石化廠區地下復雜鋼結構物腐蝕評估

朱帥帥 曲本文 朱作峰

（青島雙瑞海洋環境工程股份有限公司，山東 青島 266101）

0 引言

某石化廠區二期于2017年投入使用，地下鋼結構物主要包括地下循環水管線（CWS/CWR）、消防水管線（FW）及生產給水（PW1）管線等，廠區內所有埋地金屬結構物沒有進行陰極保護，并且廠區內所有管線沒有設置絕緣法蘭或絕緣接頭，廠區內接地網與設備直接連通。基于同類項目及本廠區一期的項目經驗，為了保證煉化廠區管網系統的運行安全，對廠區土壤腐蝕性進行評估，通過雜散電流排查、自然電位測量以及饋電實驗來分析廠區地下復雜鋼結構物的腐蝕情況。

1 檢測評估方法

1.1 土壤電阻率測量及土壤檢測

1.1.1 測量方法

根據GB/T 21246-2020《埋地鋼制管道陰極保護參數測量方法》[2]，采用等間距法進行土壤電阻率實測。在整個廠區內選取42個點進行土壤電阻率測量，范圍涵蓋整個廠區，測量點幾乎均勻分布。

1.1.2 土壤檢測

影響土壤腐蝕性因素較多，考慮到本項目特點及各影響因素的權重，主要對以下項目進行測量。

取樣分析對象為三口試驗井處的土壤環境，每處選取2個不同深度（地表及地下1.5m深度）的2個土樣。具體土壤檢測結果如表4所示。

1.2 自然電位測量

測量方法及依據

按照標準GB/T 21246-2020《埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法》進行電位測量。測量時將硫酸銅參比電極放置在管道上方地表的潮濕土壤上，應保證硫酸銅參比電極底部與土壤接觸良好，萬用表調至直流電壓檔，萬用表的紅標筆接被測管道，黑表筆接參比電極，讀取數據，做好自然電位記錄。

基于上述測量方法，對廠區內進行自然電位測量，共測量288處，測量范圍涵蓋整個廠區，測量點幾乎均勻分布。

1.3 雜散電流排查

1.3.1 檢測方法

根據前期對現場實際情況考察，確定采用IPL進行廠區內雜散電流排查。

1.3.2 檢測時間及位置選定

根據現場了解及觀察，廠區內所有的埋地鋼制結構及設備都沒有施加陰極保護系統，并且廠區附近也沒有電氣化鐵路，存在幾處變壓站，初步分析存在干擾影響的程度比較弱。

廠區內各種設施一直穩定運行，環境相對穩定，沒有突然外部因素的影響，測試時間定在白天工作時間即可。重點對廠區內變電站附近的管線（7處）進行測試。

1.4 饋電實驗

試驗方法

饋電實驗一般選擇在管線條件較為復雜的地段[3]。結合現場實際情況，共選取3處作為饋電實驗測試點。實驗時電源選擇使用50V/50A恒電位儀，輔助陽極選擇混合金屬氧化物陽極（MMO），陽極地床采用深井式陽極地床。

表1 檢測項目、方法及主要儀器

在不通電的自然狀態下，采用數字萬用表和參比電極對饋電實驗周邊鋼制結構物進行自然電位測量，以便和通電后的鋼制結構物的極化電位對比。

在通電狀態下采用上述方法測量鋼制結構物在通電后的極化電位，通過對試驗區范圍內測試點電位的測量，判斷陰極保護的范圍。

2 測量結果及分析

2.1 土壤電阻率測量及土壤檢測分析

結合實際測量數據可以看出，表層土壤（1.5m深度）的電阻率普遍較大，電阻率大部分32～113Ω.m之間；當深度達到5m時，電阻率大部分在6～81.7Ω.m之間；深度為10m時，電阻率最小，大部分范圍在1.9～59.7Ω.m之間。

根據標準DL/T 1554-2016 接地網土壤腐蝕性評價導則[4]，對于一般地區的土壤，土壤腐蝕性可根據土壤電阻率進行判定，土壤電阻率與土壤腐蝕性的關系如表2所示。

表2 土壤電阻率與土壤腐蝕性的關系

結合現場42個測試點，不同深度下的土壤電阻率分布如表3所示。

表3 不同深度下土壤電阻率的分布

由表3 可以看出，在淺層土壤深度（3 m 之內），土壤的電阻率集中在20～100Ω.m之間，土壤腐蝕性屬于中弱程度；在土壤深度為5m的土層中，大部分土壤腐蝕性屬于中強程度；在深度為10m的土層中，絕大多數的土壤腐蝕性屬于強腐蝕性。

鋼結構在土壤環境中腐蝕性按照GB50021-2004《巖土工程勘察規范》[5]進行評判，評判標準如表5所示。

表4 土壤檢測結果

表5 鋼結構在土壤環境中的腐蝕性

結合土壤電阻率測量結果以及土壤分析，中海殼牌廠區內土壤腐蝕性強。

2.2 自然電位測量分析

廠區內的埋地管道外防腐措施采用環氧煤瀝青涂料與防腐冷纏帶相結合的方式進行，廠區的不同管道之間沒有進行絕緣法蘭或者絕緣接頭進行電絕緣，同時整體廠區的接地系統采用鍍鋅扁鋼與鍍鋅角鋼的方式進行，而且接地系統與管道系統沒有進行電絕緣。

對廠區288處管道進行了自然電位測量，其中169處管道的自然電位在-0.40～-0.65V之間，占總測量數量的58.7%，有119處自然電位負于-0.65V，占總測量數量的41.3%。其中自然電位＜-0.55V的占總測量數量的93%。

通常情況下帶防腐涂層鋼質管道在土壤環境中的自然電位處于-0.40～-0.65V之間。

通過管道自然電位測量可知，大部分的埋地管道處于自腐蝕狀態，管道面臨土壤以及外部環境帶來的腐蝕影響，需要盡快對管道進行陰極保護補救。

測量數據顯示，有93%的埋地管道的自然電位負于-0.55V，管道的自然電位負于-0.55V。這表明：

管道周圍的土壤環境腐蝕性較強，但管道可能得到了一定程度的陰極保護。產生這種現象的主要原因是廠區內部采用鍍鋅扁鋼/角鋼的接地系統，這些接地系統與管道直接相連時，外部的鍍鋅層會起到一定作用的鋅合金犧牲陽極保護效果。

2.3 雜散電流排查分析

根據GB/T 21447-2018《鋼質管道外腐蝕控制規范》[6]，處于直流電氣化鐵路、陰極保護系統及其他直流干擾源附近的管道，其任一點上的管地電位較該點的自然電位正向偏移20mV或管道臨近土壤中直流電位梯度大于0.5mV/m時，可認為管道存在直流干擾。

檢測結果

針對每個選定的測試點，進行一定時間的雜散電流干擾測試，具體的測試結果如圖1（由于全部7處的電位變化范圍都很小，選取有代表性的一處）：

圖1 干擾源測試電位記錄圖

受干擾程度的判斷指標按照表6進行判斷。

表6 直流干擾程度的判斷標準

通過測試結果可以看到，所測試的管道電位變化很小，變化值都在20mV以內，證明廠區內管道幾乎不受雜散電流干擾。

2.4 饋電實驗分析

根據GB/T 21448-2017《埋地鋼質陰極保護技術規范》[7]判斷，碳鋼管道在一般土壤和水環境下電位達到-850mV就說明管道得到了有效的保護。通過饋電實驗可以得知，埋地管道在施加外加電流陰極保護的情況下可以得到有效的保護，但是受保護的范圍并不是很大。1#實驗井在目前的條件下保護范圍約為50m；2#實驗井在目前的條件下保護范圍約為60m；3#實驗井在目前條件下保護范圍約為20m。

實驗結果

造成保護范圍偏小的原因可能是因為除應接受陰極保護的埋地管道，其他地下結構物（儲罐底板、信號塔及框架接地等）也吸收了大量的電流，電位負方向偏移，這造成保護范圍的偏小。

3 結語

通過廠區的地下復雜鋼結構物腐蝕調查：

（1）廠區內土壤電阻率較低，土壤腐蝕性強；

（2）大部分金屬結構處于自腐蝕狀態，同時埋地管道防腐層的壽命較短，需要對全場埋地管網進行陰極保護補救，以避免埋地管道因外部腐蝕造成穿孔失效問題；

（3）經測試管道電位變化極小，埋地管道無直流和交流干擾；

（4）通過饋電試驗結果可知，需要對廠區內管道之間、設備與接地網之間進行電絕緣處理，為后續陰極保護的成功運行提供保證。

表7 饋電實驗記錄表