曾傳海 石煥 熊凡玖 朱燕林 胡積熙

國家管網(wǎng)集團(tuán)西氣東輸南昌輸氣分公司

 

摘要：針對管道環(huán)焊縫開挖驗(yàn)證中發(fā)現(xiàn)的補(bǔ)口位置銹蝕問題，結(jié)合不同地貌土壤環(huán)境特征，深入分析了在陰極保護(hù)電位達(dá)標(biāo)情況下依然發(fā)生腐蝕的內(nèi)在機(jī)理。研究確認(rèn)，補(bǔ)口失效是陰極保護(hù)屏蔽效應(yīng)、土壤環(huán)境差異及施工質(zhì)量因素共同作用的結(jié)果。基于對35道環(huán)焊縫開挖樣本的定量分析，系統(tǒng)闡述了補(bǔ)口失效的主要模式及其與腐蝕程度的關(guān)聯(lián)性，進(jìn)而提出了優(yōu)化補(bǔ)口材料、改進(jìn)施工工藝、強(qiáng)化陰極保護(hù)監(jiān)測及實(shí)施差異化防護(hù)策略等綜合性管理措施，為提升在役管道完整性管理提供技術(shù)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：管道補(bǔ)口；腐蝕機(jī)理；土壤環(huán)境；陰極保護(hù)；管理措施

 

長輸天然氣管道補(bǔ)口是管道防腐的薄弱環(huán)節(jié)，其失效會直接誘發(fā)管體局部腐蝕，嚴(yán)重威脅管道完整性與運(yùn)行安全。近年來，環(huán)焊縫開挖驗(yàn)證工作中屢屢發(fā)現(xiàn)，即便所在管段的陰極保護(hù)電位監(jiān)測值符合規(guī)范要求，補(bǔ)口材料剝離后的管道本體表面仍存在不同程度的銹蝕。這一現(xiàn)象表明，常規(guī)的陰極保護(hù)電位監(jiān)測手段難以有效監(jiān)測與評價(jià)補(bǔ)口層下的真實(shí)腐蝕狀態(tài)。目前，現(xiàn)場補(bǔ)口多采用輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶（套），其施工涵蓋表面處理、底漆涂覆與熱收縮帶烘烤等多道工序。受制于野外施工條件、環(huán)境因素及人工作業(yè)差異，補(bǔ)口質(zhì)量往往存在偏差。本文從補(bǔ)口銹蝕機(jī)理剖析入手，結(jié)合現(xiàn)場開挖調(diào)查的定量數(shù)據(jù)與不同地貌土壤環(huán)境特征，提出有針對性的管控措施，旨在為管道長期安全運(yùn)行提供實(shí)踐范本。

1  問題與風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1  補(bǔ)口腐蝕機(jī)理分析

（1）補(bǔ)口失效模式。管道補(bǔ)口失效主要表現(xiàn)為兩種形式：一是熱收縮帶與管體三層聚乙烯防腐層搭接部位密封失效，呈現(xiàn)剝離狀態(tài)；二是熱收縮帶與補(bǔ)口部位的管體、PE局部黏結(jié)差，導(dǎo)致熱收縮帶可從管體上輕松剝離。這些失效模式使得水分和腐蝕性物質(zhì)得以侵入管道表面，引起腐蝕。

（2）陰極保護(hù)屏蔽效應(yīng)。熱收縮帶屬于高絕緣且非滲透性材料，對陰極保護(hù)電流具有屏蔽作用，因此熱收縮帶的補(bǔ)口失效具有隱蔽性和高危險(xiǎn)性。即使在陰極保護(hù)電位達(dá)標(biāo)情況下，補(bǔ)口層下仍可能發(fā)生腐蝕，這主要是由于陰極保護(hù)電流無法有效穿透到剝離的補(bǔ)口層下方。研究表明對于存在開口缺陷的熱收縮帶補(bǔ)口試樣，陰極保護(hù)的效果會隨著時(shí)間推移而顯著降低。在干燥土壤中，陰極保護(hù)尚能有效作用于破損處；然而，在潮濕或飽和水分的土壤中，電解質(zhì)的充分存在會加劇屏蔽效應(yīng)。隨著時(shí)間延長，陰極保護(hù)電流甚至可能通過電化學(xué)作用加速涂層剝離和縫隙內(nèi)的腐蝕進(jìn)程[1]。

通過電化學(xué)測試發(fā)現(xiàn)，在飽和水分的土壤中，帶有破損并剝離的熱收縮帶試樣，其陰極保護(hù)效果在實(shí)驗(yàn)后期基本失效，且腐蝕程度加劇。

對于熱收縮帶開口補(bǔ)口試樣，陰極保護(hù)效果隨時(shí)間延長而逐漸減弱，陰極保護(hù)電流的影響甚至?xí)�加速管體腐蝕（表 1）。

表 1 不同熱收縮帶狀態(tài)下的陰極保護(hù)效果對比 

（3）施工質(zhì)量因素。補(bǔ)口失效主要由于施工人員責(zé)任心不強(qiáng)、技能水平較低（如底漆漏刷、烘烤不足等）及現(xiàn)場監(jiān)管不到位等原因?qū)е隆�熱收縮帶施工為手工烘烤，加熱不均勻?qū)е聼崛勰z局部未熔融處形成空鼓；原有結(jié)構(gòu)為濕膜法施工，安裝熱收縮帶時(shí)底漆已固化，熱熔膠與固化后的底漆表面黏結(jié)效果差所導(dǎo)致的剝離等。

1.2  土壤環(huán)境對補(bǔ)口腐蝕的影響分析

（1）土壤電阻率與腐蝕特性。土壤電阻率是影響腐蝕過程的重要參數(shù)，直接決定了電化學(xué)腐蝕的速率和陰極保護(hù)效果。朱加祥等[2]研究表明高土壤電阻率會直接阻礙陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)作，其案例分析中就發(fā)現(xiàn)因陽極埋設(shè)點(diǎn)土壤干燥致使土壤電阻率較高，增大了系統(tǒng)回路電阻，導(dǎo)致陰極保護(hù)系統(tǒng)失效，隨著土壤電阻率的增大，陰極保護(hù)電位升高（正向移動(dòng)），法蘭和防腐層破損區(qū)域管道的腐蝕加劇。不同土壤類型的電阻率差異顯著，直接影響補(bǔ)口腐蝕的速度和形式。

①砂質(zhì)土壤：通常具有高電阻率，腐蝕速率較低，但陰極保護(hù)效果較差；②黏土土壤：電阻率較低，保持水分能力強(qiáng)，腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較高；③鹽堿土壤：含有高濃度鹽分，電阻率極低，腐蝕性極強(qiáng)；④混合土壤：腐蝕特性取決于組成成分和含水量。

（2）土壤含水量與腐蝕關(guān)系。土壤含水量是影響腐蝕過程的另一個(gè)關(guān)鍵因素，它通過改變土壤電阻率和影響氧擴(kuò)散速率來影響腐蝕過程。曾冬冬[3]的研究表明在不同濕度條件下，補(bǔ)口腐蝕行為表現(xiàn)出顯著差異，其核心結(jié)論揭示了土壤濕度、補(bǔ)口狀態(tài)和陰極保護(hù)三者互相影響，并最終決定了補(bǔ)口的腐蝕行為。

①高含水量土壤（飽和濕度）：陰極保護(hù)在前期對涂層已破損并剝離和只發(fā)生破損未剝離的試樣有保護(hù)效果，但隨著時(shí)間延長，充足的電解質(zhì)溶液和陰極保護(hù)會加快涂層的剝離，并由此產(chǎn)生嚴(yán)重的局部腐蝕；②中等含水量土壤：破損涂層試樣能夠得到完全的陰極保護(hù)，而破損剝離涂層試樣在剝離處會進(jìn)一步產(chǎn)生更嚴(yán)重的剝離，導(dǎo)致試樣的嚴(yán)重腐蝕；③低含水量土壤：所有涂層在短期內(nèi)都不會發(fā)生腐蝕；④干濕交替環(huán)境：破損涂層試樣腐蝕最為嚴(yán)重，隨著時(shí)間延長，其涂層會出現(xiàn)新的剝離和破損，剝離涂層下發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕。

（3）不同地貌環(huán)境的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。天然氣長輸管道經(jīng)過多種地貌環(huán)境，包括沙漠地區(qū)、黃土高原、山區(qū)丘陵和水網(wǎng)地帶等，每種地貌具有獨(dú)特的土壤特性和腐蝕風(fēng)險(xiǎn)（表 2）。

表 2 不同地貌土壤環(huán)境中的補(bǔ)口腐蝕形式和風(fēng)險(xiǎn)

 

對比分析表明，補(bǔ)口結(jié)構(gòu)缺陷對腐蝕的影響通常大于土壤類型的影響。存在缺陷的補(bǔ)口試樣在腐蝕性強(qiáng)的鹽漬土和砂石土中更易發(fā)展為危害更大的點(diǎn)腐蝕，相較于黃黏土中的均勻腐蝕，風(fēng)險(xiǎn)顯著升高。

2  現(xiàn)場調(diào)查與定量分析

為準(zhǔn)確評估在役管道補(bǔ)口的整體狀況與失效風(fēng)險(xiǎn)，本研究以開挖的35道環(huán)焊縫為樣本進(jìn)行詳細(xì)勘察。被調(diào)查管道運(yùn)行年限10年以上，補(bǔ)口類型主要為熱收縮帶（套）。

2.1  補(bǔ)口失效模式的定量統(tǒng)計(jì)

詳細(xì)記錄35個(gè)開挖點(diǎn)樣本的狀況并分類統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表 3所示。

表 3 補(bǔ)口主要失效模式統(tǒng)計(jì) 

數(shù)據(jù)顯示，陰極保護(hù)屏蔽現(xiàn)象最為普遍（71.4%），表明即便補(bǔ)口外觀完好，其結(jié)構(gòu)也可能使管體處于陰極保護(hù)的“盲區(qū)”。黏結(jié)失效（62.9%）與密封失效（51.4%）是導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)侵入的直接原因，構(gòu)成了補(bǔ)口失效的核心要素

2.2  補(bǔ)口下鋼管腐蝕狀況統(tǒng)計(jì)

根據(jù)開挖后鋼管表面的實(shí)際情況，我們將腐蝕程度分為四個(gè)等級并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖 1所示。典型補(bǔ)口失效與腐蝕類型現(xiàn)場示例如圖 2所示。

圖 1 補(bǔ)口下鋼管腐蝕程度分布情況 

圖 2 補(bǔ)口失效與腐蝕類型現(xiàn)場 

分析表明，存在可觀測腐蝕（C2至C4級）的樣本占比高達(dá)85.7%，其中中度至嚴(yán)重腐蝕（C3+C4）的樣本合計(jì)占比62.9%，證明了當(dāng)前補(bǔ)口系統(tǒng)的可靠性不足，失效風(fēng)險(xiǎn)極高。

2.3  失效原因與腐蝕程度的關(guān)聯(lián)性分析

我們將補(bǔ)口失效模式與鋼管腐蝕程度進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析發(fā)現(xiàn)：

（1）所有C4級（嚴(yán)重腐蝕）樣本均同時(shí)存在黏結(jié)失效和密封失效。

（2）陰極保護(hù)屏蔽在C3和C4級腐蝕樣本中普遍存在，它加劇了在防腐層破損處的腐蝕速率。

（3）在僅有熱收縮帶破損但未發(fā)生黏結(jié)/密封失效的樣本中，腐蝕程度多為C1或C2級，說明只要底層黏結(jié)良好，陰極保護(hù)系統(tǒng)仍能在一定程度上發(fā)揮作用。

可見，“密封與黏結(jié)失效”是誘發(fā)補(bǔ)口下鋼管嚴(yán)重腐蝕的必要條件，而“陰極保護(hù)屏蔽”效應(yīng)則極大地提升了此風(fēng)險(xiǎn)，使得局部腐蝕在缺乏有效電化學(xué)保護(hù)下加速進(jìn)行。

3  管理措施建議

3.1  補(bǔ)口材料優(yōu)化

針對不同區(qū)段環(huán)境特征，宜選用性能更優(yōu)的補(bǔ)口材料體系。

（1）粘彈體膠帶+壓敏膠型熱收縮帶。該組合具有良好的綜合性能，包括優(yōu)異的防腐絕緣性、耐陰極剝離性、抗水滲透性及機(jī)械性能，與3PE層黏結(jié)密封可靠，長期穩(wěn)定性好，且對表面處理要求相對寬松，施工便捷。

（2）無溶劑環(huán)氧涂料+壓敏膠型熱收縮帶。該體系性能穩(wěn)定，黏結(jié)強(qiáng)度高，但對管體表面處理要求極為嚴(yán)格，施工工藝復(fù)雜。

工程實(shí)踐表明，“粘彈體+壓敏膠型熱收縮帶”體系與3PE防腐層匹配性佳，已在近年管道修復(fù)中驗(yàn)證其性能達(dá)標(biāo)。

3.2  施工工藝改進(jìn)

嚴(yán)格控制施工環(huán)節(jié)是保障補(bǔ)口具備長期良好性能的關(guān)鍵。

（1）表面處理。確保補(bǔ)口施工與表面處理間隔不超過2小時(shí)；若出現(xiàn)返銹、污染須重新處理；除銹等級應(yīng)達(dá)ST3級。

（2）預(yù)熱溫度控制。使用火焰加熱器均勻預(yù)熱補(bǔ)口部位至規(guī)定溫度。

（3）施工環(huán)境控制。環(huán)境濕度>85%或雨雪天氣時(shí)，禁止施工。

（4）過程監(jiān)控。每個(gè)補(bǔ)口均需經(jīng)15 kV電火花檢漏，確保無針孔。

3.3  檢測與評估技術(shù)提升

構(gòu)建多層次檢測評估體系。

（1）內(nèi)檢測技術(shù)。定期開展漏磁內(nèi)檢測工作，識別潛在補(bǔ)口失效及管體缺陷問題。

（2）陰極保護(hù)有效性評估。關(guān)注陰極保護(hù)電流分布，識別屏蔽區(qū)域。

（3）定期開挖驗(yàn)證。按照計(jì)劃開展環(huán)焊縫及補(bǔ)口質(zhì)量驗(yàn)證。

（4）數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用。整合歷史開挖數(shù)據(jù)，深入分析管道本體運(yùn)行情況。

3.4  差異化防護(hù)策略

依據(jù)管道途經(jīng)地貌的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)等級，實(shí)施差異化管控策略。

（1）高腐蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（水網(wǎng)地帶、鹽堿地）。提升檢測頻次，采用高性能防腐材料，考慮增設(shè)CP增強(qiáng)系統(tǒng)。

（2）中等腐蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（黃土高原、山區(qū)丘陵）。應(yīng)用優(yōu)良補(bǔ)口材料，強(qiáng)化施工質(zhì)量控制與定期監(jiān)測。

（3）低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)區(qū)（沙漠地區(qū)）。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)防護(hù)與常規(guī)監(jiān)測維護(hù)。

3.5  維護(hù)與修復(fù)措施

針對已發(fā)生腐蝕的補(bǔ)口，需規(guī)范實(shí)施以下修復(fù)措施。

（1）表面處理。徹底清除補(bǔ)口區(qū)污物并噴砂除銹至要求等級。

（2）修復(fù)材料選擇。優(yōu)先選用“粘彈體膠帶+壓敏膠型熱收縮帶”體系。

（3）修復(fù)質(zhì)量控制。修復(fù)后須進(jìn)行嚴(yán)格的外觀檢查、電火花檢漏（15 kV）及黏結(jié)強(qiáng)度測試。

4  結(jié)論與展望

本文通過現(xiàn)場調(diào)查與定量分析，結(jié)合土壤環(huán)境特征，得出以下主要結(jié)論。

（1）補(bǔ)口位置銹蝕是陰極保護(hù)屏蔽、土壤環(huán)境侵蝕與施工質(zhì)量缺陷共同作用的結(jié)果。定量數(shù)據(jù)顯示，85.7%的受檢樣本存在腐蝕，62.9%已達(dá)中至嚴(yán)重程度，證實(shí)即便陰極保護(hù)電位達(dá)標(biāo)，補(bǔ)口層下腐蝕風(fēng)險(xiǎn)依然嚴(yán)峻。

（2）定量分析明確，黏結(jié)失效（62.9%）與密封失效（51.4%） 是導(dǎo)致嚴(yán)重腐蝕的直接誘因，而陰極保護(hù)屏蔽（71.4%）的廣泛存在顯著加劇了此風(fēng)險(xiǎn)。土壤電阻率、含水量與離子含量是主要環(huán)境影響因素，需依據(jù)地貌風(fēng)險(xiǎn)實(shí)施差異化防護(hù)策略。

（3）通過系統(tǒng)化的材料優(yōu)化、工藝改進(jìn)、檢測強(qiáng)化與防護(hù)策略差異化，可有效管控補(bǔ)口腐蝕問題，提升管道完整性水平。

未來研究可聚焦于以下幾個(gè)方面：開發(fā)長效耐久的新型補(bǔ)口材料與技術(shù)；深化陰極保護(hù)電流在復(fù)雜土壤環(huán)境中分布規(guī)律研究，提升保護(hù)有效性；利用大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)，構(gòu)建管道腐蝕智能監(jiān)測與預(yù)警系統(tǒng)。

 

參考文獻(xiàn)：

[1]王芷涵，李曉剛，杜艷霞，等. 不同土壤濕度下熱收縮帶補(bǔ)口陰極保護(hù)屏蔽效應(yīng)研究[J]. 中國腐蝕與防護(hù)學(xué)報(bào)，2022，42(01)：149-155.

[2]朱加祥，賈光猛，尚增輝，等.某大型站場強(qiáng)制電流陰極保護(hù)失效的原因[J].腐蝕與防護(hù)，2021，42(05)：70-73+77.

[3]曾冬冬.陰極保護(hù)條件下3PE防腐層埋地管道補(bǔ)口腐蝕行為研究[D].湖南大學(xué)，2014.DOI:10.27135/d.cnki.ghudu.2014.000033.

作者簡介：曾傳海，南昌輸氣分公司工程師，主要從事腐蝕控制、第三施工管理等方面的工作，聯(lián)系方式：18079165260，164195311@qq.com。