绝缘防腐蚀层缺陷对油气管线阴极保护中IR降的影响

周 勇,王 楠,郭自新,魏克颖,张世虎

(1. 西安石油大学 材料科学与工程学院，西安 710065； 2. 长庆油田采气三厂，乌审旗 017300)



绝缘防腐蚀层缺陷对油气管线阴极保护中IR降的影响

周 勇1,王 楠1,郭自新2,魏克颖2,张世虎2

(1. 西安石油大学 材料科学与工程学院，西安 710065； 2. 长庆油田采气三厂，乌审旗 017300)

采用试片断电法，通过室内模拟试验研究了绝缘防腐蚀层缺陷对阴极保护IR降的影响规律。结果表明：管线施加阴极保护管/地电位时，IR降随着恒电位仪输出电位的增加而增大;在相同的管/地电位下，IR降会随着绝缘防腐蚀层破损面积的增大而增大，缺陷大小和阴极保护度呈负相关性。

埋地管道；阴极保护；防腐层缺陷；IR降

管道对其临近土壤中参比电极的电位差(管/地电位)是用来反映管道阴极极化程度和保护效果的重要参数，但由于在测量过程中可能存在测量电流、保护电流、杂散电流、二次电流及绝缘防腐蚀层和土壤电阻等因素,会造成电位差(简称IR降)[1]，导致地表法测量的阴极保护电位不能真实反映埋地管道的极化程度[2]。绝缘防腐蚀层和土壤电阻造成的IR降有时高达数百毫伏，而在传统的阴极保护设计过程中，往往忽视了绝缘防腐蚀层缺陷对阴极保护电位IR降的影响[3-4]，因此，利用管/地电位根据经验评价不同服役年限埋地管道的阴极保护效果会造成较大的误差，从而影响埋地管道阴极保护的有效性。我国油气管线总长度已超过1×105km，不同管线的服役年限相差十几年，甚至更长。而国内大部分的管道管理部门采用测量管/地电位来调整恒电位仪的输出。随着管线服役年限的增加，绝缘防腐蚀层破损或剥离现象十分突出[5]，为了给管线阴极保护评价提供更加科学的依据，研究绝缘防腐蚀层缺陷对管线阴极保护电位的影响具有重要的意义。

本工作通过涂层试片模拟不同大小的缺陷，采用试片断电法研究绝缘防腐蚀层缺陷对阴极保护IR降的影响规律，从而为不同服役年限的管线阴极保护评价提供依据。

1　试验

1.1试样

采用X65管线钢，其化学成分(质量分数/%)为:wC0.090,wMn1.60,wP0.020,wS0.004,wSi0.350,wNb0.060,wV0.060,wCr0.25,wNi0.30,wMo0.30,wTi0.025,余量为铁。尺寸为60 mm× 45 mm×5 mm。试片用砂纸打磨光滑，酸性去油，本试验采用0 mm×0 mm(A)，10 mm×10 mm(B),20 mm×20 mm(C)的裸露面积来模拟涂层破损缺陷，其余位置涂上环氧绝缘树脂。

1.2试验方法

试验箱采用聚氯乙烯板箱体，尺寸为3 600 mm×1 800 mm×800 mm，上部用绝缘板覆盖。将杀菌后的土壤置于箱体内，土壤含水率为15%(质量分数,下同)。试验方法采用近参比法。恒电位仪采用石家庄无线电十厂生产的HT-1712H直流稳压电源。辅助阳极选用碳硅棒，掩埋深度为30 mm。阴极选用不同裸露面积的试片。参比电极选用便携式硫酸铜参比电极(CSE)，参比电极与试片相距10 cm。通断电电位测量选用MS-85型数字万用表及存储式电压采集卡。

试验选取A、B、C 3种不同裸露面积的试片将其置于土壤环境中，分别在-0.8 V、-1.0 V、-1.2 V、-1.4 V极化电位下测量断电电位和IR降，并进行50 d土壤腐蚀试验，观察、分析阴保效果。腐蚀失重分析采用SY/T 0029-2012标准，腐蚀形貌观察采用日本电子株式会社生产的JSM6390A扫描电镜。

2　结果与讨论

2.1管/地电位对断电电位和IR降的影响

埋地管道的阴极保护电位是衡量管道阴极保护有效性的主要参数，我国的GB/T 21448 - 2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》规定：管道阴极保护电位(即管/地界面极化电位)应为-850 mV或更负(文中电位若无特指，均相对于铜/硫酸铜电极,CSE)，而管/地界面极化电位一般可用断电电位进行测量。图1为3种试片断电后电位的变化过程。由图1可见，在断开电源的瞬间，不同裸露面积试片的保护电位明显下降，然后有一个去极化的过程。当极化电位从-0.8 V降至-1.4 V时，裸露面积为2 cm×2 cm的试片的断电电位由：-0.64 V降至-0.86 V，IR降由-0.16 V降至-0.54 V,断电电位和IR降均随管地电位的增加而增加，阴极极化效应增加。A，B两种试片的断电电位和IR降与C试片呈现相似规律。此外，在4种极化电位下，随着试片裸露面积的增加，去极化的时间都延长。

2.2绝缘防腐层缺陷大小对断电电位及IR降的影响

由图1可见，在相同的阴保电位下，试片的断电电位随裸露面积增加而升高，IR降也随之增大。同时，在管/地电位较高时，裸露面积的增加对断电电位和IR降的影响相对较小；而管/地电位较高时，裸露面积的增加对断电电位和IR降的影响相对较大。出现这种情况主要与IR降中的阻抗有关。IR降中的阻抗主要包括土壤的阻抗与涂层的阻抗，当管/地电位较小时，相对极化电流较小，涂层阻抗变化引起的IR降相对较小，反之则较大。另外，从图1,2中还可见，管/地电位要达到-1.4 V时，试片的断电电位才低于-850 mV，由涂层破损引起的最大IR降约为50 mV，而且IR降随着极化电流的增加而增加，说明绝缘防护层中的缺陷大小对断电电位及IR降均存在较大的影响。

2.3绝缘防腐层缺陷对阴极保护度的影响

由表1可见,在相同阴保电位下,随着试片裸露面积的增大，试样的质量损失增大。阴保电位为-0.8 V和-1.0 V时，试片的阴极保护度低于85%；而阴保电位为-1.2 V时，带缺陷试片的保护

表1　3种试片在不同阴保电位下的质量损失 及保护度Tab. 1　Weight loss and protection degree of 3 kinds of samples at different cathodic potentials

度低于85%,对无缺陷的试片的保护度可达到92.7%。当阴保电位为-1.4 V时，各试片的断电电位均负于-0.85 V，达到阴极保护的要求，三种试片的保护度都达到了90%以上。以上分析表明，试片裸露面积和阴极保护度呈负相关性，随着裸露面积的增大，试片阴极保护度降低。

由图3可见，裸露面积为1 cm×1 cm的试片表面出现了比较紧密的腐蚀点，有少量腐蚀产物覆盖，试片发生轻微腐蚀；而裸露面积为2 cm×2 cm的试片表面出现了几处明显的蚀孔与蚀坑，且试片表面腐蚀产物疏松，腐蚀程度高于裸露面积为1 cm×1 cm的试片。这表明管/地电位有时不能反映试片的真实阴极保护电位，且在相同的管/地电位下，涂层中的缺陷大小对试片的腐蚀存在较大的影响，这一结果与2.2节绝缘防腐层缺陷大小对IR降的影响基本一致。

因此，若要使有防腐蚀层缺陷的管道得到有效保护，必须根据防腐蚀层的缺陷大小对恒电位仪输出的参数进行动态调节，缺陷面积越大，阴极保护电位正向偏移越大，即IR降越大，若不调节恒电位仪的输出电流，会使得管道极化程度不够，进而发生腐蚀。在油气田管道阴极保护中，对于服役年限较长的管线，要适当提高阴保电位或通过测量断电电位调整阴保电位，避免管线由于绝缘防腐蚀层老化导致腐蚀穿孔。

3　结论

(1) 对于有阴保的管线，IR降随着恒电位仪输出电压的增加而增加，且随着防腐蚀涂层缺陷面积的增加，去极化的时间变长。

(2) 在相同的管/地电位下，防腐蚀绝缘层的破损会使阴极保护电位发生正向偏移，IR降会随着破损面积的增大而增大。

(3) 防腐蚀层破损面积和阴极保护度呈负相关性，随着破损面积的增大，试片阴极保护度减小。

(4) 建议在阴极保护现场根据管线服役情况，及时调整恒电位仪输出参数，使保护的管网处于有效的保护状态。对于防腐蚀层缺陷严重的管线，一定要对其进行实时监测加强保护，避免腐蚀加剧。

[1]NACE Standard RP-01-69Recommended practice，control of external corrosion on underground of submerged metallic piping systems[S].

[2]GB/T 21448-2008埋地钢质管道阴极保护技术规范[S].

[3]PEABOY A W. Control of pipeline corrosion[M]. Houston:NACE,1967.

[4]BENEDIC L. Classic papers and reviews on anode resistance fundamentals and applications[M]. Houston:NACE,1986.

[5]李彬. 阴极保护下埋地管道涂层及腐蚀与防护态势评价方法研究[D]. 成都:西南石油大学,2004.

Effect of the Damage Area of Coating on IR Drop of Cathodic Protection for Oil and Gas Pipeline

ZHOU Yong1, WANG Nan1, GUO Zi-xin2, WEI Ke-ying2, ZHANG Shi-hu2

(1. School of Material Science and Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China；2. The Third Gas Production Plant of PetroChina Changqing Oilfield Company, Wushenqi 017300, China)

Breakpoint test and indoor simulated experiment were used to investiguate the effect of damaged area of coating on IR drop of cathodic protection. The results showed that IR drop increased when potentiostat output voltage increased for the pipeline with cathodic protection. Meanwhile, in the same voltage, IR drop increased when the damage area increased, and defect size and cathodic protection efficiency was negatively correlated.

buried pipeline; cathodic protection; coating defect; IR drop

10.11973/fsyfh-201609014

2015-11-13

陕西省重点学科专项(ys37020203); 西安石油大学优秀硕士学位论文培育项目(2015yp140512)

周 勇(1963-),教授,博士,主要从事石油工程材料表面工程技术研究,13892815331,yzhou@xsyu.edu.cn

TG174

B

1005-748X(2016)09-0753-03