楊換 郭翠婷

國家管網(wǎng)集團東北公司

摘要：某天然氣管道運行超過十幾年，在聚丙烯冷纏帶與輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶搭接區(qū)位置彎管直管段發(fā)生腐蝕穿孔泄漏，采用腐蝕宏觀形貌、防腐層調(diào)查、水樣和土壤取樣分析、陰極保護與雜散電流干擾分析、XRD物相分析、掃描電鏡截面形貌和能譜分析等手段，分析了該處腐蝕穿孔的原因，并對此類原因可能導(dǎo)致的腐蝕泄漏提出了預(yù)防措施和建議。

關(guān)鍵詞：天然氣管道；腐蝕泄漏；陰極保護

某公司天然氣支線管道2012年5月建成投產(chǎn)，管徑168.3 mm，設(shè)計壓力6.3 MPa（生產(chǎn)運行壓力4 MPa）、管材為L245（無縫管），設(shè)計壁厚5 mm，全長10.6 km，管輸介質(zhì)為天然氣，管道干線防腐層為3PE。巡線人員雨后巡線發(fā)現(xiàn)該管道K3#+890 m上方積水處有氣泡，初步判斷為管道泄漏。經(jīng)開挖發(fā)現(xiàn)該處彎管直管部分管體發(fā)生腐蝕穿孔泄漏，穿孔處外防腐層完好，天然氣通過聚丙烯冷纏帶與輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶搭接區(qū)處漏出。

1  泄漏原因分析

1.1  泄漏點位置及宏觀形貌

泄漏位置處管段與某主干線并行鋪設(shè)，埋深2 m，穿孔點距上游環(huán)焊縫22 cm、順氣流方向約5點鐘位置，穿孔處距防腐層邊緣區(qū)約7 cm（圖 1），以穿孔點為中心存在約2.3 cm×3.8 cm局部腐蝕（圖 2）。另在距上游環(huán)焊縫20 cm、順氣流方向約2點鐘位置，還存在一個1 cm×1 cm的局部腐蝕坑（管道壁厚5.6 mm），腐蝕坑深約2 mm（圖 3）。兩處局部腐蝕整體呈圓坑狀，腐蝕產(chǎn)物多為黑色。聚丙烯冷纏帶與輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶搭接區(qū)漏氣時鐘位置與穿孔點時鐘位置一致。由此可知，此處泄漏主要是由管道外腐蝕造成。

圖 1 泄漏點位置

圖 2 泄漏點宏觀形貌（穿孔口徑為搶修插入木楔所形成） 

圖 3 腐蝕點分布情況（紅圈處）  

1.2  管道防腐層  

從圖 1～圖 3可以看出，環(huán)焊縫下游彎管部分表層存在灰白色環(huán)氧底漆，熱收縮帶補口覆蓋在環(huán)氧底漆上，熱收縮帶邊緣距離上游環(huán)焊縫20 cm，泄漏位置防腐層底層為環(huán)氧底漆，外層為聚丙烯冷纏帶，冷纏帶與熱收縮帶補口搭接約5 cm。該處彎管防腐層為工廠預(yù)制雙層環(huán)氧粉末+現(xiàn)場纏繞聚丙烯冷纏帶（現(xiàn)場纏繞、無底漆），補口防腐材料為輻射交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶（帶配套底漆）。環(huán)氧粉末防腐層厚度實測結(jié)果40μm～60μm，按照SY/T 0315―2013《鋼質(zhì)管道熔結(jié)環(huán)氧粉末外涂層技術(shù)規(guī)范》相關(guān)要求，雙層環(huán)氧粉末最小厚度應(yīng)為600μm，實測結(jié)果遠小于設(shè)計要求，環(huán)氧粉末防腐層在施工現(xiàn)場很容易受到損傷，露出金屬管體[1-2]。

1.3  陰極保護與雜散電流干擾分析

用萬用表對泄漏點處管道斷電電位進行測試，該處斷電電位為﹣885 mV，滿足陰極保護要求；全線無明顯直流雜散電流干擾，交流干擾強度為“弱”，共設(shè)排流設(shè)施3處，設(shè)備工作狀態(tài)正常。

1.4  泄漏點處水樣、土壤取樣分析

泄漏點位于池塘邊10 m左右的桃林中， 雨季時地下水位較高，平時地下水位稍低，埋地管道處于干濕交替的土壤環(huán)境中。泄漏點位置在管道建設(shè)前為水塘，管道上方的土壤為填埋形成，管道埋設(shè)位置的土壤存在大量黑色的淤泥。

對管道埋設(shè)位置的地下水和土壤進行取樣分析，同時在7#樁+80 m位置取埋深0.5 m的土壤和地下水作為對比樣品進行分析。水樣和土壤樣分析檢測結(jié)果如表 1所示。

表 1 水樣和土壤樣分析測試結(jié)果

從表 1可以看出，2處位置土壤和水的pH均為近中性；泄漏位置的電導(dǎo)率、水中礦化度、土壤中全鹽量，氯離子含量均高于對比位置一個數(shù)量級左右；泄漏位置水和土壤中的鐵細菌含量和腐生菌含量均高于對比位置；泄漏位置土壤中硫酸鹽還原菌含量比對比位置高2個數(shù)量級。

水樣和土壤樣分析測試結(jié)果表明，管道泄漏位置接觸的黑色淤泥中含有大量的硫酸鹽還原菌和鐵細菌等腐蝕微生物。

1.5  腐蝕產(chǎn)物XRD分析

采集另一未穿孔腐蝕坑的腐蝕產(chǎn)物（該腐蝕坑內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物大部分脫落，僅殘留較致密的一層腐蝕產(chǎn)物），采用X射線衍射（XRD）進行物相分析。

從物相分析結(jié)果（圖 4）可以看出，腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物Fe2O3和Fe3O4，同時含有少量的Fe3S4、β-FeOOH、FeS和SiO2雜質(zhì)。Fe3S4通常為FeS在空氣中氧化形成，F(xiàn)eS一般為硫酸鹽還原菌的腐蝕產(chǎn)物。β-FeOOH的存在表明接觸的腐蝕介質(zhì)含有較多的氯離子，氯離子可以促進點蝕的發(fā)展，增高點蝕風(fēng)險。

圖 4 腐蝕位置腐蝕產(chǎn)物的XRD分析 

1.6  腐蝕形貌與能譜分析

采用掃描電鏡進行腐蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物組分分析，從腐蝕坑不同位置的腐蝕微觀形貌和能譜組分分析結(jié)果（圖 5）可以看出，腐蝕產(chǎn)物主要是稀疏片層狀的Fe2O3和β-FeOOH，同時腐蝕坑底部表面存在少量的長條狀和顆粒狀的鐵硫化物，腐蝕產(chǎn)物中含有較多的氯元素和硫元素，由此可知，該位置接觸介質(zhì)點蝕風(fēng)險較高，存在硫酸鹽還原菌腐蝕的可能性較高。

圖 5 腐蝕坑不同位置腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌和能譜 

從腐蝕坑位置的截面形貌和能譜分析結(jié)果（圖 6）可以看出，由于表層腐蝕產(chǎn)物脫落，剩余的腐蝕產(chǎn)物厚度在20μm左右，腐蝕不均勻，局部位置存在小的點蝕坑。腐蝕產(chǎn)物與基體結(jié)合較差，部分位置脫離，腐蝕產(chǎn)物中含有大量的硫元素和氯元素，說明有可能存在細菌腐蝕。

圖 6 腐蝕坑不同位置腐蝕產(chǎn)物的截面形貌和能譜 

腐蝕產(chǎn)物微觀形貌、截面和能譜分析結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物主要為鐵的氧化物和硫化物，腐蝕產(chǎn)物中也含有較多的S元素和Cl元素，存在硫酸鹽還原菌腐蝕的可能性較高[3-5]。

2  結(jié)論

根據(jù)腐蝕形貌，可以排除管道內(nèi)腐蝕造成的泄漏。結(jié)合管道穿孔處電流干擾強度為“弱”、陰極保護電位正常等信息，可知K3#+890 m處彎管腐蝕穿孔與雜散電流干擾無關(guān)。

綜合上述分析，可以推斷泄漏點管段發(fā)生腐蝕（穿孔）的原因為：工廠預(yù)制雙層環(huán)氧粉末防腐層厚度低于設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，加上聚丙烯冷纏帶因現(xiàn)場施工張力不足和土壤應(yīng)力綜合因素產(chǎn)生軸向褶皺，冷纏帶與管道表面剝離形成縫隙，導(dǎo)致外防腐層失去有效的防護作用。泄漏處位置土壤腐蝕環(huán)境惡劣，腐蝕性較強的地下水、細菌、O2、CO2 等腐蝕性介質(zhì)滲入縫隙形成局部腐蝕環(huán)境，因冷纏帶剝離對陰極保護電流產(chǎn)生“屏蔽”，導(dǎo)致縫隙深處防腐層剝離區(qū)的金屬得不到有效陰極保護。在縫隙區(qū)原環(huán)氧粉末防腐層存在破損時，防腐層破損處發(fā)生自然土壤環(huán)境下的電化學(xué)腐蝕，埋設(shè)環(huán)境大量存在的硫酸鹽還原菌促進了點蝕的發(fā)展，最終導(dǎo)致管體發(fā)生腐蝕穿孔。

3  建議

埋地管道冷纏帶剝離會顯著削弱陰極保護效果，形成電流屏蔽區(qū)，增加管道腐蝕風(fēng)險。建議結(jié)合先進檢測技術(shù)、優(yōu)化陰極保護參數(shù)及防腐層修復(fù)等手段，最大限度降低屏蔽效應(yīng)的影響。建立剝離風(fēng)險數(shù)據(jù)庫，結(jié)合大數(shù)據(jù)分析預(yù)測高發(fā)區(qū)域。未來可探索智能監(jiān)測系統(tǒng)（如分布式光纖傳感），實時監(jiān)控剝離狀態(tài)，提升管道運行安全性。

參考文獻：

[1]李自力，劉靜，王海波，等. 陰極保護電流屏蔽問題研究進展[J].腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，2010，22(1)：79-83.

[2]張大全，高立新，俞海洪，等. 管道防腐層剝離對陰極保護效果的影響[J].腐蝕與防護，2006，27(S1)：195-197.

[3]張小紅，李偉，王磊.天然氣管道腐蝕穿孔原因分析及防護措施[J].油氣儲運，2018，37(5)：78-84.

[4]劉強，趙明，孫建華.基于多因素耦合的天然氣管道腐蝕泄漏風(fēng)險評估[J].腐蝕科學(xué)與防護技術(shù)，2020，32(3)：45-52.    

[5]王建國，陳剛，周濤.天然氣管道外腐蝕檢測技術(shù)研究進展[J].石油工程建設(shè)，2019，45(4)：1-7.

作者簡介：楊換，1988年生，二級工程師，2012年畢業(yè)于東北石油大學(xué)，主要從事管道腐蝕防護等方面工作。聯(lián)系方式：13841629323，yanghuan52188@126.com。