文| 路民旭 杜艷霞 北京科技大學(xué)腐蝕與防護(hù)中心 李夏喜 孫健民 北京燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司

 

　　近年來(lái)燃?xì)庑孤┍ㄊ鹿暑l發(fā)。2014 年7 月臺(tái)灣高雄發(fā)生燃?xì)獗ㄊ鹿剩斐?1 人死亡，輕重傷270 人。2013 年國(guó)內(nèi)因燃?xì)庑孤┮l(fā)的爆炸事件達(dá)到220 余起，死傷1000 余人，經(jīng)濟(jì)損失達(dá)8.5 億元。這些事故的發(fā)生為全國(guó)的燃?xì)夤芫W(wǎng)安全敲響了警鐘。天然氣的普及給公共生活帶來(lái)了方便，減少了城市污染，提高了生活質(zhì)量；但同時(shí)天然氣也是潛在的“危險(xiǎn)品”.天然氣高度易燃易爆，一旦泄漏，處理不及時(shí)就可能引發(fā)爆炸，給公共安全造成極大的威脅，為城市安全埋下了巨大的隱患。因此要保證人民生命財(cái)產(chǎn)的安全，燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全問(wèn)題應(yīng)引起管理者、使用者及政府部門(mén)的高度重視。

 

　　近年來(lái)隨著我國(guó)城市建設(shè)的高速發(fā)展，城區(qū)規(guī)模日趨擴(kuò)大，燃?xì)夤芫W(wǎng)也在快速延伸。以北京燃?xì)夤芫W(wǎng)為例，截至2013 年，北京市燃?xì)夤艿赖目傞L(zhǎng)度已達(dá)1.95 萬(wàn)公里，并且還在以每年10% 左右的速度擴(kuò)展。與此同時(shí)，其他基礎(chǔ)設(shè)施如城市軌道交通、高壓電網(wǎng)、高速鐵路的建設(shè)也在飛速發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2015 年北京軌道交通運(yùn)營(yíng)總里程將達(dá)到666 公里。地鐵軌道交通系統(tǒng)和市政電力設(shè)施會(huì)對(duì)埋地燃?xì)夤艿涝斐蓢?yán)重的交直流干擾，引起雜散電流腐蝕等安全事故。埋地燃?xì)夤芫W(wǎng)面臨的服役環(huán)境日益復(fù)雜，腐蝕風(fēng)險(xiǎn)逐年加大。北京燃?xì)夤芫W(wǎng)的腐蝕調(diào)查中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大量的雜散電流腐蝕案例，據(jù)統(tǒng)計(jì)， 2001-2010 年，北京市燃?xì)馐鹿蕮屝?300 多起中管道腐蝕泄漏約占35%.在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)日益加大的當(dāng)下，有效的腐蝕控制技術(shù)對(duì)于保障北京市燃?xì)夤芫W(wǎng)的服役安全至關(guān)重要。

 

　　筆者帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)與北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司合作，圍繞城市燃?xì)夤芫W(wǎng)陰極保護(hù)及交直流干擾防護(hù)技術(shù)開(kāi)展了系統(tǒng)研究， 主要涉及燃?xì)夤芫W(wǎng)犧牲陽(yáng)極服役行為及有效判據(jù)研究、燃?xì)夤芫W(wǎng)外加電流陰極保護(hù)數(shù)值預(yù)測(cè)與優(yōu)化技術(shù)研究、交、直流干擾檢測(cè)及防護(hù)技術(shù)研究以及陰極保護(hù)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)研究，下面將從以上幾個(gè)方面來(lái)介紹我們的主要工作進(jìn)展。

 

　　燃?xì)夤芫W(wǎng)犧牲陽(yáng)極服役行為及有效判據(jù)研究

 

　　國(guó)內(nèi)埋地燃?xì)夤艿劳飧g控制普遍采用外防腐涂層和陰極保護(hù)聯(lián)合保護(hù)技術(shù)，犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)因具有無(wú)需外部電源、對(duì)外界干擾少、安裝維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)而在城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)中廣泛應(yīng)用。北京燃?xì)饧瘓F(tuán)自1987 年對(duì)高壓燃?xì)夤艿乐鸩阶芳訝奚?yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)以來(lái)，目前犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)服役時(shí)間達(dá)到10 年及以上的管道長(zhǎng)度超過(guò)500km,這些系統(tǒng)都已臨近或超出設(shè)計(jì)壽命。而對(duì)于這些系統(tǒng)的工作狀態(tài)及保護(hù)效果，尚沒(méi)有全面掌握；對(duì)于犧牲陽(yáng)極的服役行為及消耗情況缺乏系統(tǒng)的測(cè)試分析；此外隨著犧牲陽(yáng)極服役環(huán)境的變化，其設(shè)計(jì)、檢測(cè)及評(píng)估技術(shù)也亟待提高。

 

　　筆者帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)與北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)高壓公司技術(shù)人員組成聯(lián)合項(xiàng)目組，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、開(kāi)挖取樣及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試分析，掌握了犧牲陽(yáng)極材料的消耗情況、陰極保護(hù)效果以及存在的問(wèn)題；并針對(duì)犧牲陽(yáng)極陰保系統(tǒng)保護(hù)電位有效測(cè)試方法、不同防腐層管道犧牲陽(yáng)極合理設(shè)置間距、陽(yáng)極腐蝕形貌影響因素及犧牲陽(yáng)極系統(tǒng)有效性判據(jù)等內(nèi)容開(kāi)展了系統(tǒng)的研究。

 

　　犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)陽(yáng)極材料消耗情況研究

 

　　通過(guò)系統(tǒng)調(diào)研與分類(lèi)，根據(jù)陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行年限、管道涂層種類(lèi)、壓力等級(jí)及開(kāi)挖條件，在北京燃?xì)夤芫W(wǎng)中選取了具有代表性的24 個(gè)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)（約300km 管線），其分布位置如圖1 所示。其中服役10 年以上15 個(gè)，10 年以下的9 個(gè)； 高壓（包括高壓B 和次高壓A）8 處，中壓16 處；涉及了6 種涂層類(lèi)型，其中FBE 涂層7 處，PE 涂層7 處，石油瀝青7 處，塑化瀝青膠帶1 處，環(huán)氧煤瀝青1 處，煤焦油瓷漆1 處。

 

　　開(kāi)展了詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)及實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，其中現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試內(nèi)容包括管線位置、外防腐層狀況及犧牲陽(yáng)極定位檢測(cè)，犧牲陽(yáng)極服役參數(shù)測(cè)試如犧牲陽(yáng)極開(kāi)/ 閉路電位、輸出電流、接地電阻及管道陰極保護(hù)通、斷電電位測(cè)試等。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試包括犧牲陽(yáng)極的外觀測(cè)試、失重測(cè)試、腐蝕速率計(jì)算、腐蝕形貌測(cè)試、腐蝕產(chǎn)物測(cè)試、極化特性測(cè)試、合金成分測(cè)試以及土壤腐蝕性測(cè)試等。

 

　　通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到了中壓和高壓兩種管道鎂合金犧牲陽(yáng)極的消耗情況，如圖2 所示。

 

　　由圖2 可見(jiàn)，與高壓管道相比，中壓管道鎂合金犧牲陽(yáng)極的消耗速率明顯增大。高壓管道鎂陽(yáng)極消耗速率普遍在0.2 千克/ 年（kg/a）左右，而中壓管線的消耗速率則普遍超過(guò)0.2kg/a,最大的可達(dá)0.8kg/a.分析其原因，主要為不同壓力等級(jí)的管道涂層存在較大差異。通常情況下，高壓管線的涂層較好，如大多為FBE 涂層，保護(hù)電流需求??；而中壓管線的涂層較差，一般為瀝青涂層， 保護(hù)電流需求大，但是目前犧牲陽(yáng)極的設(shè)計(jì)數(shù)量和間距并沒(méi)有根據(jù)涂層類(lèi)型進(jìn)行調(diào)整。故而中壓管線陽(yáng)極消耗速率要明顯高于高壓管線的陽(yáng)極的消耗速率。

 

　　不同涂層條件下?tīng)奚?yáng)極合理設(shè)置間距研究

 

　　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果顯示，高壓、中壓管道犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)效果存在較大差異，分析其原因主要為二者涂層絕緣性能不同，管道保護(hù)電流需求存在較大差異，而目前犧牲陽(yáng)極的設(shè)計(jì)數(shù)量和間距并沒(méi)有根據(jù)涂層類(lèi)型進(jìn)行調(diào)整，仍然采用每300-500 米設(shè)置一組犧牲陽(yáng)級(jí)的方式。

 

　　采用陰極保護(hù)電位分布數(shù)值模擬計(jì)算技術(shù)研究了管道涂層對(duì)犧牲陽(yáng)極組設(shè)置間距的影響。選取的管道長(zhǎng)度為100km,管徑為1016mm,主要考慮了石油瀝青和3PE 兩種涂層，對(duì)于3PE 涂層，計(jì)算了8 種（500m、2km、5km、7km、8km、10km、20km 以及50km） 犧牲陽(yáng)極組間距下的管道電位分布；對(duì)于石油瀝青涂層，計(jì)算了4 種（300m、500m、60mm 以及1km）犧牲陽(yáng)極組間距下的電位分布，計(jì)算中土壤電阻率為50Ω·m,計(jì)算結(jié)果如圖3~4 所示。

 

　　圖3 顯示了土壤電阻率為50Ω·m 時(shí)，犧牲陽(yáng)極組間距對(duì)3PE 涂層管道電位分布的影響。不難看出，隨著陽(yáng)極組間距的逐漸增大，管道電位逐漸正向偏移。當(dāng)陽(yáng)極組間距較小時(shí)，管道存在明顯的過(guò)度保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)，如陽(yáng)極組間距為500m 時(shí)，管道極化電位分布在-1410mV~-1440mV（CSE），負(fù)于標(biāo)準(zhǔn)要求的-1200mV （CSE）。當(dāng)陽(yáng)極組間距逐漸增大到2km 時(shí)，管道電位則分布在-1200 Mv（CSE）附近。隨著陽(yáng)極組間距進(jìn)一步增大，管道電位進(jìn)一步正向偏移。當(dāng)陽(yáng)極組間距增大到7km 時(shí)，管道電位分布在-900mV （CSE）左右。若進(jìn)一步增大陽(yáng)極組的間距，管道出現(xiàn)了欠保護(hù)的現(xiàn)象，如當(dāng)陽(yáng)極組間距分別達(dá)到10km、20km 以及50km 時(shí)，管道電位正向偏移至-800mV（CSE）、-700mV（CSE）以及-650mV （CSE）。因此，根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以得到對(duì)于3PE 涂層3PE,在土壤電阻率50Ω·m 情況下，比較合理的犧牲陽(yáng)極組間距為2~7km, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前采用的300~500m 犧牲陽(yáng)極組間距。

 

　　圖4 顯示了土壤電阻率為50Ω·m 時(shí)犧牲陽(yáng)極組間距對(duì)石油瀝青涂層管道電位分布的影響。在目前常用的300m 犧牲陽(yáng)極組間距以及較新的石油瀝青涂層條件下，管道電位分布在-1020mV~-1075mV（CSE）。若將犧牲陽(yáng)極組間距增大到600m,管道電位則出現(xiàn)了正向偏移，但仍滿(mǎn)足-850mV 的陰保準(zhǔn)則要求。若將犧牲陽(yáng)極組間距進(jìn)一步增大，則管道出現(xiàn)了欠保護(hù)現(xiàn)象。因此，在這種情況下（土壤電阻率為50Ω·m,管道涂層為石油瀝青涂層），較為合理的犧牲陽(yáng)極組間距為300~600m, 遠(yuǎn)小于3PE 涂層的犧牲陽(yáng)極組合理設(shè)置間距。

 

　　以上研究結(jié)果說(shuō)明城市燃?xì)夤芫W(wǎng)犧牲陽(yáng)極設(shè)置間距需要根據(jù)防腐層絕緣性能及土壤環(huán)境進(jìn)行合理選取。

 

　　鎂合金犧牲陽(yáng)極腐蝕形貌影響因素研究

 

　　犧牲陽(yáng)極現(xiàn)場(chǎng)取樣發(fā)現(xiàn)，來(lái)自不同廠家的同一型號(hào)犧牲陽(yáng)極產(chǎn)品，腐蝕形貌存在很大差異，如圖5 所示?？梢钥闯觯?# 陽(yáng)極表面出現(xiàn)了明顯的局部腐蝕坑，蝕坑小而深，坑徑最大為10mm, 而坑深最深高達(dá)18mm.10# 陽(yáng)極表面腐蝕相對(duì)均勻。為了研究犧牲陽(yáng)極材料腐蝕形貌的影響因素，進(jìn)行了合金成分測(cè)試和微觀組織結(jié)構(gòu)的測(cè)試與分析。結(jié)果顯示，鎂合金犧牲陽(yáng)極的腐蝕形貌與其微觀組織結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系，晶粒的形狀、尺寸大小以及第二相粒子的相分布等對(duì)鎂合金的腐蝕形貌均有著較大的影響。以圖5 所示的2# 及10# 犧牲陽(yáng)極為例，其微觀組織結(jié)構(gòu)照片如圖6 所示。

 

　　由圖可見(jiàn)，2# 陽(yáng)極的微觀組織晶粒尺寸較小，而第二相粒子異常的多，且分布極不均勻，晶界和晶粒內(nèi)部均有較多的第二相粒子。由于第二相粒子屬于陰極相，晶粒內(nèi)部第二相粒子的存在會(huì)加速其周?chē)V的腐蝕，而晶界上的第二相粒子會(huì)在晶界上形成一片阻擋層，阻礙腐蝕沿著晶界進(jìn)行，如此腐蝕只能在第二相粒子周?chē)刂v向發(fā)展，從而形成了較深的腐蝕坑。由于晶粒尺寸較小，腐蝕坑的直徑也較小，故而出現(xiàn)了小而深的局部腐蝕形貌。與2# 陽(yáng)極相似，10# 陽(yáng)極的晶粒尺寸較小，但其第二相粒子也較少，且主要分布在晶粒內(nèi)部，晶界上第二相粒子較少。雖然晶粒內(nèi)部第二相粒子的存在會(huì)加速鎂陽(yáng)極的腐蝕，但由于其晶界上第二相粒子較少，不會(huì)形成一層阻擋層，從而會(huì)使得腐蝕沿著晶界發(fā)展。由于晶粒尺寸較小，故而出現(xiàn)了相對(duì)均勻的腐蝕相貌。

 

　　由于鎂合金的微觀組織結(jié)構(gòu)與其成型方式（如鑄造成型、擠壓成型等）、熱處理工藝等密切相關(guān)，因此為了獲得更好的服役性能，需要采用合適的成型工藝及合理的熱處理工藝。

 

　　犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)極化電位測(cè)試方法研究

 

　　在進(jìn)行犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)電位測(cè)試過(guò)程中，由于很難將系統(tǒng)中所有有貢獻(xiàn)的犧牲陽(yáng)極同時(shí)斷開(kāi)，所以要想準(zhǔn)確測(cè)得管道的極化電位，難度很大。然而，對(duì)于一個(gè)犧牲陽(yáng)極陰保系統(tǒng)， 若不能準(zhǔn)確測(cè)得管道的極化電位，按照傳統(tǒng)的陰保評(píng)價(jià)準(zhǔn)則，則無(wú)法直接評(píng)價(jià)犧牲陽(yáng)極陰保系統(tǒng)的有效性。鑒于此，我們將密間隔電位測(cè)試和陰極保護(hù)極化探頭測(cè)試技術(shù)相結(jié)合，提出了一種適用于犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)極化電位測(cè)量的密間隔極化探頭測(cè)試方法，其測(cè)量原理如圖7 所示。即在管道附近密間隔安裝便攜式極化探頭，并將極化探頭上的極化試片通過(guò)導(dǎo)線與犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)電連接，進(jìn)行陰極極化，待極化探頭試片充分極化后， 測(cè)量密間隔分布的極化探頭通斷電電位，用極化探頭試片斷電電位來(lái)表示管道的極化電位，進(jìn)而得到犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)極化電位的分布情況。值得注意的是，為了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)于不同涂層的管道，極化探頭需要選取不同面積的試片。

 

　　犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)有效性判據(jù)研究

 

　　由于城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿来蠖辔挥诜比A的城區(qū)，管道上方常為建筑物或道路，常常無(wú)法直接進(jìn)行密間隔極化電位的測(cè)試。在這種情況下，如何來(lái)判斷犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)的有效性呢？本部分結(jié)合犧牲陽(yáng)極的工作原理和服役參數(shù)隨時(shí)間的變化，提出了基于極限接地電阻的燃?xì)夤芫W(wǎng)犧牲陽(yáng)極有效性判據(jù)。由于犧牲陽(yáng)極的消耗及表面狀態(tài)的改變，都可以直接體現(xiàn)在其接地電阻變化上，同時(shí)該參數(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中便于測(cè)量，因此對(duì)于不便于直接測(cè)量極化電位分布的情況，可以用來(lái)了判斷犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)有效性。所提出的犧牲陽(yáng)極陰保系統(tǒng)有效性判據(jù)應(yīng)用流程圖如圖8 所示。
 

 

　　由圖8 可見(jiàn)，對(duì)于具備密間隔極化電位測(cè)量條件的犧牲陽(yáng)極陰保系統(tǒng)，可以通過(guò)直接測(cè)量極化電位分布來(lái)對(duì)系統(tǒng)有效性進(jìn)行評(píng)估，如保護(hù)距離達(dá)標(biāo)，則該陰保系統(tǒng)有效，反之無(wú)效。對(duì)于不具備密間隔極化電位測(cè)量條件的系統(tǒng)，則需分別測(cè)量該陽(yáng)極組組內(nèi)單支陽(yáng)極接地電阻Rd 及整組陽(yáng)極接地電阻Rz.根據(jù)該陰極保護(hù)系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)，通過(guò)理論計(jì)算得出組內(nèi)單支陽(yáng)極及整組陽(yáng)極的臨界接地電阻Rd 臨界及Rz 臨界，將實(shí)際測(cè)量值與臨界值進(jìn)行對(duì)比，若Rz<Rz 臨界，則陽(yáng)極組有效；若Rz>Rz 臨界，則陽(yáng)極組失效。同理，若Rd<Rd 臨界，則此支陽(yáng)極有效；若Rd>Rd 臨界，則此支陽(yáng)極失效。Rd 臨界及Rz 臨界是以上判據(jù)應(yīng)用的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)于特定的犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)，該臨界接地電阻可根據(jù)保護(hù)距離、保護(hù)電流需求及土壤環(huán)境確定。

 

　　以上基于極限接地電阻的燃?xì)夤芫W(wǎng)犧牲陽(yáng)極有效性判據(jù)，已在北京燃?xì)夤芫W(wǎng)8 個(gè)示范點(diǎn)進(jìn)行了應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果顯示該判據(jù)可以滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)的要求，具備推廣應(yīng)用價(jià)值。

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