路民旭

北京科技大學(xué)

東黃輸油管道1985年建設(shè)， 1986年投產(chǎn)，介質(zhì)為原油。材質(zhì)為日本進(jìn)口API5L X60，規(guī)格Φ 711.2 mm直縫焊接鋼管，站間管道壁厚采用變壁厚設(shè)計(jì)，壁厚分別為： 8.74 mm、 7.92 mm和7.14 mm，穿跨越段設(shè)計(jì)最大壁厚9.52 mm。管道外壁采用石油瀝青玻璃布防腐，外加電流陰極保護(hù)，距離事故段最近的陰保間位于約15 km處。事故發(fā)生段原來是埋地管道，管道壁厚為7.14 mm。

1 事故管道基本情況

事故位置管道與排水暗渠交叉穿越，管道采用水泥管墩支撐，排水暗渠上方覆蓋水泥蓋板，其上為瀝青道路。事故發(fā)生時(shí)，穿越段管道整體擠壓變形，呈扁平狀，如圖 1所示。管道與排水暗渠墻體穿越位置處發(fā)生開裂，斷口位置如圖 2所示。

圖 1 事故段管道整體擠壓變形

圖2  事故段管道開裂位置

開裂段管道下部壁厚明顯減薄，超聲波測(cè)厚檢查斷口處最薄為2.74 mm。現(xiàn)場測(cè)試表明腐蝕泄漏發(fā)生在墻體外15 cm、管道下部的6點(diǎn)鐘位置，管道開裂斷口附近內(nèi)壁腐蝕輕微，局部區(qū)域外壁腐蝕嚴(yán)重，斷口附近外表面布滿腐蝕坑，最大坑深測(cè)量值超過3 mm，外腐蝕情況如圖 3所示。

圖 3  開裂位置管道外腐蝕照片

2 管道屈服壁厚和爆裂壁厚的計(jì)算和分析

按照管道爆裂理論，管道爆裂有兩種方式，一種是先漏后破：腐蝕穿孔泄漏之后再發(fā)生爆裂；一種是先破后漏：管道先發(fā)生破裂隨后發(fā)生泄漏。根據(jù)現(xiàn)場情況分析，應(yīng)該屬于先破后漏事故。數(shù)值計(jì)算考慮了兩種情況：以管道底部6點(diǎn)鐘位置為中心，一種在60°扇形面積內(nèi)發(fā)生腐蝕，另一種在120°扇形面積內(nèi)發(fā)生腐蝕。

2.1 腐蝕管道屈服壁厚和爆裂壁厚的理論分析

為計(jì)算簡單，假設(shè)管道沿著整個(gè)壁厚均勻減薄。管道環(huán)向應(yīng)力計(jì)算公式如下：

則壁厚為：

當(dāng)環(huán)向應(yīng)力達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)，對(duì)應(yīng)的屈服壁厚為：

當(dāng)環(huán)向應(yīng)力達(dá)到斷裂強(qiáng)度時(shí)，對(duì)應(yīng)的爆裂壁厚為：

管道運(yùn)行壓力P為4.8MPa，管道壁厚D為7.14 mm， X60的最小額定屈服強(qiáng)度為413.7 MPa，最小額定斷裂強(qiáng)度為517.1 MPa。由此，計(jì)算可得

即管道進(jìn)入屈服時(shí)的剩余壁厚為4.12 mm，管道爆裂時(shí)的剩余壁厚為3.30 mm。

實(shí)際上，管道屈服以后管徑不斷增大。假設(shè)按管道10%和20%延伸率分別進(jìn)行計(jì)算，則管道爆裂的剩余壁厚分別為

也就是說，不考慮屈服后管徑增加和考慮屈服后管徑增加10%和20%情況下，管道爆裂對(duì)應(yīng)的剩余壁厚分別為3.30 mm、 3.63 mm和3.96 mm。

2.2 60°和120°扇形面積內(nèi)腐蝕模擬計(jì)算分析

東黃輸油管道管徑711.2 mm，壁厚7.14 mm，內(nèi)壓4.8 MPa；名義屈服強(qiáng)度413.7 MPa，名義斷裂強(qiáng)度517.1 MPa； X60的延伸率一般取30%（標(biāo)準(zhǔn)沒有給出延伸率），計(jì)算可得真實(shí)斷裂強(qiáng)度為672.2 MPa。

（1）腐蝕發(fā)生在管道底部60°

扇形面積假設(shè)60°扇面腐蝕沿管線軸向無限伸長，減薄深度分別為2.50 mm， 3.00 mm， 3.50 mm， 4.00 mm；對(duì)應(yīng)的腐蝕剩余壁厚則分別為4.64 mm， 4.14 mm，3.64 mm， 3.14 mm。按照Von Mises等效應(yīng)力云圖給出計(jì)算結(jié)果。

計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)腐蝕深度達(dá)到3.00 mm，管道剩余壁厚4.14 mm時(shí)，管道減薄區(qū)域整體進(jìn)入屈服。當(dāng)腐蝕深度達(dá)到4.00 mm，管道剩余壁厚3.14 mm前時(shí)，管道已經(jīng)無法承受內(nèi)壓而發(fā)生爆裂，其應(yīng)力云圖和幾何變形尺寸見圖 4。

圖 4 腐蝕深度4.0 mm、管道剩余壁厚3.1 mm的應(yīng)力云圖和幾何變形尺寸圖

（2）腐蝕發(fā)生在管道底部120°扇形面積

假設(shè)腐蝕發(fā)生在管道底部120°扇形范圍內(nèi)，造成大面積減薄，經(jīng)模擬計(jì)算結(jié)果表明， 當(dāng)腐蝕深度達(dá)到3.00 mm，剩余壁厚為4.14 mm時(shí)，腐蝕減薄部位整體進(jìn)入屈服。當(dāng)缺陷深度達(dá)到3.50mm，剩余壁厚3.64mm時(shí)，將無法承受內(nèi)壓而發(fā)生爆裂。

2.3 數(shù)值分析結(jié)果

（1） 120°扇形面積腐蝕管道發(fā)生屈服和爆裂的臨界剩余壁厚要小于60°扇形面積。

（2） 60°扇形面積腐蝕管道發(fā)生屈服的剩余壁厚不小于4.14 mm，發(fā)生爆裂的剩余壁厚不小于3.14 mm。

（3） 120°扇形面積腐蝕管道發(fā)生屈服的剩余壁厚不小于4.14 mm，發(fā)生爆裂的剩余壁厚不小于3.64 mm。

（4）理論分析表明，管道屈服的剩余壁厚不小于4.14 mm，管道爆裂的剩余壁厚不小于3.34 mm。

（5）超聲測(cè)試的幾個(gè)典型壁厚值為： 3.30 mm，3.40 mm， 3.18 mm， 2.74 mm。這些數(shù)值接近或者小于上述爆裂壁厚值，發(fā)生爆裂是完全可能的。

3 現(xiàn)場調(diào)查與測(cè)試

調(diào)查組對(duì)事故管段附近的雜散電流干擾及陰極保護(hù)情況進(jìn)行了調(diào)查和測(cè)試，對(duì)土壤腐蝕性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室分析，并查閱了事故管段近年來的外防腐層檢測(cè)數(shù)據(jù)、陰極保護(hù)有效性檢測(cè)數(shù)據(jù)以及管體檢測(cè)數(shù)據(jù)。分析結(jié)果如下。

3.1 土壤腐蝕性測(cè)試

事故管段周圍土壤以沙石為主，疏松，較為潮濕。現(xiàn)場取樣位置共有5處， 1號(hào)位于大煉油管道附近（分別從地表和地下取土樣進(jìn)行分析）， 2號(hào)位于青島麗東化工廠門口西側(cè)， 3號(hào)位于事故點(diǎn)西側(cè)殘留管段， 4號(hào)位于殘留管段西側(cè)665 m處， 5號(hào)位于殘留管段西側(cè)680 m測(cè)試樁。土壤腐蝕性測(cè)試結(jié)果如表 1和表 2所示。

表 1所測(cè)樣品土壤中的氯離子濃度接近或超過600 mg/kg，高于37～370 mg/kg普通氯離子濃度范圍，屬于高氯離子土壤，腐蝕性較強(qiáng)。綜合分析， 4號(hào)位置土壤腐蝕性強(qiáng)，其他位置土壤腐蝕性屬于中等或弱。 4號(hào)位置處管道靠近排污管道，且排污管道有破損，污水泄漏后滲入土壤內(nèi)，導(dǎo)致土壤電阻率和氧化還原電位均遠(yuǎn)低于其他位置，腐蝕性增強(qiáng)。

3.2 管道交流干擾測(cè)量

現(xiàn)場勘查結(jié)果顯示，管道與10 kV和35 kV高壓輸電線路并行。測(cè)量了二處管道的交流干擾情況：一處位于事故點(diǎn)西側(cè)680 m測(cè)試樁，另一處位于事故點(diǎn)西側(cè)700 m 。測(cè)試結(jié)果如表 3所示。

國標(biāo)GB/T 50698―2011《埋地鋼質(zhì)管道交流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定：

（1）當(dāng)管道上的交流干擾電壓不高于4 V時(shí)，可不采取交流干擾防護(hù)措施；高于4 V時(shí)，應(yīng)采用交流電流密度進(jìn)行評(píng)估。

（2）交流電流密度判斷指標(biāo)如表 4所示。

②在路徑受限地區(qū)，埋地管道與交流輸電系統(tǒng)的各種接地裝置之間的最小水平距離一般情況下不宜小于表 5規(guī)定。

由測(cè)量結(jié)果可知，管道交流干擾電壓低于4 V，交流電流密度低于30 A/m2，說明在當(dāng)前高壓線的運(yùn)行負(fù)荷下，穩(wěn)態(tài)交流干擾程度為弱，管道與高壓輸電線桿塔間距為5.0～7.0 m，接近標(biāo)準(zhǔn)要求的臨界值。

3.3 管道陰極保護(hù)效果測(cè)試

現(xiàn)場調(diào)研及測(cè)試表明，事故管段采用外加電流陰極保護(hù)方式，陰保間距事故管段約15 km，當(dāng)時(shí)陰極保護(hù)系統(tǒng)仍在正常運(yùn)行，運(yùn)行參數(shù)為輸出電壓7.0 V，輸出電流4.0 A，控制電位（參比電位）1 494 mV。

對(duì)事故點(diǎn)西側(cè)殘留管段以西700 m范圍內(nèi)管地通電電位、斷電電位進(jìn)行了測(cè)量，測(cè)試間距為10 m。測(cè)量結(jié)果表明該管段通電電位﹣0.83 V～﹣1.05 V（CSE），斷電電位﹣0.78 V～﹣1.01 V（CSE），如圖 5所示。此外，現(xiàn)場檢測(cè)該區(qū)域內(nèi)未施加陰保管道及試片的自然電位為﹣0.48 V～﹣0.63 V（CSE）。

圖5 管道陰極保護(hù)電位測(cè)量結(jié)果

依據(jù)GB/T 21447―2008《鋼制管道外防腐控制規(guī)程》 6.6.2[1]、 GB/T 21448―2008《埋地鋼制管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》 4.3[2]規(guī)定。測(cè)試管道通電電位、斷電電位均滿足﹣0.85 V（CSE）的最小保護(hù)電位指標(biāo)或100 mV極化偏移指標(biāo)。因此判斷管道事故點(diǎn)西側(cè)殘留管段以西700 m范圍內(nèi)管道具備一定的陰極保護(hù)效果。

4 事故管段外腐蝕機(jī)理探討

4.1 涂層損傷和老化導(dǎo)致防腐層過早失效

事故管段穿越排水暗渠上方覆蓋水泥蓋板，蓋板以上為瀝青道路，經(jīng)常有大型載重車輛穿行。車輛行走會(huì)引起懸空管道震動(dòng)，使得管道穿越墻體底部涂層承受一定的壓力，同時(shí)由于靠近排水暗渠，會(huì)受暗渠內(nèi)污水影響。防腐層在力學(xué)和化學(xué)的綜合作用下易出現(xiàn)局部破損，管道失去防腐層保護(hù)，直接接觸腐蝕介質(zhì)則加速腐蝕。

4.2 管道陰極保護(hù)效果下降且測(cè)試電位困難

盡管事故段西側(cè)殘留管段測(cè)得具備一定的陰極保護(hù)效果，但事故泄漏點(diǎn)位置陰保電位準(zhǔn)確數(shù)據(jù)已經(jīng)無法獲得，對(duì)于該位置處的保護(hù)效果及電位測(cè)量存在以下問題。

（1）管道穿越墻體底部涂層受損，涂層缺陷位置處的陰極保護(hù)電位相對(duì)于沒有缺陷位置處存在明顯正移，保護(hù)效果下降。

為了對(duì)比涂層缺陷處陰極保護(hù)電位和其他位置的差異，進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，所建模型局部放大如圖 6所示。

圖6  數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格模型圖

當(dāng)防腐層破損處位于墻體內(nèi)側(cè)30 mm~90 mm，分別處于管道下方60°和120°時(shí)管道外表面電位分布如圖 7所示。

圖7 管道電位分布計(jì)算結(jié)果

由以上計(jì)算結(jié)果可以看出防腐層破損處的陰極保護(hù)電位要明顯正于其他位置，保護(hù)效果下降。

①管道穿越混凝土墻體界面位置對(duì)陰極保護(hù)電流存在一定的屏蔽效應(yīng)，界面靠近懸空管段，沒有連續(xù)電解質(zhì)，陰保電流無法到達(dá)；混凝土墻體電阻率一般高于土壤電阻率，故對(duì)陰極保護(hù)電流也存在陰保屏蔽作用。

②泄漏點(diǎn)上方為水泥墻體和瀝青道路，由于瀝青道路的絕緣性，不通過瀝青路面打孔，在地表很難準(zhǔn)確測(cè)得路面下管道的真實(shí)極化電位。

③放置在地表的參比電極測(cè)量得到的管地電位，是由地表參比電極向下輻射120°范圍內(nèi)管道表面上各極化電位的綜合體現(xiàn)，如圖 8所示。

圖8 地表參比電極測(cè)試涵蓋范圍示意圖[3]

隨著管徑和管道埋深不同，地表參比電極能夠涵蓋到的管道外表面環(huán)形面積不同，國外做過相關(guān)研究，對(duì)于裸金屬管道，地表參比電極能夠涵蓋的管道環(huán)形面積，與管徑和埋深的比值有關(guān)，如圖 9所示。

圖9 地表參比電極能夠涵蓋到的管道外表面環(huán)形面積比例與管徑/埋深關(guān)系[4]

④目前現(xiàn)有國標(biāo)中沒有給出管體穿越墻體界面結(jié)構(gòu)的陰極保護(hù)電位測(cè)試方法。

（3）管道穿越墻體界面富氧環(huán)境導(dǎo)致腐蝕速率加快

管體穿越墻體界面處環(huán)境的氧含量要高于土壤側(cè)，同時(shí)界面位置處受到排污暗渠內(nèi)污水、倒灌海水等影響濕度高，由于O2為強(qiáng)去極化劑，同時(shí)又有水分存在，腐蝕速率會(huì)大大加快，O2含量對(duì)金屬腐蝕電位和腐蝕速率的影響如圖 10所示。

圖10 氧含量對(duì)腐蝕速率的影響[5]

這類似于埋地金屬管道的立管結(jié)構(gòu)，在土壤和空氣界面位置的腐蝕也會(huì)較為嚴(yán)重，如圖 11所示。

圖11 管道出土立管土壤/空氣界面處腐蝕

此外，管體穿越墻體界面兩側(cè)也會(huì)存在鹽濃度差，同時(shí)還遭受排污暗渠中細(xì)菌的腐蝕，均會(huì)使得界面處的腐蝕加速。

（4）氧濃差電池導(dǎo)致管道距離墻體表面1 m之內(nèi)腐蝕嚴(yán)重

管體穿越墻體界面靠近排污暗渠側(cè)氧含量較高，靠近墻體側(cè)氧含量較低，會(huì)在局部形成氧濃差腐蝕電池，加速缺氧位置處的腐蝕，從而導(dǎo)致墻體內(nèi)側(cè)1 m范圍內(nèi)局部腐蝕嚴(yán)重。這個(gè)類似于穿越路面的管道由于氧濃差電池導(dǎo)致管道腐蝕，如圖 12所示。

圖12 穿路管道氧濃差腐蝕電池形成

（5）如果有保溫層則會(huì)發(fā)生保溫層下腐蝕（CUI）

如果有保溫層，會(huì)在保溫層下聚集液體，且因保溫層的絕緣性能，正如氧濃差電池腐蝕類似原理，發(fā)生保溫絕緣層下腐蝕，既CUI。由于暗涵的潮濕污水等環(huán)境影響，還可能有細(xì)菌腐蝕參與其中。

5 評(píng)價(jià)結(jié)論

（1）管道現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)在暗涵和管道交叉處墻體內(nèi)部6點(diǎn)鐘位置大約30 mm～90 mm部位發(fā)生大面積腐蝕減薄，導(dǎo)致管道腐蝕爆裂，腐蝕最薄處測(cè)試厚度3.18 mm。

（2）根據(jù)力學(xué)理論分析和數(shù)值計(jì)算結(jié)果，在大面積腐蝕的情況下，管道腐蝕剩余壁厚達(dá)到3.30 mm，就會(huì)導(dǎo)致腐蝕爆裂。與所測(cè)爆裂厚度相符。

（3）管道接近事故點(diǎn)西側(cè)700 m段陰極保護(hù)測(cè)試表明，陰極保護(hù)電位符合國家標(biāo)準(zhǔn)。外部交流輸電線路對(duì)管道的干擾造成的腐蝕速率較小，不是主要原因。

（4）事故發(fā)生處管道處于暗涵和道路下面，對(duì)陰極保護(hù)和管道防腐層破損測(cè)試造成重大障礙，是導(dǎo)致目前所有外檢測(cè)技術(shù)都沒有測(cè)試出有關(guān)腐蝕事故的主要原因之一。報(bào)告對(duì)造成障礙的原理進(jìn)行了理論闡述。

（5）失效事故處管道6點(diǎn)鐘位置防腐層在管道本身承載和路面車輛振動(dòng)力學(xué)作用下，會(huì)導(dǎo)致過早老化和失效，促進(jìn)腐蝕減薄。

6 建議

（1）加強(qiáng)對(duì)管道穿越和跨越位置處的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)，如在管道穿越暗渠、涵洞等類似結(jié)構(gòu)入口和出口處設(shè)置陰極保護(hù)電位測(cè)試樁，并在穿越管道接近地面和墻體表面附近管道的6點(diǎn)鐘位置埋設(shè)長效參比電極，以便對(duì)管道高腐蝕風(fēng)險(xiǎn)部位的陰極保護(hù)電位進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和評(píng)估。

（2）加強(qiáng)對(duì)管道穿越和跨越位置處的腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)，如增加防腐層的耐力學(xué)損傷和絕緣等級(jí)，在必要時(shí)增設(shè)局部犧牲陽極以提高穿越處的防腐效果。

（3）盡量避免埋地油氣管道進(jìn)入封閉式涵洞，或從內(nèi)部穿過。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鋼制管道外防腐控制規(guī)程: GB/T 21447-2018[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2018.

[2] 埋地鋼制管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范: GB/T 21448-2017[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2017.

[3] PEARSON J M. Concepts and Methods of Cathodic Protection Part 2[J]. Corrosion, 1947, 3(11): 549-566.

[4] THOMPSON N G, LAWSON K M. Improved Pipe-to-Soil potential Survey Methods[R]. Houston, TX: Pipeline Research Council International, 1991: PR-186-807.

[5] BARLO T J. BERRY W E. An Assessment of the Criteria for Cathodic Protection of Buried Pipelines[J]. Mater. Performance, 1984, 23(9): 2-5.

作者：路民旭 ，北京科技大學(xué)教授 ，國務(wù)院青島“11·22”東黃輸油管道泄漏爆炸事故調(diào)查組成員。

《管道保護(hù)》2018年第6期（總第43期）