絕緣防腐蝕層缺陷對油氣管線陰極保護中IR降的影響

周 勇,王 楠,郭自新,魏克穎,張世虎

(1. 西安石油大學 材料科學與工程學院，西安 710065； 2. 長慶油田采氣三廠，烏審旗 017300)

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絕緣防腐蝕層缺陷對油氣管線陰極保護中IR降的影響

周 勇1,王 楠1,郭自新2,魏克穎2,張世虎2

(1. 西安石油大學 材料科學與工程學院，西安 710065； 2. 長慶油田采氣三廠，烏審旗 017300)

采用試片斷電法，通過室內模擬試驗研究了絕緣防腐蝕層缺陷對陰極保護IR降的影響規律。結果表明：管線施加陰極保護管/地電位時，IR降隨著恒電位儀輸出電位的增加而增大;在相同的管/地電位下，IR降會隨著絕緣防腐蝕層破損面積的增大而增大，缺陷大小和陰極保護度呈負相關性。

埋地管道；陰極保護；防腐層缺陷；IR降

管道對其臨近土壤中參比電極的電位差(管/地電位)是用來反映管道陰極極化程度和保護效果的重要參數，但由于在測量過程中可能存在測量電流、保護電流、雜散電流、二次電流及絕緣防腐蝕層和土壤電阻等因素,會造成電位差(簡稱IR降)[1]，導致地表法測量的陰極保護電位不能真實反映埋地管道的極化程度[2]。絕緣防腐蝕層和土壤電阻造成的IR降有時高達數百毫伏，而在傳統的陰極保護設計過程中，往往忽視了絕緣防腐蝕層缺陷對陰極保護電位IR降的影響[3-4]，因此，利用管/地電位根據經驗評價不同服役年限埋地管道的陰極保護效果會造成較大的誤差，從而影響埋地管道陰極保護的有效性。我國油氣管線總長度已超過1×105km，不同管線的服役年限相差十幾年，甚至更長。而國內大部分的管道管理部門采用測量管/地電位來調整恒電位儀的輸出。隨著管線服役年限的增加，絕緣防腐蝕層破損或剝離現象十分突出[5]，為了給管線陰極保護評價提供更加科學的依據，研究絕緣防腐蝕層缺陷對管線陰極保護電位的影響具有重要的意義。

本工作通過涂層試片模擬不同大小的缺陷，采用試片斷電法研究絕緣防腐蝕層缺陷對陰極保護IR降的影響規律，從而為不同服役年限的管線陰極保護評價提供依據。

1　試驗

1.1試樣

采用X65管線鋼，其化學成分(質量分數/%)為:wC0.090,wMn1.60,wP0.020,wS0.004,wSi0.350,wNb0.060,wV0.060,wCr0.25,wNi0.30,wMo0.30,wTi0.025,余量為鐵。尺寸為60 mm× 45 mm×5 mm。試片用砂紙打磨光滑，酸性去油，本試驗采用0 mm×0 mm(A)，10 mm×10 mm(B),20 mm×20 mm(C)的裸露面積來模擬涂層破損缺陷，其余位置涂上環氧絕緣樹脂。

1.2試驗方法

試驗箱采用聚氯乙烯板箱體，尺寸為3 600 mm×1 800 mm×800 mm，上部用絕緣板覆蓋。將殺菌后的土壤置于箱體內，土壤含水率為15%(質量分數,下同)。試驗方法采用近參比法。恒電位儀采用石家莊無線電十廠生產的HT-1712H直流穩壓電源。輔助陽極選用碳硅棒，掩埋深度為30 mm。陰極選用不同裸露面積的試片。參比電極選用便攜式硫酸銅參比電極(CSE)，參比電極與試片相距10 cm。通斷電電位測量選用MS-85型數字萬用表及存儲式電壓采集卡。

試驗選取A、B、C 3種不同裸露面積的試片將其置于土壤環境中，分別在-0.8 V、-1.0 V、-1.2 V、-1.4 V極化電位下測量斷電電位和IR降，并進行50 d土壤腐蝕試驗，觀察、分析陰保效果。腐蝕失重分析采用SY/T 0029-2012標準，腐蝕形貌觀察采用日本電子株式會社生產的JSM6390A掃描電鏡。

2　結果與討論

2.1管/地電位對斷電電位和IR降的影響

埋地管道的陰極保護電位是衡量管道陰極保護有效性的主要參數，我國的GB/T 21448 - 2008《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》規定：管道陰極保護電位(即管/地界面極化電位)應為-850 mV或更負(文中電位若無特指，均相對于銅/硫酸銅電極,CSE)，而管/地界面極化電位一般可用斷電電位進行測量。圖1為3種試片斷電后電位的變化過程。由圖1可見，在斷開電源的瞬間，不同裸露面積試片的保護電位明顯下降，然后有一個去極化的過程。當極化電位從-0.8 V降至-1.4 V時，裸露面積為2 cm×2 cm的試片的斷電電位由：-0.64 V降至-0.86 V，IR降由-0.16 V降至-0.54 V,斷電電位和IR降均隨管地電位的增加而增加，陰極極化效應增加。A，B兩種試片的斷電電位和IR降與C試片呈現相似規律。此外，在4種極化電位下，隨著試片裸露面積的增加，去極化的時間都延長。

2.2絕緣防腐層缺陷大小對斷電電位及IR降的影響

由圖1可見，在相同的陰保電位下，試片的斷電電位隨裸露面積增加而升高，IR降也隨之增大。同時，在管/地電位較高時，裸露面積的增加對斷電電位和IR降的影響相對較小；而管/地電位較高時，裸露面積的增加對斷電電位和IR降的影響相對較大。出現這種情況主要與IR降中的阻抗有關。IR降中的阻抗主要包括土壤的阻抗與涂層的阻抗，當管/地電位較小時，相對極化電流較小，涂層阻抗變化引起的IR降相對較小，反之則較大。另外，從圖1,2中還可見，管/地電位要達到-1.4 V時，試片的斷電電位才低于-850 mV，由涂層破損引起的最大IR降約為50 mV，而且IR降隨著極化電流的增加而增加，說明絕緣防護層中的缺陷大小對斷電電位及IR降均存在較大的影響。

2.3絕緣防腐層缺陷對陰極保護度的影響

由表1可見,在相同陰保電位下,隨著試片裸露面積的增大，試樣的質量損失增大。陰保電位為-0.8 V和-1.0 V時，試片的陰極保護度低于85%；而陰保電位為-1.2 V時，帶缺陷試片的保護

表1　3種試片在不同陰保電位下的質量損失 及保護度Tab. 1　Weight loss and protection degree of 3 kinds of samples at different cathodic potentials

度低于85%,對無缺陷的試片的保護度可達到92.7%。當陰保電位為-1.4 V時，各試片的斷電電位均負于-0.85 V，達到陰極保護的要求，三種試片的保護度都達到了90%以上。以上分析表明，試片裸露面積和陰極保護度呈負相關性，隨著裸露面積的增大，試片陰極保護度降低。

由圖3可見，裸露面積為1 cm×1 cm的試片表面出現了比較緊密的腐蝕點，有少量腐蝕產物覆蓋，試片發生輕微腐蝕；而裸露面積為2 cm×2 cm的試片表面出現了幾處明顯的蝕孔與蝕坑，且試片表面腐蝕產物疏松，腐蝕程度高于裸露面積為1 cm×1 cm的試片。這表明管/地電位有時不能反映試片的真實陰極保護電位，且在相同的管/地電位下，涂層中的缺陷大小對試片的腐蝕存在較大的影響，這一結果與2.2節絕緣防腐層缺陷大小對IR降的影響基本一致。

因此，若要使有防腐蝕層缺陷的管道得到有效保護，必須根據防腐蝕層的缺陷大小對恒電位儀輸出的參數進行動態調節，缺陷面積越大，陰極保護電位正向偏移越大，即IR降越大，若不調節恒電位儀的輸出電流，會使得管道極化程度不夠，進而發生腐蝕。在油氣田管道陰極保護中，對于服役年限較長的管線，要適當提高陰保電位或通過測量斷電電位調整陰保電位，避免管線由于絕緣防腐蝕層老化導致腐蝕穿孔。

3　結論

(1) 對于有陰保的管線，IR降隨著恒電位儀輸出電壓的增加而增加，且隨著防腐蝕涂層缺陷面積的增加，去極化的時間變長。

(2) 在相同的管/地電位下，防腐蝕絕緣層的破損會使陰極保護電位發生正向偏移，IR降會隨著破損面積的增大而增大。

(3) 防腐蝕層破損面積和陰極保護度呈負相關性，隨著破損面積的增大，試片陰極保護度減小。

(4) 建議在陰極保護現場根據管線服役情況，及時調整恒電位儀輸出參數，使保護的管網處于有效的保護狀態。對于防腐蝕層缺陷嚴重的管線，一定要對其進行實時監測加強保護，避免腐蝕加劇。

[1]NACE Standard RP-01-69Recommended practice，control of external corrosion on underground of submerged metallic piping systems[S].

[2]GB/T 21448-2008埋地鋼質管道陰極保護技術規范[S].

[3]PEABOY A W. Control of pipeline corrosion[M]. Houston:NACE,1967.

[4]BENEDIC L. Classic papers and reviews on anode resistance fundamentals and applications[M]. Houston:NACE,1986.

[5]李彬. 陰極保護下埋地管道涂層及腐蝕與防護態勢評價方法研究[D]. 成都:西南石油大學,2004.

Effect of the Damage Area of Coating on IR Drop of Cathodic Protection for Oil and Gas Pipeline

ZHOU Yong1, WANG Nan1, GUO Zi-xin2, WEI Ke-ying2, ZHANG Shi-hu2

(1. School of Material Science and Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China；2. The Third Gas Production Plant of PetroChina Changqing Oilfield Company, Wushenqi 017300, China)

Breakpoint test and indoor simulated experiment were used to investiguate the effect of damaged area of coating on IR drop of cathodic protection. The results showed that IR drop increased when potentiostat output voltage increased for the pipeline with cathodic protection. Meanwhile, in the same voltage, IR drop increased when the damage area increased, and defect size and cathodic protection efficiency was negatively correlated.

buried pipeline; cathodic protection; coating defect; IR drop

10.11973/fsyfh-201609014

2015-11-13

陜西省重點學科專項(ys37020203); 西安石油大學優秀碩士學位論文培育項目(2015yp140512)

周 勇(1963-),教授,博士,主要從事石油工程材料表面工程技術研究,13892815331,yzhou@xsyu.edu.cn

TG174

B

1005-748X(2016)09-0753-03