王軍明1 馬書江2 馮洪臣3

1.國家管網(wǎng)集團東部儲運襄陽輸油處；2.河南河之洲管道技術(shù)有限公司；3.廊坊市盈波管道技術(shù)有限公司 

 

摘要：預(yù)制保溫管的保溫結(jié)構(gòu)會屏蔽陰極保護電流，導(dǎo)致陰極保護無效或部分無效，防腐層外檢測工作無法順利開展，腐蝕控制和腐蝕監(jiān)控工作受限，對管道安全造成很大隱患。通過對保溫層屏蔽陰極保護電流的原理分析，結(jié)合現(xiàn)場模擬實驗開展保溫結(jié)構(gòu)改進。測試結(jié)果表明，改進后的保溫結(jié)構(gòu)可大大改善陰極保護效果，減少管道腐蝕風險。

關(guān)鍵詞：管道保溫層；陰極保護屏蔽；保溫結(jié)構(gòu)改進

 

埋地油氣長輸管道的腐蝕控制主要采用防腐層和陰極保護相結(jié)合的手段。對于熱油輸送管道，必須要有隔熱保溫層。預(yù)制保溫層的埋地鋼質(zhì)管道，防腐層處于保溫層底層，保溫結(jié)構(gòu)會屏蔽陰極保護電流，造成陰極保護無效或部分無效，防腐層外檢測效果差，僅能通過內(nèi)檢測發(fā)現(xiàn)管道腐蝕情況，使腐蝕控制和腐蝕監(jiān)控工作受到影響，嚴重威脅管道安全運營。目前，國內(nèi)外尚無有效的方法解決管道保溫與陰極保護的沖突。本次研究旨在用較低成本改造管道保溫結(jié)構(gòu)，解決陰極保護屏蔽問題，使具有保溫層的埋地管道處于有效陰極保護狀態(tài)，減緩管道腐蝕速率，提高防腐層破損點的可檢性。

1  概述

預(yù)制保溫層管道的基本結(jié)構(gòu)如圖 1所示。管道埋地后，外保護層一般具有良好的防水和絕緣性能，但由于制造、運輸、施工和老化等原因破損，導(dǎo)致部分管段保溫層（聚氨酯）進水。保溫結(jié)構(gòu)進水后，水會在保溫層（聚氨酯）和防腐層（環(huán)氧粉末，F(xiàn)BE）之間存留，沿管道徑向和軸向延伸。陰極保護電流進入有保溫結(jié)構(gòu)的管道后，絕大部分會通過最近的一個防腐層破損點流入管道，很少一部分會繼續(xù)前行進入其他破損點，導(dǎo)致陰極保護電流被屏蔽，管道基本處于無陰極保護狀態(tài)。同時管道處于濕潤聚氨酯泡沫環(huán)境中發(fā)生自腐蝕，但外檢測很難檢測到防腐層破損點，腐蝕控制基本處于失控狀態(tài)，如圖 2所示。

圖 1 保溫層管道結(jié)構(gòu)示意圖

圖 2 保溫結(jié)構(gòu)屏蔽陰極保護電流原理和等效電路示意圖

2  保溫結(jié)構(gòu)改進

2.1  陰保屏蔽模擬實驗

現(xiàn)場模擬預(yù)制保溫管道進水環(huán)境，聚氨酯結(jié)構(gòu)進水后實驗水的厚度為1 cm、寬度為10 cm；模擬防腐層破損點為連續(xù)長條狀，寬1 cm、長30 cm；引入陰保電流并測量引入點處和遠離引入點處的陰極保護電位，從左至右每間隔5 cm依次測量，參比電極置于破損點正上方，圖 3電位測量結(jié)果表明，遠離電流流入點后電位衰減速度非�？臁�

圖 3 保溫結(jié)構(gòu)對陰保電流屏蔽實驗結(jié)果

2.2  屏蔽距離計算

如圖 4所示，假設(shè)防腐層破損點不連續(xù)，且各破損點處于進水點左右兩側(cè)，陰保電流進入保溫層結(jié)構(gòu)后分三個方向（R1、R2、R3）流動。假定三個破損點的直徑均為1.13 cm，水的平均厚度為1 mm、寬度1 cm，R2延伸長度為10 cm，R3延伸長度為20 cm，按式（1）（2）計算三個通路的電阻。

式中，R1為進水點流入管道破損點的接地電阻，Ω；ρ為水的電阻率，20 Ω·m；d為破損點直徑，1.13 cm；計算得R1=885 Ω。

圖 4 破損點處于進水點兩側(cè)

R1和R2為串聯(lián)電路：

式中，L為R2延伸長度，10 cm；S為水的截面積，0.1 cm2；計算得R1+R2=200 885 Ω；同理，R1+R3=400 885 Ω。

比較三個通路的電阻值，發(fā)現(xiàn)近進水點處電阻較小，較遠處的電阻呈指數(shù)增長。按歐姆定律，可知遠進水點處的電流呈指數(shù)減小。

實驗估算保溫層進水后的陰保屏蔽距離大約為水膜厚度的5至10倍，該距離內(nèi)陰極保護可能有效，距離之外基本處于陰保屏蔽狀態(tài)。

2.3  保溫結(jié)構(gòu)改進可行性實驗

在管道保溫層聚氨酯內(nèi)部置入鍍鋅鋼絲網(wǎng)（以下稱內(nèi)置金屬網(wǎng)）可以為管道提供一個良好的低阻通道，金屬網(wǎng)僅纏繞在防腐層外側(cè)以避免與管道之間發(fā)生短路。每根管道的內(nèi)置金屬網(wǎng)上連接一根接地鍍鋅鋼絲做引流用（以下稱引流接地線），如圖 5所示。

圖 5 改進管道保溫結(jié)構(gòu)示意圖

3  材料及規(guī)格選擇

3.1  內(nèi)置金屬網(wǎng)材料選擇

內(nèi)置金屬網(wǎng)材質(zhì)的金屬活性要比管道材質(zhì)更活潑，其自然電位不能負于管道通電電位，綜合考慮選擇熱鍍鋅鋼絲網(wǎng)。

3.2  內(nèi)置金屬網(wǎng)規(guī)格選擇

（1）陰極保護電流需求計算。以管徑219 mm管道為例，防腐層為FBE，按1根管道長12 m、0.1%裸露面積計算電流需求量I，電流密度取值為60 mA/m2（低于30 ℃時，F(xiàn)BE管道破損點處電流密度取20 mA/m2，按照每升高1 ℃增加1 mA/m2、保溫管道出站溫度70℃推算，取值60 mA/m2）。單根管道表面積按式（3）計算：

其中：S為每段管道表面積，m2；D為管道直徑，0.219 m；L為管道長度，12 m；計算得S=8.25 m2。

電流需求量為：I=60 mA/m2×8.25 m2×0.1%=0.4951 mA=495.1 uA。

（2）按管道使用壽命30年推算內(nèi)置金屬網(wǎng)的使用壽命。根據(jù)法拉第第一定律，放電時的金屬損失：

W為金屬消耗量，kg；K為常數(shù)，取9.1 kg/A·Y； I 為電流消耗，459.1 uA；t為管道使用壽命，按30年計；計算得W=125 g。

以絲徑1 mm、網(wǎng)格孔徑3 mm鋼絲網(wǎng)為例，與防腐層破損點等效的內(nèi)置金屬網(wǎng)面積為471 cm2，重量為149 g，大于推算的125 g金屬消耗，滿足30年管道使用壽命。

（3）不同管徑管道內(nèi)置金屬網(wǎng)規(guī)格選擇。按30年使用壽命計，表 1為不同管徑管道內(nèi)置金屬網(wǎng)選用鋼絲網(wǎng)規(guī)格推薦表。

表 1 不同管徑管道內(nèi)置金屬網(wǎng)選用鋼絲網(wǎng)規(guī)格

3.3  引流接地線材質(zhì)和規(guī)格

通常引流接地線的自然電位越正越好，應(yīng)選擇惰性金屬。但考慮到引流接地線和內(nèi)置鋼絲網(wǎng)屬于導(dǎo)通狀態(tài)，材料不同則可能引起電偶腐蝕發(fā)生斷裂，破壞整體引流結(jié)構(gòu)。因此，選用與內(nèi)置金屬網(wǎng)同材質(zhì)的鍍鋅鋼絲，推薦規(guī)格為外徑2.2 mm至1.6 mm。

接地電阻采用式（5）計算：

根據(jù)不同管徑管道陰極保護電流需求量、引流接地極電位差值等，推算引流接地線長度。在土壤電阻率小于50 Ω·m情況下，大部分管道的引流接地線均小于2 m，如圖 6所示。

圖 6 不同土壤電阻率下各管徑管道所需引流接地線長度對照圖

4  保溫結(jié)構(gòu)改進后性能測試

4.1  電位測試

保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)置金屬網(wǎng)后，管道陰極保護電位測試原理和結(jié)果分別如圖 7、圖 8所示。

圖 7 保溫結(jié)構(gòu)改進后電位測試原理示意圖

圖 8 保溫結(jié)構(gòu)改進前后管道陰保電位數(shù)據(jù)對比圖

4.2  其他性能測試和影響

（1） 熱損失實驗�，F(xiàn)場模擬內(nèi)置金屬網(wǎng)對保溫管內(nèi)的熱損失實驗（3小時）結(jié)果證明，改進保溫結(jié)構(gòu)后熱損失可以忽略不計（表 2）。

表 2 內(nèi)置金屬網(wǎng)對保溫管熱損失實驗結(jié)果

（2）交流雜散電流干擾分析。內(nèi)置金屬網(wǎng)在管道防腐層外面形成一層有效的靜電屏蔽網(wǎng)，其抵抗感應(yīng)型雜散電流干擾的能力較常規(guī)管道更強。

（3）對防腐層外檢測的影響。改進保溫結(jié)構(gòu)后增加了內(nèi)部的低阻通道，可能檢測到的防腐層破損點即為保溫層進水點，與原檢測工作無差別。

（4）與管道短路風險及規(guī)避措施。測試內(nèi)置金屬網(wǎng)與管道是否短路，若發(fā)生短路會屏蔽整段12 m管道電流，陰極保護失效。但同時短路接觸點會快速腐蝕，金屬網(wǎng)腐蝕后會解除與管道的短路狀態(tài)，內(nèi)置金屬網(wǎng)恢復(fù)成低阻通道，重新起到引流作用。

（5）對聚氨酯與FBE黏結(jié)力的影響。預(yù)制保溫管道時，聚氨酯通過空壓泵方式注入FBE防腐層和外保護層，由液態(tài)泡沫凝固為聚氨酯固態(tài)泡沫結(jié)構(gòu)。內(nèi)置金屬網(wǎng)會增加聚氨酯與FBE表面粗糙程度，有利于成型和固化，增強黏結(jié)力

5  改造工藝細節(jié)

（1）內(nèi)置金屬網(wǎng)。內(nèi)置金屬網(wǎng)要緊貼管道防腐層布置，與管道的間隙越小越好。每根管道的內(nèi)置金屬網(wǎng)（鋼絲網(wǎng)）為獨立結(jié)構(gòu)，焊接時不與相鄰管道的內(nèi)置金屬網(wǎng)連接。

（2）焊接補口。焊接補口應(yīng)采用性能可靠、現(xiàn)場環(huán)境適應(yīng)性強、施工操作方便和技術(shù)經(jīng)濟性好的材料，補口順序依次為防腐層—保溫層—防護層，補口工藝參照原保溫管道。引流接地線要單側(cè)引出，管道之間的接地線不連接，如圖 9所示。

圖 9 補口處的引流接地線處置

6  結(jié)語

原埋地保溫層鋼質(zhì)管道存在較大腐蝕風險，通過理論分析和現(xiàn)場模擬實驗，開展保溫層結(jié)構(gòu)改造，材料易得，工藝簡單，成本低廉，對陰極保護效果改善明顯，可有效解決保溫結(jié)構(gòu)對陰極保護的屏蔽問題，同時金屬網(wǎng)內(nèi)置于保溫層內(nèi)，還可以減輕埋地管道感應(yīng)型交流干擾。測試結(jié)果表明，陰極保護電位能準確反映測試位置的真實陰保狀態(tài)，管道腐蝕控制和監(jiān)控工作均能正常進行，可為架空保溫管道、城市供熱管道的陰極保護提供有益借鑒。

作者簡介：王軍明，工程師，長江大學畢業(yè)，東部原油儲運公司襄陽輸油處副處長，從事管道相關(guān)工作17年。聯(lián)系方式：13908673435，wangjunm@dingtalk.com。