壽命要求。

在現(xiàn)場(chǎng)提取了犧牲陽(yáng)極內(nèi)側(cè)、外側(cè)和兩處缺陷內(nèi)的殘留物,其中犧牲陽(yáng)極內(nèi)側(cè)附著物呈灰黑色,其余3處的附著物呈灰白色。對(duì)附著物進(jìn)行粉末X射線衍射分析測(cè)試,結(jié)果顯示附著物主要成分為SiO2,即主要為泥土,部分含有少量Al和CaCO3,屬于正常打撈脫落和陽(yáng)極附屬產(chǎn)物。總體來(lái)看,陽(yáng)極產(chǎn)物的溶解性良好。

3.4 討論

陰極保護(hù)數(shù)值模擬方法可以計(jì)算得到整條海底管道的電位分布和犧牲陽(yáng)極輸出電流,進(jìn)而可評(píng)估陰極保護(hù)效果并預(yù)估犧牲陽(yáng)極的壽命。其效果取決于還原海底管道陰極保護(hù)的準(zhǔn)確性,涉及的參數(shù)包括海底管道及犧牲陽(yáng)極的幾何尺寸和位置、海泥電導(dǎo)率、管材極化特性、犧牲陽(yáng)極材料電化學(xué)性能、以及防腐層破損率等。大多參數(shù)可通過(guò)室內(nèi)實(shí)測(cè)獲取,犧牲陽(yáng)極位置和防腐層破損狀況可通過(guò)內(nèi)檢測(cè)獲取,以進(jìn)一步提高陰極保護(hù)數(shù)值模擬法評(píng)估近海海底管道陰極保護(hù)有效性評(píng)估結(jié)果的可靠性。

4 結(jié) 論

(1) 海底管道服役環(huán)境參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果結(jié)合陰極保護(hù)數(shù)值模擬方法能夠獲取海底管道電位分布和犧牲陽(yáng)極輸出電流,進(jìn)而評(píng)估海底管道陰極保護(hù)有效性。在冊(cè)鎮(zhèn)線海底管道中的應(yīng)用結(jié)果顯示,犧牲陽(yáng)極壽命能夠滿足初始設(shè)計(jì)35 a要求,且壽命期內(nèi)海底管道保護(hù)電位達(dá)標(biāo)。

(2) 采用常規(guī)地表參比法在海底管道兩端絕緣接頭處、海中管道、管卡處,通過(guò)工具自研實(shí)現(xiàn)了海中段的海底管道陰極保護(hù)電位檢測(cè),檢測(cè)結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了海底管道陰極保護(hù)有效性。在冊(cè)鎮(zhèn)線海底管道上的測(cè)試結(jié)果顯示海底管道處于有效保護(hù),取出的犧牲陽(yáng)極消耗量較少,陽(yáng)極產(chǎn)物溶解性良好,預(yù)期犧牲陽(yáng)極能夠滿足設(shè)計(jì)壽命要求。

(3) 實(shí)際環(huán)境取樣測(cè)試校核初始設(shè)計(jì)并結(jié)合數(shù)值模擬方法獲得的海底管道陰極保護(hù)有效性評(píng)價(jià)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果吻合性好,二者相互驗(yàn)證能夠有效評(píng)價(jià)近海海底管道犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)有效性。