公用工程污水管道腐蝕泄漏原因及對策

吳恩柏 王努馳 王科林 張 杰

（1. 中國石油四川石化分公司，四川 成都 611930；2. 沈陽中科韋爾腐蝕控制技術有限公司，遼寧 沈陽 110180）

0 引言

隨著城市工業的發展、城市地下管網的規模也不斷擴大，埋地管網的建設降低了企業的生產運輸成本，提高了企業的經濟效益，但也將隱患埋藏在了地下，據統計，近年來，國內外發生了多起因埋地工業管道泄漏事件，個別事件造成公共財產損失、導致嚴重的環境污染事件，危害公民的生命安全，明確工業埋地管道泄漏原因，明確泄漏原因，采取有必要的檢測與防護措施，避免事故發生，保障工業管道運行安全至關重要[1-3]。

目前，埋地鋼質管道常采用外防腐層加強制電流陰極保護的聯合保護，但泄漏在生產企業中經常發生，近年來對埋地管道泄漏原因的研究也越來越多。2002年，中國石油西南油氣田輸氣科研所韓興平對埋地管道陰極保護有效性評估進行研究分析，分析結果認為管道涂層破損、老化失修、管線上陰極保護系統長期故障，影響陰極保護有效性[4]；2018年，中國石化銷售有限公司華中分公司郭愛玲鄭京召開展了湖南成品油管道雜散電流測試與防護措施研究，發現湖南成品油管道受到較嚴重的交、直流雜散電流干擾，其中有5個管段受到較嚴重的交流雜散電流干擾，3個管段受到較嚴重的直流雜散電流干擾；京廣鐵路、武廣高鐵、滬昆鐵路、城際鐵路等電氣化鐵路為交流干擾源，軌道交通地鐵為直流干擾源；提出了交流干擾和直流干擾應分別采用固態去耦合器接地排流裝置和極性排流裝置措施，以降低雜散電流對輸油管道的影響[5]。

XX石化公用工程污水排水管線在投產僅8年時間，2020年和2021年先后在不同位置出現3次腐蝕泄漏（集中在三和一段21號測試樁至24號測試樁），引起了當地農戶不必要的恐慌和環保部門的關注。腐蝕泄漏點腐蝕速率超過0.8mm/年，遠超國家規范GB/T 21447-2018《鋼質管道外腐蝕控制規范》中關于腐蝕速率應低于0.01mm/年的要求。2021年7月30日對泄漏位置進行腐蝕檢查，如圖1所示：泄漏位置（處于焊縫東側約6cm處）封堵后工程師對泄漏管段進行了詳細調查，發現管線泄漏位置徑向12點、3點、9點方向管線壁厚未見明顯異常，在管線底部（6點方向）有6×8cm的減薄區域，最薄壁厚3.68mm，如圖2所示，同時在漏點附近發現局部腐蝕坑，坑深約4mm。

圖1 泄漏管段底部腐蝕形貌

圖2 測點分布圖

圖3 檢測示意圖

圖4 管道電位測試連線圖

圖5 土壤電阻率測量接線圖

1 現場檢測評估

為了明確污水排水管線腐蝕泄漏的原因，在現場對三和一段埋地污水管道進行了：管道外防腐層完整性檢測與評價；陰極保護有效性檢測與評價；直流雜散電流干擾檢測與評價；交流雜散電流干擾檢測與評價；土壤腐蝕性評估及腐蝕檢查片埋設試驗，檢測方法參照GB/T 21246《埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法》、GB 50991《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》、GB/T 40377-2021《金屬和合金的腐蝕 交流腐蝕的測定 防護準則》。

1.1 管道外防腐層完整性檢測與評價

全線采用電流衰減/交流電壓梯度（P C M/ACVG）交流方法進行管道走向、埋深測量，準確定位缺陷點。PCM電流檢測間距不超過30m，A字架檢測間距不超過5m，GPS打點間距不超過30m。本次采用英國雷迪PCM+埋地管線防腐層檢測系統進行交流電流衰減法的檢測。應用PCM接收機和發射機，對管道外防腐層進行完整性檢測。

1.2 陰極保護有效性檢測與評價

陰保站需檢測輔助陽極地床接地電阻、校核長效參比電極、對比恒電位儀面板顯示值與實測值、同步檢測恒電位儀輸出電流和通電點通電電位。對于存在進站絕緣接頭和出站絕緣接頭的站場，需檢測是否存在跨接線，上下游絕緣接頭站外管道是否存在電位差。分析外加電流陰極保護系統運行參數，包括：給定電位、通電點電位、輸出電流、輸出電壓，評價陰極保護系統工況，并提出改進建議。

1.3 直流雜散電流干擾檢測與評價

對直流雜散電流干擾段，采用面積為6.5cm2試片進行通斷電位測量。檢測工作應包括以下內容：逐樁測量管道不低于12小時通斷電位曲線，同一天測量的檢測點曲線應按時間對齊，并在報告中提交曲線圖和數據附表。應檢測明確直流雜散電流干擾的流入區、流出區、影響范圍、干擾程度。當發現管道存在明顯較強雜散電流干擾時，應擴大監測時間不低于24小時進行監測。用uDL2數據記錄儀采用地表參比法測量管道對地通/斷電電位。每個測試樁進行管地電位測試，每秒采集一個管地電位數據。

1.4 交流雜散電流干擾檢測與評價

逐樁測量管道不低于12小時交流干擾，試片面積為1cm2；數據記錄儀需同步記錄交流干擾電壓和交流電流密度。當發現管道存在明顯較強雜散電流干擾時，應擴大監測時間不低于24小時進行監測。

1.5 土壤腐蝕性評估

土壤電阻率的測試應與管道交流電壓測試同時進行，測試位置包括所有測試樁附近。土壤電阻率的數據測試方法是標準的Wenner四電極法。

1.6 腐蝕檢查片埋設試驗

在泄漏管段現場埋設失重檢查片，以失重檢查片來模擬埋地管道防腐層破損點。采用管道陰極保護檢查片與失重檢查片，其中陰極保護檢查片通過測試樁實現與待測管道的電連接，獲得腐蝕速率及檢查片通電電位與斷電電位等參數: 失重檢查片不和管道電連接，以獲得土壤環境中的自腐蝕速率。檢查片埋設時間為3個月，示意圖如圖6所示。

圖6 試驗示意圖

2 結果與分析

2.1 管道外防腐層完整性

三線合一段21～24#測試樁之間管道的長度為4376.76m，共檢測防腐層破損點11處，外防腐層破損點密度為0.25處/100m，依據GB/T 19285-2014《埋地鋼質管道腐蝕防護工程檢驗總體評價》對外防腐層破損點密度分級評價為“2級”

2.2 陰極保護有效性

三線合一段2 1#測試樁處管道斷電電位在-0.85～-1.2V之間，陰極保護效果良好。三線合一段22#和24#處管道斷電電位正于-0.85V的時間超過25%，不符合規范要求。

2.3 直流雜散電流干擾

干擾源調查結果：污水處理廠外排水三線合一段管道距離地鐵3號線成都醫學院站約8.8km。污水處理廠外排水埋地管線全線受地鐵干擾。在成都地鐵運行時間斷，管道通電電位波動幅度較大；在地鐵停運時間段，管道波動幅度較小，如圖7所示。距離污水處理廠較遠的三線合一段22#和24#電位較正，斷電電位不符合規范要求。

圖7 電位測試結果

2.4 交流雜散電流干擾

三線合一段管道平均交流電流密度均低于30A/m2，依據GB/T 50698-2011《埋地鋼質管道交流干擾防護技術標準》，交流干擾程度判定為“弱”，可不采取交流干擾防護措施。

2.5 土壤腐蝕性

根據GB 21447-2018《鋼質管道外腐蝕控制規范》判斷三線合一段21～24#之間管道共3處土壤腐蝕性強（占75%），1處土壤腐蝕性中（占25%），如表1所示。

表1 土壤腐蝕性檢測結果

2.6 腐蝕檢查片試驗

由表2可知，陰極保護試片的通電電位平均值為-0.69V，平均斷電電位為-0.78V，通電電位正于斷電電位，說明有電流從管道流出。

由表3可知，失重檢查試片平均腐蝕速率為0.22mm/a，陰保試片平均腐蝕速率為0.83mm/a，約為失重檢查片的4倍，其較高的腐蝕速率與管道流出的電流密切相關。

表3 腐蝕速率試驗結果

從圖8、圖9可發現，失重檢查試片表面腐蝕較為均勻，表面較為光滑平整；陰極保護檢查試片表面腐蝕較為嚴重，且有局部腐蝕特征。

圖8 失重檢查片試片形貌

圖9 陰極保護檢查試片形貌

3 污水管道腐蝕泄漏原因及防護建議

通過現場腐蝕檢查、檢測評估發現：泄漏點都位于兩節管段碰口的焊縫附近，且都處于管道底部，通過觀察，腐蝕都是由外向里發展，可以判斷，泄漏點及附近局部減薄是外部腐蝕引起的；三線合一段21～24#測試樁之間管道的長度為4376.76m，共檢測防腐層破損點11處，說明防腐層完好情況較差，是導致管道泄漏原因之一，有研究表明導致防腐層破損的原因有土壤的侵蝕、施工質量欠佳等因素[6-8]，據了解，污水管道焊縫附近防腐層是在管道埋設施工期間完成，3PE施工工藝復雜，需要烘烤操作，若現場工人烘烤不均勻，易造成局部粘結不好，整體密封性下降，同時與出廠預制防腐層銜接處易存在薄弱點或滲漏點，加之施工期間焊接和拉拽等因素也會導致連接處防腐質量存在缺陷，隨著土壤長時間侵蝕破壞防腐涂層[9,10]；直流雜散電流干擾檢測結果證明該段管道受地鐵3號線直流干擾，導致管道保護電位波動大，長時間段未受到良好保護，是導致管道失效原因之一；土壤腐蝕性測試表明三線合一段21～24#之間管道處土壤腐蝕性強，也是導致管道加速失效原因之一；腐蝕檢查片試驗表明，陰極保護試片通電電位正于斷電電位，說明有電流從管道流出，其較高的腐蝕速率與流出的電流密切相關，而引起電流流出的根本原因在于管道受到地鐵雜散電流的干擾，防腐層破損點作為陽極電位正向便宜，有穩定的電流流出，加速管道腐蝕穿孔。

綜上可知，污水管道泄漏的原因主要是地鐵直流雜散電流的干擾導致管道防腐層破損位置未受到良好保護，加速了腐蝕的進程，同時由于土壤腐蝕性強弱的差別，處于土壤腐蝕性較強的管段優先發生腐蝕穿孔。為了防止此類腐蝕提出以下建議：

（1）三線合一段21～24#測試樁之間防腐層缺陷點11處，建議開挖修復，同時對其余管段防腐層質量進行定期檢測和修復；

（2）在管道建設施工階段，嚴控防腐層施工質量、保障回填后防腐層質量完好；

（3）建議在管道末端進行饋電實驗：新建臨時輔助陽極地床，利用便攜式恒電位儀為污水管線供電，采用數據記錄儀測量管道通斷電位，評估陰極保護有效性；當新建臨時陰保站后，管道電位均能達標；后期根據饋電實驗結果，需在末端新建陰保站，防止地鐵雜散電流的干擾。

4 結語

（1）三線合一段21～24#測試樁之間管道共檢測防腐層破損點11處，分級評價為“2級”，所處土壤環境腐蝕性強，建議進行修復；

（2）三線合一段管道平均交流電流密度均低于30A/m2，交流干擾程度判定為“弱”，可不采取交流干擾防護措施；

（3）陰極保護試片通電電位正于斷電電位，失重檢查試片平均腐蝕速率為0.22mm/a，陰保試片平均腐蝕速率為0.83mm/a，約為失重檢查片的4倍；

（4）污水管道受地鐵直流雜散電流干擾、所處土壤環境腐蝕性強、防腐層施工質量因素綜合導致污水管道泄漏。