王軍明1 馬書(shū)江2 馮洪臣3

1.國家管網(wǎng)集團東部?jì)�運襄陽(yáng)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：預制保溫管的保溫結構會(huì )屏蔽陰極保護電流，導致陰極保護無(wú)效或部分無(wú)效，防腐層外檢測工作無(wú)法順利開(kāi)展，腐蝕控制和腐蝕監控工作受限，對管道安全造成很大隱患。通過(guò)對保溫層屏蔽陰極保護電流的原理分析，結合現場(chǎng)模擬實(shí)驗開(kāi)展保溫結構改進(jìn)。測試結果表明，改進(jìn)后的保溫結構可大大改善陰極保護效果，減少管道腐蝕風(fēng)險。

關(guān)鍵詞：管道保溫層；陰極保護屏蔽；保溫結構改進(jìn)

 

埋地油氣長(cháng)輸管道的腐蝕控制主要采用防腐層和陰極保護相結合的手段。對于熱油輸送管道，必須要有隔熱保溫層。預制保溫層的埋地鋼質(zhì)管道，防腐層處于保溫層底層，保溫結構會(huì )屏蔽陰極保護電流，造成陰極保護無(wú)效或部分無(wú)效，防腐層外檢測效果差，僅能通過(guò)內檢測發(fā)現管道腐蝕情況，使腐蝕控制和腐蝕監控工作受到影響，嚴重威脅管道安全運營(yíng)。目前，國內外尚無(wú)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構，解決陰極保護屏蔽問(wèn)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(diǎn)的可檢性。

1  概述

預制保溫層管道的基本結構如圖 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，導致部分管段保溫層（聚氨酯）進(jìn)水。保溫結構進(jìn)水后，水會(huì )在保溫層（聚氨酯）和防腐層（環(huán)氧粉末，FBE）之間存留，沿管道徑向和軸向延伸。陰極保護電流進(jìn)入有保溫結構的管道后，絕大部分會(huì )通過(guò)最近的一個(gè)防腐層破損點(diǎn)流入管道，很少一部分會(huì )繼續前行進(jìn)入其他破損點(diǎn)，導致陰極保護電流被屏蔽，管道基本處于無(wú)陰極保護狀態(tài)。同時(shí)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(diǎn)，腐蝕控制基本處于失控狀態(tài)，如圖 2所示。

圖 1 保溫層管道結構示意圖

圖 2 保溫結構屏蔽陰極保護電流原理和等效電路示意圖

2  保溫結構改進(jìn)

2.1  陰保屏蔽模擬實(shí)驗

現場(chǎng)模擬預制保溫管道進(jìn)水環(huán)境，聚氨酯結構進(jìn)水后實(shí)驗水的厚度為1 cm、寬度為10 cm；模擬防腐層破損點(diǎn)為連續長(cháng)條狀，寬1 cm、長(cháng)30 cm；引入陰保電流并測量引入點(diǎn)處和遠離引入點(diǎn)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(diǎn)正上方，圖 3電位測量結果表明，遠離電流流入點(diǎn)后電位衰減速度非�？�。

圖 3 保溫結構對陰保電流屏蔽實(shí)驗結果

2.2  屏蔽距離計算

如圖 4所示，假設防腐層破損點(diǎn)不連續，且各破損點(diǎn)處于進(jìn)水點(diǎn)左右兩側，陰保電流進(jìn)入保溫層結構后分三個(gè)方向（R1、R2、R3）流動(dòng)。假定三個(gè)破損點(diǎn)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(cháng)度為10 cm，R3延伸長(cháng)度為20 cm，按式（1）（2）計算三個(gè)通路的電阻。

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

圖 4 破損點(diǎn)處于進(jìn)水點(diǎn)兩側

R1和R2為串聯(lián)電路：

式中，L為R2延伸長(cháng)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(gè)通路的電阻值，發(fā)現近進(jìn)水點(diǎn)處電阻較小，較遠處的電阻呈指數增長(cháng)。按歐姆定律，可知遠進(jìn)水點(diǎn)處的電流呈指數減小。

實(shí)驗估算保溫層進(jìn)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  保溫結構改進(jìn)可行性實(shí)驗

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

圖 5 改進(jìn)管道保溫結構示意圖

3  材料及規格選擇

3.1  內置金屬網(wǎng)材料選擇

內置金屬網(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  內置金屬網(wǎng)規格選擇

（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(cháng)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(shí)，FBE管道破損點(diǎn)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(cháng)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年推算內置金屬網(wǎng)的使用壽命。根據法拉第第一定律，放電時(shí)的金屬損失：

W為金屬消耗量，kg；K為常數，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(diǎn)等效的內置金屬網(wǎng)面積為471 cm2，重量為149 g，大于推算的125 g金屬消耗，滿(mǎn)足30年管道使用壽命。

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

表 1 不同管徑管道內置金屬網(wǎng)選用鋼絲網(wǎng)規格

3.3  引流接地線(xiàn)材質(zhì)和規格

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

接地電阻采用式（5）計算：

根據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(xiàn)長(cháng)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(xiàn)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(xiàn)長(cháng)度對照圖

4  保溫結構改進(jìn)后性能測試

4.1  電位測試

保溫結構內置金屬網(wǎng)后，管道陰極保護電位測試原理和結果分別如圖 7、圖 8所示。

圖 7 保溫結構改進(jìn)后電位測試原理示意圖

圖 8 保溫結構改進(jìn)前后管道陰保電位數據對比圖

4.2  其他性能測試和影響

（1） 熱損失實(shí)驗�，F場(chǎng)模擬內置金屬網(wǎng)對保溫管內的熱損失實(shí)驗（3小時(shí)）結果證明，改進(jìn)保溫結構后熱損失可以忽略不計（表 2）。

表 2 內置金屬網(wǎng)對保溫管熱損失實(shí)驗結果

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

（3）對防腐層外檢測的影響。改進(jìn)保溫結構后增加了內部的低阻通道，可能檢測到的防腐層破損點(diǎn)即為保溫層進(jìn)水點(diǎn)，與原檢測工作無(wú)差別。

（4）與管道短路風(fēng)險及規避措施。測試內置金屬網(wǎng)與管道是否短路，若發(fā)生短路會(huì )屏蔽整段12 m管道電流，陰極保護失效。但同時(shí)短路接觸點(diǎn)會(huì )快速腐蝕，金屬網(wǎng)腐蝕后會(huì )解除與管道的短路狀態(tài)，內置金屬網(wǎng)恢復成低阻通道，重新起到引流作用。

（5）對聚氨酯與FBE黏結力的影響。預制保溫管道時(shí)，聚氨酯通過(guò)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)泡沫結構。內置金屬網(wǎng)會(huì )增加聚氨酯與FBE表面粗糙程度，有利于成型和固化，增強黏結力

5  改造工藝細節

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

（2）焊接補口。焊接補口應采用性能可靠、現場(chǎng)環(huán)境適應性強、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(xiàn)要單側引出，管道之間的接地線(xiàn)不連接，如圖 9所示。

圖 9 補口處的引流接地線(xiàn)處置

6  結語(yǔ)

原埋地保溫層鋼質(zhì)管道存在較大腐蝕風(fēng)險，通過(guò)理論分析和現場(chǎng)模擬實(shí)驗，開(kāi)展保溫層結構改造，材料易得，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，對陰極保護效果改善明顯，可有效解決保溫結構對陰極保護的屏蔽問(wèn)題，同時(shí)金屬網(wǎng)內置于保溫層內，還可以減輕埋地管道感應型交流干擾。測試結果表明，陰極保護電位能準確反映測試位置的真實(shí)陰保狀態(tài)，管道腐蝕控制和監控工作均能正常進(jìn)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(jiǎn)介：王軍明，工程師，長(cháng)江大學(xué)畢業(yè)，東部原油儲運公司襄陽(yáng)輸油處副處長(cháng)，從事管道相關(guān)工作17年。聯(lián)系方式：13908673435，wangjunm@dingtalk.com。