曾傳海 石煥 熊凡玖 朱燕林 胡積熙

國家管網(wǎng)集團西氣東輸南昌輸氣分公司

 

摘要：針對管道環(huán)焊縫開(kāi)挖驗證中發(fā)現的補口位置銹蝕問(wèn)題，結合不同地貌土壤環(huán)境特征，深入分析了在陰極保護電位達標情況下依然發(fā)生腐蝕的內在機理。研究確認，補口失效是陰極保護屏蔽效應、土壤環(huán)境差異及施工質(zhì)量因素共同作用的結果�；�于對35道環(huán)焊縫開(kāi)挖樣本的定量分析，系統闡述了補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)化補口材料、改進(jìn)施工工藝、強化陰極保護監測及實(shí)施差異化防護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。

關(guān)鍵詞：管道補口；腐蝕機理；土壤環(huán)境；陰極保護；管理措施

 

長(cháng)輸天然氣管道補口是管道防腐的薄弱環(huán)節，其失效會(huì )直接誘發(fā)管體局部腐蝕，嚴重威脅管道完整性與運行安全。近年來(lái)，環(huán)焊縫開(kāi)挖驗證工作中屢屢發(fā)現，即便所在管段的陰極保護電位監測值符合規范要求，補口材料剝離后的管道本體表面仍存在不同程度的銹蝕。這一現象表明，常規的陰極保護電位監測手段難以有效監測與評價(jià)補口層下的真實(shí)腐蝕狀態(tài)。目前，現場(chǎng)補口多采用輻射交聯(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，補口質(zhì)量往往存在偏差。本文從補口銹蝕機理剖析入手，結合現場(chǎng)開(kāi)挖調查的定量數據與不同地貌土壤環(huán)境特征，提出有針對性的管控措施，旨在為管道長(cháng)期安全運行提供實(shí)踐范本。

1  問(wèn)題與風(fēng)險分析

1.1  補口腐蝕機理分析

（1）補口失效模式。管道補口失效主要表現為兩種形式：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，呈現剝離狀態(tài)；二是熱收縮帶與補口部位的管體、PE局部黏結差，導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）陰極保護屏蔽效應。熱收縮帶屬于高絕緣且非滲透性材料，對陰極保護電流具有屏蔽作用，因此熱收縮帶的補口失效具有隱蔽性和高危險性。即使在陰極保護電位達標情況下，補口層下仍可能發(fā)生腐蝕，這主要是由于陰極保護電流無(wú)法有效穿透到剝離的補口層下方。研究表明對于存在開(kāi)口缺陷的熱收縮帶補口試樣，陰極保護的效果會(huì )隨著(zhù)時(shí)間推移而顯著(zhù)降低。在干燥土壤中，陰極保護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(huì )加劇屏蔽效應。隨著(zhù)時(shí)間延長(cháng)，陰極保護電流甚至可能通過(guò)電化學(xué)作用加速涂層剝離和縫隙內的腐蝕進(jìn)程[1]。

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

對于熱收縮帶開(kāi)口補口試樣，陰極保護效果隨時(shí)間延長(cháng)而逐漸減弱，陰極保護電流的影響甚至會(huì )加速管體腐蝕（表 1）。

表 1 不同熱收縮帶狀態(tài)下的陰極保護效果對比 

（3）施工質(zhì)量因素。補口失效主要由于施工人員責任心不強、技能水平較低（如底漆漏刷、烘烤不足等）及現場(chǎng)監管不到位等原因導致。熱收縮帶施工為手工烘烤，加熱不均勻導致熱熔膠局部未熔融處形成空鼓；原有結構為濕膜法施工，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效果差所導致的剝離等。

1.2  土壤環(huán)境對補口腐蝕的影響分析

（1）土壤電阻率與腐蝕特性。土壤電阻率是影響腐蝕過(guò)程的重要參數，直接決定了電化學(xué)腐蝕的速率和陰極保護效果。朱加祥等[2]研究表明高土壤電阻率會(huì )直接阻礙陰極保護系統的正常運作，其案例分析中就發(fā)現因陽(yáng)極埋設點(diǎn)土壤干燥致使土壤電阻率較高，增大了系統回路電阻，導致陰極保護系統失效，隨著(zhù)土壤電阻率的增大，陰極保護電位升高（正向移動(dòng)），法蘭和防腐層破損區域管道的腐蝕加劇。不同土壤類(lèi)型的電阻率差異顯著(zhù)，直接影響補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，但陰極保護效果較差；②黏土土壤：電阻率較低，保持水分能力強，腐蝕風(fēng)險較高；③鹽堿土壤：含有高濃度鹽分，電阻率極低，腐蝕性極強；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(guò)程的另一個(gè)關(guān)鍵因素，它通過(guò)改變土壤電阻率和影響氧擴散速率來(lái)影響腐蝕過(guò)程。曾冬冬[3]的研究表明在不同濕度條件下，補口腐蝕行為表現出顯著(zhù)差異，其核心結論揭示了土壤濕度、補口狀態(tài)和陰極保護三者互相影響，并最終決定了補口的腐蝕行為。

①高含水量土壤（飽和濕度）：陰極保護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效果，但隨著(zhù)時(shí)間延長(cháng)，充足的電解質(zhì)溶液和陰極保護會(huì )加快涂層的剝離，并由此產(chǎn)生嚴重的局部腐蝕；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，而破損剝離涂層試樣在剝離處會(huì )進(jìn)一步產(chǎn)生更嚴重的剝離，導致試樣的嚴重腐蝕；③低含水量土壤：所有涂層在短期內都不會(huì )發(fā)生腐蝕；④干濕交替環(huán)境：破損涂層試樣腐蝕最為嚴重，隨著(zhù)時(shí)間延長(cháng)，其涂層會(huì )出現新的剝離和破損，剝離涂層下發(fā)生嚴重的局部腐蝕。

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

表 2 不同地貌土壤環(huán)境中的補口腐蝕形式和風(fēng)險

 

對比分析表明，補口結構缺陷對腐蝕的影響通常大于土壤類(lèi)型的影響。存在缺陷的補口試樣在腐蝕性強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)險顯著(zhù)升高。

2  現場(chǎng)調查與定量分析

為準確評估在役管道補口的整體狀況與失效風(fēng)險，本研究以開(kāi)挖的35道環(huán)焊縫為樣本進(jìn)行詳細勘察。被調查管道運行年限10年以上，補口類(lèi)型主要為熱收縮帶（套）。

2.1  補口失效模式的定量統計

詳細記錄35個(gè)開(kāi)挖點(diǎn)樣本的狀況并分類(lèi)統計，結果如表 3所示。

表 3 補口主要失效模式統計 

數據顯示，陰極保護屏蔽現象最為普遍（71.4%），表明即便補口外觀(guān)完好，其結構也可能使管體處于陰極保護的“盲區”。黏結失效（62.9%）與密封失效（51.4%）是導致腐蝕介質(zhì)侵入的直接原因，構成了補口失效的核心要素

2.2  補口下鋼管腐蝕狀況統計

根據開(kāi)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)行統計，結果如圖 1所示。典型補口失效與腐蝕類(lèi)型現場(chǎng)示例如圖 2所示。

圖 1 補口下鋼管腐蝕程度分布情況 

圖 2 補口失效與腐蝕類(lèi)型現場(chǎng) 

分析表明，存在可觀(guān)測腐蝕（C2至C4級）的樣本占比高達85.7%，其中中度至嚴重腐蝕（C3+C4）的樣本合計占比62.9%，證明了當前補口系統的可靠性不足，失效風(fēng)險極高。

2.3  失效原因與腐蝕程度的關(guān)聯(lián)性分析

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

（1）所有C4級（嚴重腐蝕）樣本均同時(shí)存在黏結失效和密封失效。

（2）陰極保護屏蔽在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/密封失效的樣本中，腐蝕程度多為C1或C2級，說(shuō)明只要底層黏結良好，陰極保護系統仍能在一定程度上發(fā)揮作用。

可見(jiàn)，“密封與黏結失效”是誘發(fā)補口下鋼管?chē)乐馗�蝕的必要條件，而“陰極保護屏蔽”效應則極大地提升了此風(fēng)險，使得局部腐蝕在缺乏有效電化學(xué)保護下加速進(jìn)行。

3  管理措施建議

3.1  補口材料優(yōu)化

針對不同區段環(huán)境特征，宜選用性能更優(yōu)的補口材料體系。

（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、抗水滲透性及機械性能，與3PE層黏結密封可靠，長(cháng)期穩定性好，且對表面處理要求相對寬松，施工便捷。

（2）無(wú)溶劑環(huán)氧涂料+壓敏膠型熱收縮帶。該體系性能穩定，黏結強度高，但對管體表面處理要求極為嚴格，施工工藝復雜。

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，已在近年管道修復中驗證其性能達標。

3.2  施工工藝改進(jìn)

嚴格控制施工環(huán)節是保障補口具備長(cháng)期良好性能的關(guān)鍵。

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

（2）預熱溫度控制。使用火焰加熱器均勻預熱補口部位至規定溫度。

（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(guò)程監控。每個(gè)補口均需經(jīng)15 kV電火花檢漏，確保無(wú)針孔。

3.3  檢測與評估技術(shù)提升

構建多層次檢測評估體系。

（1）內檢測技術(shù)。定期開(kāi)展漏磁內檢測工作，識別潛在補口失效及管體缺陷問(wèn)題。

（2）陰極保護有效性評估。關(guān)注陰極保護電流分布，識別屏蔽區域。

（3）定期開(kāi)挖驗證。按照計劃開(kāi)展環(huán)焊縫及補口質(zhì)量驗證。

（4）數據分析與應用。整合歷史開(kāi)挖數據，深入分析管道本體運行情況。

3.4  差異化防護策略

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

（1）高腐蝕風(fēng)險區（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CP增強系統。

（2）中等腐蝕風(fēng)險區（黃土高原、山區丘陵）。應用優(yōu)良補口材料，強化施工質(zhì)量控制與定期監測。

（3）低腐蝕風(fēng)險區（沙漠地區）。執行標準防護與常規監測維護。

3.5  維護與修復措施

針對已發(fā)生腐蝕的補口，需規范實(shí)施以下修復措施。

（1）表面處理。徹底清除補口區污物并噴砂除銹至要求等級。

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

（3）修復質(zhì)量控制。修復后須進(jìn)行嚴格的外觀(guān)檢查、電火花檢漏（15 kV）及黏結強度測試。

4  結論與展望

本文通過(guò)現場(chǎng)調查與定量分析，結合土壤環(huán)境特征，得出以下主要結論。

（1）補口位置銹蝕是陰極保護屏蔽、土壤環(huán)境侵蝕與施工質(zhì)量缺陷共同作用的結果。定量數據顯示，85.7%的受檢樣本存在腐蝕，62.9%已達中至嚴重程度，證實(shí)即便陰極保護電位達標，補口層下腐蝕風(fēng)險依然嚴峻。

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

（3）通過(guò)系統化的材料優(yōu)化、工藝改進(jìn)、檢測強化與防護策略差異化，可有效管控補口腐蝕問(wèn)題，提升管道完整性水平。

未來(lái)研究可聚焦于以下幾個(gè)方面：開(kāi)發(fā)長(cháng)效耐久的新型補口材料與技術(shù)；深化陰極保護電流在復雜土壤環(huán)境中分布規律研究，提升保護有效性；利用大數據與人工智能技術(shù)，構建管道腐蝕智能監測與預警系統。

 

參考文獻：

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

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

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

作者簡(jiǎn)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。