盾構穿越管道腐蝕防護現狀及應對策略

吳 斌

(中國石化青島液化天然氣有限責任公司,青島 266499)

目前,長輸油氣管道共有10種常見的穿、跨越方式。穿越方式有大開挖、定向鉆、盾構隧道、鉆爆隧道、夯管、頂管等6種方式;跨越方式有桁架跨越、拱橋跨越、懸索跨越、斜拉鎖跨越等4種方式[1-3]。其中,管道盾構隧道穿越作為一種機械自動化程度高、適用地層廣泛、安全度較高的管道鋪設方式,近年來應用越來越廣泛[4-7]。盾構隧道是用盾構機在地面以下暗挖隧道,盾構機前方設有支撐和開挖裝置,中段安裝頂進所需的千斤頂,尾部可以拼裝預制或現澆混凝土襯砌環,盾構機每推進一環距離,就在尾部支護或拼裝一環襯砌,并向襯砌環外圍的空隙中壓注水泥漿,掘進完成后形成一條能夠鋪設管道的隧道[8-13]。

盾構穿越管道的結構包括始發井、接收井,S形熱煨彎管、隧道內管道、鋼支架結構等。盾構管道建成后,通過固定墩、混凝土支座和鋼支架等保證管道穩固。管道投產后,盾構隧道一般會水封、土封或者泡沫混凝土澆筑密封[14-15]。

本工作通過對國內在役盾構穿越管道及附屬設施進行現場調查,分析了隧道內管道防腐蝕層以及補口的有效性、管卡螺栓腐蝕與防腐蝕效果、隧道環片螺栓腐蝕、犧牲陽極系統腐蝕等常見問題,總結了防腐蝕失效的原因,并比較了目前管道腐蝕控制的技術方法,為今后盾構穿越管道的腐蝕防護設計和運營維護提供參考。

1 盾構穿越管道的腐蝕防護現狀

管道A盾構穿越工程,管徑為1 016 mm,穿越長度為2 200 m。運行5 a后進行檢測。管道直管段采用3LPE防腐蝕層;熱煨彎管采用雙層FBE加聚丙烯膠黏帶;管道補口采用黏彈體加聚丙烯膠黏帶。隧道內管卡、管支墩、預埋螺栓、預埋鋼板等鋼結構,采用熱鍍鋅進行防腐蝕處理,安裝完成后采用黏彈體對暴露的螺栓、鋼支座及預埋鋼板焊接部分進行密封處理。管道建成后充水運行,無單獨陰極保護系統。

管道B盾構穿越工程,管徑為1 016 mm,穿越長度為2 800 m。運行5 a后進行檢測。管道直管段采用3LPE防腐蝕層;熱煨彎管采用雙層FBE涂層;管道補口采用黏彈體加聚丙烯膠黏帶。隧道內管卡、管支墩等鋼結構,采用熱鍍鋅進行防腐蝕處理,螺栓和螺母采用表面發藍處理。管道建成后充水運行,無單獨陰極保護系統。

管道C盾構穿越工程,管徑為1 219 mm,設計壓力為10 MPa,穿越長度為2 600 m。運行6 a后進行抽水檢測。管道直管段采用3LPE防腐蝕層;熱煨彎管采用雙層FBE涂層;管道補口采用黏彈體加聚丙烯膠黏帶。隧道內管卡、管支墩、預埋螺栓、預埋鋼板等鋼結構,采用熱鍍鋅進行防腐蝕處理。管道充水運行,無獨立陰極保護系統。

管道D盾構穿越工程,管徑為1 016 mm,穿越長度為518 m。2003年6月投產,至今已水封近15 a。曾于2009年對管道進行檢測,并完成了管道補口修復,2018年5月再次對管道進行檢測。管道直管段采用3LPE防腐蝕層;熱煨彎管采用雙層FBE加聚丙烯膠黏帶;管道補口采用熱收縮帶。管道充水運行,無單獨陰極保護系統。

管道E盾構穿越工程,管徑為813 mm,穿越長度為1 400 m。2004年投產,盾構隧道通過地下滲透水自然水封,2010年10月進行抽水檢查。管道直管段采用雙層FBE防腐蝕層;補口采用熱收縮帶。

對5條盾構穿越管道進行現場調查,調查情況及發現的主要問題如下:

1) 除管道E盾構穿越工程外,其余管道主體防腐蝕層都是采用3LPE,運行中防腐蝕效果良好。

2) 熱煨彎管基本都采用雙層FBE或再外纏聚丙烯帶,現場調查發現彎管防腐蝕層磕碰損傷較為嚴重,尤其是豎井內彎管,部分防腐蝕層損傷后也沒有修補,如圖1所示。

圖1 熱煨彎防腐蝕層的磕碰損傷Fig.1 Bump damage of corrosion resistant coating on hot bend

3) 管道D和管道E盾構穿越工程最初都采用熱收縮帶進行補口,檢查發現熱縮帶補口基本全部密封失效,如圖2所示。這說明在材料和施工無法保證質量的情況下,熱收縮帶不適用于隧道內管道補口。

圖2 熱收縮帶補口失效Fig.2 Failure of heat shrinkable tape field joint coating

4) 黏彈體加外纏帶的補口結構,總體來說防腐蝕效果不錯。但是管道C盾構工程的大部分黏彈體發生防腐蝕密封失效,如圖3所示,初步判斷是黏彈體質量不達標。

圖3 不合格黏彈體導致的補口失效Fig.3 Failure of field joint coating caused by unqualified viscoelastic body

5) 部分隧道的管卡和螺栓采用犧牲陽極保護,總體來說當其完全浸泡在水中時腐蝕速率最慢,在潮濕空氣中與半浸泡時腐蝕速率最快。沒有進行防腐蝕處理的管卡和管片螺栓,普遍存在腐蝕問題,個別腐蝕情況較為嚴重。

6) 部分隧道的螺栓采用了黏彈體進行防腐蝕處理,防腐效果較好。

7) 隧道完全充水后,管道及鋼構件所在水下環境穩定,氧氣含量低,腐蝕速率慢,有利于管道、鋼結構等防腐蝕。

2 盾構穿越管道腐蝕控制策略

2.1 直管段

盾構穿越直管段腐蝕控制主要使用陰極保護和防腐蝕層。一般情況下,盾構穿越管道的陰極保護與常規淺埋管道共用一套陰極保護系統,不單獨針對盾構穿越管道設計陰極保護系統。

盾構穿越管道的防腐蝕層主要有三種類型,不同防腐蝕層的優缺點總結如表1所示。三種類型的防腐蝕層都可以作為埋地管道的防腐蝕層,對于盾構穿越管道來說,為了保持涂層的一致性,盾構穿越管道直管段一般使用與主體管道相同的加強級防腐蝕層。由于盾構穿越管道與主體管道無絕緣接頭,并且建成后一般在隧道內充水密封,因此不為盾構穿越管道設計單獨陰極保護系統也較為合理。

表1 直管段防腐蝕層類型及優缺點[16-17]Tab.1 Types of corrosion resistant coating and their advantages and disadvantages for straight pipe section

2.2 熱煨彎管

現場調查發現豎井內熱煨彎管防腐蝕層存在明顯破損缺陷、嚴重損傷點及多處點狀損傷漏點,從防腐蝕層損傷部位、形狀、類型分析,損傷原因有以下四類:物料墮落損傷、附屬管類沖插損傷、管道受力變形位移損傷和人為因素損傷。對熱煨彎管防腐蝕層的優缺點進行總結,如表2所示。

表2 熱煨彎管防腐蝕層類型及優缺點[18]Tab.2 Types of corrosion resistant coating and their advantages and disadvantages for hot bend

與其他類型防腐蝕層比,DPS防腐蝕層具有一定的抗沖擊能力,但實際使用中,仍會在運輸、彎管對接組焊以及下溝回填過程中由于磕碰、拖拽等原因受到損壞。對于大口徑管道來說,防腐蝕層現場修補工程量大,如熱煨彎管僅使用FBE涂層還會遇到以下問題:雙層FBE屬于薄脆涂層,易磕碰損壞;FBE防腐蝕層與3LPE防腐蝕層不匹配,陰極保護電流不一致;防腐蝕層現場檢漏電壓不一致,3LPE為15 kV,FBE為5 V/μm,現場經常出現同一檢漏電壓導致FBE擊穿的情況,若不修補或者修補不合格,埋地后易出現鼓包、剝離等問題。總體來說,建議盾構穿越管道熱煨彎管防腐蝕層使用FBE加聚烯烴膠黏帶外護。

2.3 管道補口

管道補口是埋地管道腐蝕控制的重點和難點?，F場調查發現,管道D和管道E盾構穿越工程中均使用了熱收縮帶補口,運行后它們基本全部密封失效。這與2009年延水關隧道和2010年紅花套隧道的檢查情況相符。GB/T 51241—2017《管道外防腐補口技術規范》規定:山嶺隧道段管道覆土方式敷設時補口可選用黏彈體防腐蝕膠帶加聚丙烯膠黏帶和黏彈體防腐蝕膠帶加壓敏膠型熱收縮材料;水域隧道穿越段管道補口可選用瑪蹄脂型聚乙烯熱收縮材料、壓敏膠型熱收縮材料、黏彈體膠帶加聚合物膠黏帶。中石油CDP文件《油氣管道線路防腐層技術規定》(CDP-G-OGP-AC-009-2013-1)規定:水域隧道穿越段管道補口材料可選用黏彈體防腐蝕帶加聚丙烯膠黏帶、壓敏膠型熱收縮帶。由此可見,在水域隧道內不推薦采用熱收縮帶。因此,隧道內管道補口最好采用黏彈體加壓敏膠型熱收縮帶,并且強調黏彈體長效性能至關重要。

2.4 管道鋼構件

盾構隧道內的鋼構件包括混凝土固定支墩、支架、管卡、固定螺栓等,腐蝕控制的主要目的是維持附屬金屬設施達到設計運行年限。從現場調查結果來看,混凝土固定支墩狀態良好,可持續有效使用。管道E盾構管卡與支撐墩有輕微腐蝕,螺栓主體表面腐蝕較重。對于管道固定螺栓,使用黏彈體能顯著提升其防腐蝕質量,如果采用水封運行,水中氧含量低,將阻止螺栓氧化反應,再加上犧牲陽極塊的正常運行,可提高陰極保護效果并控制銹蝕速率。

管道固定支座犧牲陽極檢查時,未發現有明顯的損耗,犧牲陽極對管道固定支座起到保護作用。采用犧牲陽極進行保護的盾構管道鋼構件都是充水運行,犧牲陽極與被保護體均處在水中,防腐蝕效果好。

隧道內鋼構件防腐蝕材料主要有黏彈體、自硫化液體橡膠和無溶劑液體環氧涂料,這三種材料的性能及優缺點如表3所示。

表3 鋼構件防腐蝕材料的優缺點[19-20]Tab.3 Advantages and disadvantages of anti-corrosion materials for steel components

從現場調查結果及表3防腐蝕材料的優缺點給出盾構穿越管道鋼構件腐蝕控制設計建議:

1) 隧道內螺栓采用黏彈體防護。自硫化橡膠需噴涂施工,對于螺栓等小構件施工不方便。

2) 隧道內管卡、預留軌道及鋼結構采用無溶劑液態環氧涂料。隧道內所有鋼結構在隧道外進行防腐蝕涂裝,對于在安裝過程中出現的涂層損傷、破損部位及焊接部位,在隧道內直接采用無溶劑環氧涂料進行修補,并進行防腐蝕層漏點檢測,確保防腐蝕層無漏點。

3) 對于充水運行的盾構穿越管道鋼結構，建議使用犧牲陽極進行保護。

3 總結與建議

關于盾構穿越管道的腐蝕與防護設計標準不多,目前只有SY/T 7023—2014《油氣輸送管道工程水域盾構法隧道穿越設計規范》提出了盾構穿越管道相關的腐蝕與防護要求,但是這些要求并不全面,還應結合現場實際情況,完善標準內容。

通過對盾構穿越管道腐蝕與防護現狀進行調研,并根據調研情況查閱了相關規范和文獻,針對盾構穿越管道的腐蝕控制應做好以下幾點:

1) 基于內檢測數據分析盾構穿越管道補口位置的腐蝕情況,及時修復補口失效。

2) 基于管道應力變化及隧道內鋼結構的腐蝕情況,應定期對盾構隧道內設施進行全面檢查。

3) 由于盾構穿越管道與干線管道共用陰極保護系統,應確保盾構穿越管道兩側的極化電位達到標準要求。

4) 新建盾構穿越管道時,應重點考慮隧道內管道補口、鋼結構的腐蝕防護問題,熱煨彎管防腐蝕設計應考慮防磕碰。