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淺談地下長城-埋地重要管道的腐蝕防護

2018-06-04 13:27:15 作者：李光福來源：上海材料研究所分享至：

前言

我們美好的現代生活與埋在地下的各種管網息息相關，盡管它們常常被人們忽視，但不可置疑的是它們提供我們生活所必須的天然氣、油、水等基礎物質，所以在國家建設過程中，常常能見到在城市、鄉間和荒野有各種管道的挖埋施工，圖1。全國性代表工程有西氣東輸一期和二期高壓長輸天然氣管線、中國-周邊國家的高壓長輸油氣管線，地方性代表工程如各大城市周邊的高壓天然氣管網和大型輸水管網。

管道多種多樣，有金屬的也有塑料的，但最重要的（如大尺寸、高壓管線）、數量最多的管道通常都是鋼制造的。眾所周知，鋼在土壤環境中不可避免要發生腐蝕，如果發生腐蝕導致的氣、油、水等物質泄漏，就可能危及人身和財產安全。腐蝕防護就是為埋地重要管線的安全可靠性提供保障，猶如地下萬里長城，保衛者我們的現代生活。本文淺談埋地重要鋼管的土壤腐蝕防護技術（兩道屏障）和它面臨的挑戰。

圖1. 美好的現代生活與埋地管網的建設和運行息息相關

外防護涂層是防止土壤腐蝕的第一道屏障

外防護涂層是埋地鋼管第一道也是最重要的屏障，主要是有機涂層和金屬涂層（或說鍍層）兩大類。迄今為止以有機涂層的應用最普遍，它又可分為環氧樹脂、改性酚醛環氧、瀝青、煤焦油等各種涂層。

美國腐蝕工程師協會標準NACE Standard RP0169-96《Standard Recommended Practice Control of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems》（埋地或水下金屬管線系統的外部腐蝕控制）要求管道外防護涂層應具有以下主要性能：

有效的電絕緣性和隔水屏障性；涂敷于管道的方法不會對管道性能產生不利影響；涂敷于管道上的涂層缺陷最少，與管道表面有良好的附著力；能防止針孔隨時間發展，能抵抗裝卸、儲存和安裝時的損傷；能有效地保持絕緣電阻隨時間恒定不變；抗剝離性能好，抗化學介質破壞能力強，補傷容易；物理性能保持能力強，對環境無毒；在地面儲存和長距離運輸過程中不發生變化和降解。可歸納成電性能、機械性能、老化性能（化學性能）和經濟性4個方面。

人們普遍認為不存在最佳覆蓋層問題，應根據具體情況，如管道的狀況、環境條件、施工方式、氣候因素和經濟條件來選擇經濟合理的覆蓋層。

早期的管道外防護涂層主要是瀝青型，上世紀30年代已得到很普及應用，以美國為代表的西方國家主要采用煤焦油瀝青，而前蘇聯和德國等多采用石油瀝青。60年代北美開發了環氧樹脂涂層并不斷改進，熔結環氧粉末涂層（Fusion bonded epoxy即FBE）技術在70 年代后期得到廣泛使用。歐洲從1965年就開始使用擠壓聚乙烯兩層結構涂層，擠壓聚乙烯是歐洲最受歡迎的埋地管道外防護涂層。由于熔結環氧和擠壓聚乙烯兩層結構各有長短，80 年代中期推出了擠壓聚烯烴三層結構涂層，該結構包括3PE（熔結環氧、膠粘劑、擠塑聚乙烯三層結構）和3PP（熔結環氧、膠粘劑、擠塑聚丙烯三層結構）。目前熔結環氧粉末涂層和3PE是用于重要管線最常用的涂層，圖2給出這兩種涂層的工藝流程及筆者參觀相關工廠拍攝的實況照片。

圖2. 熔結環氧粉末涂層和3PE涂層的工藝流程及工廠實況照片

下面以筆者親身經歷的青草沙引水工程管線為例做進一步介紹，工程是上海剛完成不久的重點工程之一，它包括青草沙水庫工程及取水泵閘工程、長江原水過江管工程、陸域輸水管線及增壓泵站工程三大主體工程，全市市民飲用水水質得到普遍改善。其輸水管線采用直徑大于2米，壁厚18~34毫米的鋼質管道，鋪設按照長距離頂管的施工方法進行，工程難度大，設計壽命要求高，它的外防護涂層選用高性能熔結環氧粉末涂層，現場環向對接焊縫焊后涂層補口采用無溶劑液體環氧涂料，上海材料研究所負責了該工程涂層性能檢測，這是確保涂層工程質量的關鍵環節。檢測項目分兩部分，第一部分是檢測環氧粉末原料，有外觀、不揮發物含量、粒徑分布（2項）、固化時間、膠化時間、磁性物含量、密度檢測共8項。第二部分是檢測在鋼管上制成的熔結環氧粉末涂層，有12項：外觀、抗沖擊性（-30℃）、抗彎曲性（3°，-30℃）、耐磨性（落砂法）、附著力（撬剝法）、粘結強度、陰極剝離（2天）、斷面孔隙率、界面孔隙率、耐化學性能（15d,60℃，蒸餾水和或3.5％NaCl）、電氣強度和體積電阻率。

陰極保護是防土壤腐蝕的第二道屏障

涂層不可能絕對完美無缺，在制造過程、施工過程和長期使用中都可能發生各種各樣的破損，導致鋼管與土壤環境接觸而發生腐蝕。因此有必要建立防土壤腐蝕的第二道屏障，這就是陰極保護，其基本原理是對被保護的金屬表面施加一定的直流電流，使其產生陰極極化，當金屬的電位負于某一電位值時，腐蝕的陽極溶解過程就會得到有效抑制。國際標準ISO 15589-1規定了該電位是-850mV或更負（相對飽和硫酸銅參比電極CSE，當存在硫酸鹽還原菌的環境，被保護結構物的電位負移至-950mV（CSE）或更負，但為了防止涂層的損傷，電位應該不負于 -1200 mV（CSE），以避免氫產生和/或金屬表面高pH的有害效應。

根據提供陰極電流的方式不同，陰極保護又分為犧牲陽極法和外加電流法兩種，如圖3，前者是將一種電位更負的金屬（如鎂、鋁、鋅等）與被保護的金屬結構物電性連接，通過電負性金屬或合金的不斷溶解消耗，向被保護物提供保護電流，使金屬結構物獲得保護。后者是將外部交流電轉變成低壓直流電，通過輔助陽極將保護電流傳遞給被保護的金屬結構物，從而使腐蝕得到抑制。不論是犧牲陽極法還是外加電流法，其有效合理的設計應用都可以獲得良好的保護效果。

圖3. 兩種陰極保護方法示意圖分

重要挑戰

上述兩道防土壤腐蝕的屏障為管網的迅速發展起到了保駕護航的作用，然而國內外長期建設和運行管線的經驗表明，目前埋地重要鋼管的結構完整性或說安全可靠性還存在一些挑戰，如應力腐蝕破裂、雜散電流干擾、管道老化、細菌腐蝕、高壓線交流干擾等問題，下面簡介前面兩項引人關注的重要挑戰：

1. 應力腐蝕破裂：

即鋼管在應力和土壤環境交互作用下發生裂紋萌生和擴展，可分為高pH和近中性pH應力腐蝕破裂兩大類。世界上報道的第一例長輸管線應力腐蝕破裂失效發生于1965年3月，美國路易斯安那州的輸氣管線由于破裂而泄露，引起大火。調查發現，其破壞形態為管道外壁沿晶型應力腐蝕破裂（又稱高pH應力腐蝕破裂），此后在加拿大、澳大利亞、巴基斯坦、前蘇聯和伊朗等國家都報道了這類應力腐蝕破裂的案例。1985年，在加拿大TransCanada PipeLines Ltd's（TCPL）公司管道的聚乙烯帶剝離涂層下首次發現了穿晶型應力腐蝕破裂失效，該破裂事故直到最近仍然不時發生，如圖4。因這種開裂在近中性（pH為6～8）、含CO2的稀電解液中形成，故稱為近中性pH應力腐蝕破裂。其它管線公司，如加拿大NOVA集團，也在其管線上發現了近中性pH 應力腐蝕破裂，其它國家如澳大利亞、伊朗、伊拉克及沙特等也都曾發生過該種類型的應力腐蝕破裂。

我國還沒有關于管線發生應力腐蝕破裂失效的報道，但不代表沒發生過，有的事故不一定進行了足夠的失效分析。未雨綢繆，上海材料研究所根據形勢需要，對國際上天然氣高壓長輸管線涉及土壤應力腐蝕破裂的運行經驗和相關研究進行了廣泛和深入的調研，發表了一系列綜述型論文；針對我國特別是上海管網做了一系列實驗研究，對關鍵因素、破裂機理和風險預測做了探討，發表了一系列實驗研究型論文。

圖4 加拿大長輸管線發生破裂泄漏爆炸事故現場及近中性pH應力腐蝕裂紋形貌

2.雜散電流腐蝕：

其原理是附近的軌道交通等設施使得土壤中存在電流，該電流從管道的某一部位進入管道，沿管道流動的一段距離后，又從管道流入土壤，在電流流出部位的管道發生顯著腐蝕，如圖5所示。近年來由于軌道交通的快速發展，這個問題變得突出起來，解決問題的關鍵是相關方嚴格按照國內外研究成果和國家制定的技術規程執行排流等防腐蝕措施，另外還需要更深入細致的研究，以使科學理解更加透徹、工程應對方法更加高效。