某采用外加電流陰極保護與犧牲陽極聯合保護管線外腐蝕因素及控制措施

蔣 志 張昌會 杜 涓 沈武冬 唐 詩 馬 蠡 何 沫

（1. 中國石油 西南油氣田分公司川中油氣礦工藝研究所，四川 遂寧 629000；2. 中國石油西南油氣田分公司川中油氣礦管道與銷售部，四川 遂寧 629000；3. 中國石油 西南油氣田分公司安全環保與技術監督研究院，四川 成都 610040）

0 引言

隨著外防腐層加外加電流（或犧牲陽極）陰極保護[1,2]的防腐技術在管道保護的廣泛運用，有些管線采用了采用了聯合陰保，但由于各種原因，忽視了犧牲陽極對外加電流陰保系統的影響，相應在保護電位檢測方法、犧牲陽極性能檢測方面存在一些缺陷。同時，由于外防腐層破損，在硫酸鹽還原菌腐蝕作用下，以及局部陰保屏蔽影響下，保護電位即使負于-850mV，但局部管段仍存在較嚴重的外腐蝕。本文擬通過調查管線外腐蝕現狀，分析外腐蝕主要因素，提出了相應的解決措施和技術思路。

1 腐蝕概況

根據智能檢測，該管線外腐蝕比較普遍，個別管段還比較嚴重。2016年3月智能檢測該管線共檢測到11213個金屬損失異常特征，其中8794處為外部金屬損失特征，且最集中的外部金屬損失位于44～48km之間的管道上，如圖1所示。

圖1 2016年檢測外部金屬損失圖

且通過與2010年智能檢測對比，外腐蝕有加重的趨勢。其中有增長跡象占31.4%，新增金屬損失占5.9%，如圖2所示。

2 原因分析

通過對可能造成管線外腐蝕的因素進行檢測分析，其中管線材質、土壤腐蝕性、陰保有效性評價中陰保機測試、絕緣接頭測試、雜散電流測試等未發現明顯問題，經分析，主要原因如下：

圖2 2010年及2016年外部金屬損失變化對比

2.1 外防腐層破損嚴重

該管線1991年投產，采用石油瀝青外防腐層，由于投用時間長，防腐層老化失效，破損嚴重，2012年11月四川宇通公司對該管線部分管段開展防腐層PCM檢測、探坑檢測：A段2494m，5級防腐層有1128m，占45.2%；B段3030m，4級防腐層3030m，占100%； C段1056m，5級防腐層有1056m，占100%。

通過開挖也驗證了局部防腐層破損嚴重，如圖3所示。

圖3 外防腐層破損

外防腐層破損會加大陰保電流漏失，加快犧牲陽極損耗和陰保機輸出電流漏失。同時，在陰保不達標段會引起土壤腐蝕。

對外腐蝕，智能檢測只能檢測目前管道外部金屬損失，不能判斷防腐層的優劣，可能存在保護電位達標情況下，外部金屬損失不大，但防腐層破損嚴重的情況，造成陰保電流大量流失漏失，從而對陰保系統造成不利影響。

2.2 犧牲陽極失效及陰保站附近的犧牲陽極對外加電流干擾

該管線1991年投產，同步采用犧牲陽極進行陰極保護。但由于設計、建設原因，犧牲陽極直接與管道焊接連接，未設置犧牲陽極檢測樁，給后期的檢測維護帶來困難，故通過開挖探坑的方式進行了檢測。

關閉強制電流后，對該管線其中10處犧牲陽極進行測試：

管地電位：-0.92～-1.08V（注意：管地電位僅指犧牲陽極處電位，距離較遠處管地電位會下降。

輸出電流：0.03～13.8mA ，大部分為0.1～0.4mA，輸出不足。

接地電阻：1.7～19.6Ω （大于10 Ω 較多，說明結殼現象較嚴重，不利于電流輸出）

根據以上檢測情況分析，犧牲陽極失效大致分以下兩種：

一種情況是有些正常輸出保護電流的犧牲陽極由于使用時間長，不斷消耗，導致保護電位、電流、開路電壓下降，導致失效；在犧牲陽極開路電位（指與其當前的表面狀態所對應的開路電位。根據華中科技大學汪世雷等人研究[3]，由于陽極極化電流的活化作用，犧牲陽極的表面狀態會產生巨大的變化，這種表面狀態所對應的開路電位遠負于初始開路電位）正于外加陰保電流的保護電位時，外加陰保電流會通過犧牲陽極泄放到大地（電流反轉）。開強制電流后，管地電位有微小變化，對4個開挖坑檢測，其中2處發現電流方向反轉（犧牲陽極開路電位正于外加電流電壓）。

還有一種情況是由于鋅合金陽極表面結殼、填料包的安裝、使用原因或安裝位置不合適等原因造成陽極表面密度低，腐蝕產物無法移走[4]，電流不能正常輸出，檢測出來開路電壓較高（有些還有-1.08V），雖然表面看起來比較完整（如圖4所示），但輸出電流只有幾個毫伏，不能滿足需要，從安裝起不久就處于失效狀態。對4個開挖坑檢測，其中2處電流未反轉（犧牲陽極開路電位負于外加電流電壓）。

此外，陰保站附近的犧牲陽極也可能造成對參比電極信號的干擾，使恒電位儀不能正常工作。

因此失效犧牲陽極會給陰保系統帶來不利影響，應及時拆除。

圖4 犧牲陽極

2.3 硫酸鹽還原菌腐蝕

對管線局部腐蝕嚴重的管段，進行了換管，同步開展了土壤腐蝕性檢測化驗、硫酸鹽還原菌經取樣分析，（如表1所示）。發現一般管道腐蝕強的位置，土壤腐蝕性較強，同時還發現土壤中含硫酸鹽還原菌（如表2所示）。

根據GB/T 21448-2017《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》中4.4.2節對陰極保護電位的規定，對存在硫酸鹽還原菌腐蝕風險的缺氧土壤和水環境，最小保護保護電位應達到-950mV。

采用面積為50cm2的極化探頭測試，換管段保護電位均未達-0.95V，除10號坑不是缺氧土壤和水環境外，其余換管段是由于硫酸鹽還原菌的存在，造成管線防腐層破損處嚴重的點蝕。10號坑管線腐蝕位于堡坎下，為絕緣層破損處陰保屏蔽造成大氣腐蝕。

此外，需要注意的是，由于犧牲陽極的存在，對保護電位測試也提出了特殊的要求，需要采用極化探頭或極化試片進行測試，且其試片面積應和管道防腐層漏失點面積匹配。

表1 土壤腐蝕性評級

表2 硫酸鹽還原菌測試結果

2.4 陰極保護屏蔽

在某些特殊位置，雖然管道保護電位達標，但由于可能存在陰保屏蔽，管道仍然會發生外腐蝕。這是由于到達保護管線的陰極保護電流小于管道所需的最小保護電流造成的，陰保屏蔽可以發生在從陽極床到管道之間的任何地方，尤其是有較大絕緣電阻的熱縮套、防護涂敷層的脫粘失效點、堡坎下回填土不足處（如圖5所示）、金屬套管與管線連通導致陰保電流不能在被保護管線上形成回路較常見[5]。

圖5 堡坎下回填土不足造成陰保屏蔽

2.5 局部特殊埋設環境

（1）局部腐蝕嚴重管段在38.82～39.77Km處較為集中。是因為檸檬園土地整改造成管線部分裸露或淺埋，部分埋在土里（如圖6所示）。由于裸露或淺埋部分（裸露部分防腐層老化更快），氧氣易擴散到管道防腐層缺陷處，形成（大）陰極，而埋地部分氧氣到達少，（防腐層老化相對慢，只有局部漏損），形成（小）陽極，因此腐蝕環境和“小陽極、大陰極”現象加速了腐蝕的發展。 造成局部腐蝕極為嚴重。本次40%的換管段就集中在距聯合站38821.2～39774m段（長952.8m）局部腐蝕嚴重管段；

圖6 檸檬園部分管道露出地表

（2）腐蝕集中段檢測情況及分析

均勻腐蝕集中管段位于44～48Km，局部腐蝕嚴重管段在38.82～39.77 48Km處較為集中（如圖7所示），互不重合。

圖7 腐蝕集中段分布

均勻腐蝕嚴重段位于沱牌鎮附近，為涪江河灘地，地下水位高，周圍不遠是沱牌酒廠，土壤腐蝕性較嚴重。且絕緣層老化失效，保護電位不達標，造成普遍的均勻腐蝕。

根據以上分析，該管線外腐蝕根本原因是局部保護電位不達標（尤其是土壤含硫酸鹽還原菌且位于缺氧土壤和水環境最小保護電位應達到-950mV），而防腐層破損、犧牲陽極失效漏失保護電流是其主要因素。

3 建議

（1）拆除管線失效犧牲陽極，避免成為漏電點；

（2）定期檢測、修復防腐層。有資料指出，保護效果80%以上由防腐層提供，陰保作為補充，因此必須定期進行外防腐層檢測、及時修復防腐層缺陷點。不能采用智能清管檢測代替PCM等方法對外防腐層的檢測；

（3）后期防腐層修復完成后，局部若仍達不到保護電位，可補充高純鋅犧牲陽極，但要注意犧牲陽極遠離輔助陽極。同時在埋設點設置測試樁，以利于保護電位、開路電位等參數測試（保護電位測試建議采用參比管法）；

（4）對于線路存在硫酸鹽還原菌腐蝕的管道，建議將保護電位設置在-950～-1200mV；

（5）保護電位測試選用的極化探頭或極化試片面積應和管道防腐層漏失點面積匹配；

（6）及時對管線陰保屏蔽段進行整改，避免保護電位達標但仍然腐蝕的現象；

（7）對因土地改造施工，造成管道一段裸露一段埋地，形成氧濃差電池，同時該段因施肥等因素，土壤腐蝕性強，部分還存在硫酸鹽還原菌，造成管道較嚴重局部腐蝕。對形成不利腐蝕環境的局部腐蝕嚴重段（38.82～39.77Km）進行改管，避免形成“小陽極、大陰極”，造成腐蝕加劇；

（8）加強對高后果區、人員密集區（凈化廠出站、沱牌鎮附近）及腐蝕集中段的腐蝕監測，確保本質安全。包括定期采用PCM檢測防腐層破損情況、極化試片（探頭）檢測保護電位等。