海上平臺管線腐蝕評估及維修方法

馮 勇

(中海石油(中國)有限公司天津分公司遼東作業公司 天津300457)

1 腐蝕分析與處理思路

1.1 腐蝕概況

某海上平臺在運行的一條管線，在日常檢查中發現一區域的管線外部三層聚乙烯3 PE(3-LAYER PE COATING)防腐層破損，層下出現了鼓包、腐蝕情況(鼓包區域尺寸約15 cm×10 cm)，影響了管線的穩定運行。

鑒于管線處于運行階段，為了最大程度降低生產影響，需要對腐蝕區域立即進行數據測量并開展腐蝕評估，以及據此制定下一步維修或更換方案。該管線主要參數如表1 所示。

表1 管線參數表Tab.1 Pipeline parameters table

1.2 腐蝕機理分析

海洋環境對管線具有較高腐蝕性，根據海拔高度可將腐蝕區域劃分為大氣區、浪花飛濺區、潮差區、海水全浸區和海泥區5 個區域，其中浪花飛濺區由于所處的位置特殊，受到多種因素影響，對于不具備鈍化特性的一般鋼材而言，該區域是海洋環境5 個區帶中腐蝕最嚴重的區帶[1]。本文中管線腐蝕區域正處于浪花飛濺區。

通過檢查腐蝕區域外部3PE 防腐層，其存在外力導致的破損。結合腐蝕區域的銹層分析，加之該區域處于浪花飛濺區，空氣潮濕，水分和鹽分較大，在此環境下暴露的金屬材料表面會形成連續的電解液薄膜，進而發生電化學腐蝕。此工況下氧的擴散比全浸狀態下更容易，液膜越薄，大氣腐蝕的陰極過程就越容易，腐蝕速率較大。海管立管表面產生銹蝕后，銹層不再對金屬起到保護作用，且銹層和基體鋼之間存在局部電池作用，會加速腐蝕，見圖1。腐蝕機理如圖2 所示。

圖1 管線腐蝕Fig.1 Pipeline corrosion

圖2 腐蝕機理圖Fig.2 Corrosion mechanism diagram

①由于氧氣量不足、溫度較低等原因，具有保護性的氧化膜不易形成，隨著溶解氧的濃度持續變大，氧極限擴散電流也將增大，致使氧離子化反應速度增大，腐蝕速度明顯變大[2]。一般情況下，腐蝕反應產物經歷 Fe(OH)2→Fe(OH)3→Fe2O3。當腐蝕產物以Fe2O3為主要成分時，其所形成的鐵銹層的結構疏松、多孔，對鋼結構基本沒有保護作用[3]。

②在適當環境濕度范圍內，銹層與管線鋼材的局部電池形成開路，在Fe/Fe3O4界面上會產生如下陽極反應：

在 Fe3O4/FeO(OH)界面上則會產生如下陰極反應：

在反應過程中，加大陰極電流，對陰極起到去極化作用，加速腐蝕。

1.3 維修方案

根據管線發生腐蝕機理原因分析制定維修方案。主要思路為：①對腐蝕區域打磨處理，測量壁厚數據；②根據剩余壁厚評估制定維修方案，即維修或更換；③采取措施保證管線有效防腐。

2 管線腐蝕維修處理

2.1 腐蝕區域處理

對腐蝕區域外部3PE 防腐層進行環切，裸露內部管線金屬表面。環切時注意從3PE 層內鼓起面與平面的交叉處為起點，切開后向外擴張撕扯掉防腐層。使用銅錘除掉銹層，用銅碗刷進行打磨和拉毛處理，直到鋼材表面呈現金屬本色，并要求金屬表面處理的質量等級至少達到St2 級(完全除去金屬表面的油污、氧化皮、銹蝕產物和舊防腐層，殘留的銹斑和氧化皮等引起微變色的面積在任何 100 mm×100 mm 面積上不得超過5%，并除凈粉塵[4])，之后用干燥的高壓氣體對處理表面進行吹掃。

2.2 剩余壁厚測量和腐蝕評估

對處理好的區域利用超聲波測厚儀進行測厚，方法如下：在管線周長上均等測量8 個點為一組數據，再沿管線軸向每間距10 mm 測量一組數據，對薄弱點區域進行加密測量，最終測得最薄剩余壁厚3.45 mm(原始壁厚9.5 mm)。

管線的腐蝕將導致管線強度的降低，從而引起事故發生。因此，對腐蝕管線進行評價，并根據評估結果做出管線是否繼續服役、維修或更換的決策十分有必要。

根據鋼質管道管體腐蝕損傷評價方法對管體腐蝕損傷評定類別進行劃分[5]，具體如表2 所示。

表2 管體腐蝕損傷評定類別劃分Tab.2 Classification of corrosion damage assessment of pipe

2.2.1 按腐蝕坑相對深度評定

蝕坑相對深度按照式(1)進行計算：

式中：A為腐蝕坑相對深度(%)；d為實測的腐蝕區域最大腐蝕坑深度(mm)；t為管道公稱壁厚(mm)。

計算：A＝(9.5-3.45)/9.5×100%＝63.68%

因為60%＜A=63.68%＜80%，故還應計算腐蝕縱向長度評定和環向腐蝕影響評定。

2.2.2 環向腐蝕尺度C 的影響

環向腐蝕長度，即實際腐蝕區域在垂直于軸線的圓周方向上的投影弧長。

式中：D為管道公稱外徑(mm)；C為實測的腐蝕坑在垂直于管道軸線的圓周方向上的投影弧長(mm)。

因為60%＜A＝63.68%＜80%，且C＞(2)，故還應計算腐蝕最大允許縱向長度。

2.2.3 腐蝕縱向長度評定最大允許縱向長度按照式(3)計算：

式中：L為最大允許縱向長度(mm)；Lm為實測的腐蝕區域最大縱向投影長度(mm)；B為系數，當A＞17.5%時，按照式(4)計算：

按照式(3)計算，L＝26.05 mm＜Lm。

按照式(4)計算，B＝0.581 6。

2.2.4 最大安全壓力評價

根據ASME B31G 最大安全壓力評價公式，對于防腐區域長度很長時，可利用式(5)計算：

式中： ′

P 為最大安全壓力(MPa)；P為設計壓力(MPa)。

根據式(5)，計算最大安全壓力′P=3.08 MPa＜操作壓力(5 MPa)。

綜上計算結果，該管線腐蝕損傷評定類別為第3等級，即該管線腐蝕較嚴重，需降壓運行或予以處理。根據評級結果，現場計劃對腐蝕減薄區域進行維修(補強修復方案)，以恢復管線的穩定運行。

2.3 管線腐蝕修復

目前管線防腐層修復材料主要為2 種：①熱縮聚乙烯防腐制品及冷纏或熱縮防腐纏繞帶；②雙組分無溶劑涂料，主要有環氧和聚氨酯品種[6-7]。為了便于施工和達到既定的防腐效果，還要考慮海上作業條件及設備和機具使用的限制，本文綜合應用2 種工藝，即冷纏防腐纏繞帶加防腐劑的方式，同時采用補強金屬膠和加強纏繞帶對管線的腐蝕進行補強，達到了設計運行壓力7.7 MPa 的要求，見表3。

表3 補強材料清單Tab.3 List of reinforcing materials

在正式施工之前，需要根據管線運行工況及加強材料性能參數計算得出補強工藝計算書。通過計算得知金屬膠需涂抹厚度為3～5 mm，加強纏繞帶纏繞12 層，纏繞厚度約為4 mm，纏繞區域為以腐蝕區域的下區域為界線，上下各延長120 mm。

2.3.1 補強金屬膠

補強金屬膠為雙組分配置，使用時需將AB 組分攪拌均勻，充分混合。用抹刀將配制好的金屬膠涂抹到處理好的腐蝕表面，并確保金屬膠填補所有凹凸處抹平、無氣泡。金屬膠涂抹厚度為3～5 mm。施工后約2 h 檢查金屬膠的固化情況，并測量其固化后的硬度。用邵氏硬度儀對表面補強位置進行硬度測試，邵氏硬度達80 HD 以后為合格。當金屬膠固化后，用砂紙修磨成管道外形，把突出的部位打磨掉，以減少局部應力集中。

2.3.2 環氧樹脂防腐

環氧樹防腐劑為雙組分配置，使用前需要充分混合，混合后顏色應均勻，沒有條紋。將配置好的防腐劑在管線外表面整體涂抹均勻，涂抹厚度為0.762～1.524 mm。如果環境溫度過低(低于10 ℃)，則在施工前 1 h 需將未混合的環氧樹防腐劑泡在 30～40 ℃的溫水中進行加溫，1 h 后進行充分混合后方可使用。

2.3.3 加強纏繞帶

展開加強纏繞帶，使其盡可能貼近管線表面，不要拉長纏繞。加強纏繞帶應該始終保持拉直，并與管線軸線方向保持垂直，而且按照如下纏繞方法進行施工：加強纏繞帶應該圍繞管線進行螺旋纏繞，順序為從下到上，然后返回從上到下，依此類推，不得改變纏繞順序，每層纏繞帶應保證50%面積重合纏繞。當第一次纏繞完成后，需進行一次100%面積的疊加纏繞，每層需要噴水，然后再反向纏繞，最終在管線外部纏繞12 層(根據計算書確定)。每一次纏繞都需要緊致、平整、沒有褶皺。

2.3.4 束緊帶纏繞

當完成了加強纏繞帶的纏繞施工后，需要在外面繼續纏繞4 層(50% 疊加纏繞)束緊帶，如圖3 所示，加強繃帶初步固化后可拆除束緊帶。

圖3 補強工藝流程圖Fig.3 Flow chart of reinforcement process

待以上施工完成后，還需在5 ℃以上的溫度下固化24 h，方可完成整個維修過程。

3 結 語

通過對管線腐蝕成因及腐蝕程度進行評估，明確了管線腐蝕治理的方案，采取補強修復方案恢復了管線的正常運行。整個維修過程簡單、可靠、操作性強，對于有類似缺陷的管線維修提供了一定參考。