油氣輸送管道防腐層陰極剝離的影響因素分析

2021-11-04 03:37:40白福良申勤兵桂光正趙志偉

焊管 2021年10期

白福良，申勤兵，桂光正，劉旭，趙志偉

（1. 中國石油渤海裝備巨龍鋼管有限公司，河北青縣 062658；2. 寶鋼股份有限公司，上海 201900）

管道輸送是實現大量油氣資源長距離轉移的最優方式，近年來，眾多大型跨國管線的規劃和建設，掀起了油氣輸送管道建設的又一高峰期，同時，世界各地油氣資源的產需不平衡，推動了管道建設的大規模發展。中國管道建設的首個高峰期在20 世紀70 年代，所建管道現經服役接近或超過40 年，老齡化嚴重，該類管道因地質變化、地面建設等因素影響，容易出現管道變形和涂層開裂等情況，為管道安全帶來了極大的隱患。部分管道建設時敷設于一、二類地區，隨著經濟的發展，很多管線附近已經建起了密集的商業區或住宅區，提高了該類管道運行的風險等級。另外在新建管道安裝過程中，涂層的損傷沒有得到有效的修復，可能在陰極保護電位的影響下[1]，出現涂層大面積剝離，加速管道的腐蝕，從而出現管道穿孔等泄露事故，給人民生命財產安全帶來極大的危害。

目前世界管道建設中，采用雙重防腐蝕手段對管道進行保護。第一重采用傳統的涂層，多使用酚醛環氧類涂料進行管道外防腐[2]，通過隔絕水汽和氧氣，對管道進行有效保護，該類防護在涂層性能可靠且完好的情況下，能夠對管道起到99%長久且有效的防護；第二重防護采用陰極保護電流[3]，在涂層出現損傷或針孔后，通過陰極保護電極，向管道金屬基材表面施加外加電流，使管道本身成為陰極，從而使得電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發生。陰極保護是在涂層出現破損后的一種管道保護技術，在管道涂層完好的情況下，陰極保護并不起到任何作用，當涂層受到損傷時，陰極保護可以作為一種延緩腐蝕的方案對管道進行防護，但是這種防護手段并不能完全阻止腐蝕的發生，并且在一些特殊條件下，會因陰極保護電位的影響，加速損傷點的擴展，由此對管道防腐蝕層造成更大面積的剝離。因此，分析影響陰極剝離速率的因素對管道運行安全具有極其重要的作用。

1 導致涂層剝離的內在原因

任何一種涂層無論是手工涂刷還是自動化生產線涂覆，都有可能在涂層內部留有初始缺陷且不容易被發現。這些位置在使用過程中，因某些外力條件的作用，可能成為涂層剝離的起始點[4]。

1.1 針孔缺陷

管道涂層針孔缺陷分為貫穿型針孔和非貫穿型針孔，貫穿型針孔基本可以在電火花檢測過程中100%被發現并修復，而非貫穿型針孔可能因檢測電壓不足以擊穿而造成漏檢。此類針孔雖然沒有造成氧氣和水的進入，起到了涂層的隔絕作用，但是高電壓下的電火花檢測會對其造成一定的傷害，甚至擊穿。在實際生產過程中，也發現過一次檢驗排查漏點合格后，在二次電火花檢測過程中發現新的漏點存在，這也是針對較薄的涂層設置兩次電火花檢測的原因。

1.2 縮孔缺陷

無論是液體涂層還是粉末類涂層，在固化過程中都會出現收縮現象，從而出現縮孔缺陷，若檢測時機選擇不當，會出現合格管涂層收縮產生新的漏點現象，這類缺陷若在終檢后出現，將成為管道安全的一個重要風險點，因此，涂層漏點檢測的時機必須在涂層完全固化且溫度降至室溫后進行，便可避免該類缺陷的漏檢。

1.3 其他缺陷

涂層的附著力不足或含有雜質等內在缺陷，也是造成涂層使用過程發生脫落的直接原因，從而在陰極電流和埋地環境的聯合作用下，由小面積脫落造成大面積陰極剝離。因此，涂層的質量控制是保證管道運行安全的主要控制點[5-6]。

2 導致涂層剝離的外在原因

造成涂層破損最大的原因為管道在運輸、安裝、回填過程中造成的機械損傷。這類損傷中，回填前的損傷可以在檢驗過程中得到修復，但是回填料問題造成的回填損傷，便不能得到修復。因此，無效的修補和回填過程中的機械損傷，才是造成管道涂層大面積剝離的主要因素[7]。

在受損涂層埋地后，通過土壤酸堿度、含氧量、水含量、鹽分含量、溫度、晝夜溫差等的聯合作用，呈現出速率不同的剝離現象[8]，為管道的安全運行帶來了極大隱患。因此，討論不同條件下的剝離速度，確定大面積剝離和環境條件的關系，對維護管道運行具有重要的意義。

3 陰極保護電位對破損涂層的影響

陰極保護裝置的目的是當防腐層存在漏點時，避免管道發生腐蝕。但是這種裝置僅限于涂層無效后的一種候補方案，不能作為主要防腐蝕手段進行使用。長期的維持這種狀態，會造成涂層缺陷區域的擴展，形成更大面積的涂層剝離，甚至整管脫落而延伸至連接管線，這樣的案例是真實存在的。

當涂層存在漏點或機械損傷時，管道漏點處的金屬會暴露于電解質中，形成腐蝕電池，管道充當陽極，以離子形式進入環境溶液，介質中的氧化性物質得到電子而被還原發生陰極反應，電子遷移使陽極反應和陰極反應相互聯系，腐蝕反應連續不斷發生[9]。反應過程中，腐蝕電流從陰極流向陽極，陽極失去電子發生氧化反應，進而被腐蝕，陰極保護裝置就是根據這個原理，提供可失去的陽極，通過外加電流或犧牲陽極的陰極保護法保護管道不被腐蝕。

在陰極電流作用下，無論是氧被還原產生OH-，還是H2O 電離產生H+，都能形成初生態的氫，在破損點形成OH-，造成局部堿性環境[10]。在此環境下，大量的OH-遷移至金屬與防腐層的粘結面，使防腐層附著的金屬氧化層溶解，造成涂層的剝離[11]。這種反應是連續進行的，因此，該類的腐蝕會造成涂層剝離面積擴大。根據這個原理，陰極保護電位越高，補償電子越多，反應將發生的更加劇烈，剝離現象更加嚴重。

4 使用環境對陰極剝離速率的影響

目前長輸油氣管道大多選用埋地敷設的方式，管道經歷著不同的地質環境。從目前掌握的施工現場案例來講，埋地環境同樣對陰極剝離的速率產生極大的影響。

在受損涂層埋地后，在土壤酸堿度、含氧量、水含量、鹽分含量、溫度、晝夜溫差等共同作用下，涂層呈現出剝離速率不同的表征。

國外某大直徑天然氣輸送管線質量存在異議，通過調查發現了開挖后的管體存在機械損傷，除損傷以外的區域外觀顯示良好；部分管道經過人工剝離后發現大面積脫落現象，脫落部位金屬基材表現出金屬光澤，原始破損點存在少量白色結晶物質；部分修補涂層失效，修補涂層底部存在水和少量白色結晶物，斷定存在無效修補和帶傷填埋的情況。在這種條件下，該X70 鋼級Φ1 422 mm 管道的涂層在運行兩年后進行DCVG 檢測過程中開挖驗證，管道涂層外觀如圖1所示，潮濕部位管道延破損點環向出現了大面積的剝離（如圖1 （a）所示），干燥部位管道并沒有出現大面積的剝離現象（如圖1 （b）所示）。因此可以證明，土壤中的含水量對陰極剝離的產生起到至關重要的作用，減緩甚至阻礙了涂層的剝離[12]。

圖1 管道涂層外觀

環境溫度對剝離也存在直接影響，根據不同溫度條件下的剝離試驗結果見表1，溫度與剝離直徑的關系如圖2 所示。同時，根據陰極剝離的理論分析，造成金屬與涂層粘結面熔結產生剝離的堿性物質，酸性的涂層環境會因酸堿中和作用，從而減緩剝離的速率，反之，若土壤呈堿性環境，剝離速率反而被加速[13]。在不同pH 值的溶液中進行陰極剝離試驗[14]，結果見表2。