套管穿越段管道腐蚀控制工程的设计要点

吴林虎,许永勃,房 勇,黎 宁

(1. 中国石油工程建设有限责任公司 青海分公司，敦煌 736202； 2. 西安石油大学 石油工程学院，西安 710065；

应用技术

套管穿越段管道腐蚀控制工程的设计要点

吴林虎1,许永勃2,房 勇3,黎 宁4

(1. 中国石油工程建设有限责任公司 青海分公司，敦煌 736202； 2. 西安石油大学 石油工程学院，西安 710065；

3. 青海油田公司 采气三厂，德令哈 816499; 4. 青海油田公司 采油四厂，德令哈 816499)

穿越段埋地管道加设了套管的部位发生腐蚀的情况往往比其他部位严重。论述了钢质套管对阴极保护系统的影响及其原因，并对目前普遍采用的套管内安装牺牲阳极的做法的局限性进行了分析，就取消套管穿越措施的可行性和套管穿越段管道腐蚀控制工程的设计要点进行了探讨。

套管穿越;牺牲阳极;阴极保护

电化学腐蚀是最普遍的腐蚀现象，而阴极保护是基于电化学反应机理对埋地金属构筑物采取的重要腐蚀防护措施之一，防腐蚀层和阴极保护联合防护措施是腐蚀控制的主要方法[1]。阴极保护系统是一个系统工程，与众多外部因素有着紧密关联，其中套管穿越段管道的腐蚀控制措施便是其重要的影响因素之一。

管道(一般指钢质管道)穿越沟渠、道路、桥梁等特殊地段时，基于业主单位对地基结构的要求，为保护管道及便于日后维修，往往在主管的外面增设一层套管，套管多为比主管口径稍大一些的钢管。没有绝缘就没有阴极保护，国内普遍采用的绝缘措施是施工时对套管与主管之间的环状缝隙用油麻丝、石棉水泥或其他柔性密封材料填塞、密封，防止地下水的渗入，但在实际操作过程中要实现套管与主管之间充分绝缘、完全密封是很难达到和长期保持的。

根据长输管道、城镇燃气管道领域的实践可知，在穿越公路、铁路、沟渠、河流等加设套管的地方，管道发生腐蚀的情况比其他地方严重[2-7]，加设金属套管后主管道反而易发生腐蚀甚至穿孔。根据华东石油管理局对1 123.23 km所辖管道的调查发现，在发生的几起较大的腐蚀穿孔事件中，有40%的事故发生在套管段。由于套管穿越工程涉及多个专业的配合，设计时的疏忽或考虑不周往往直接影响整个阴极保护系统的有效性，埋下安全隐患，甚至造成巨大经济损失。

1 套管对埋地管道的影响分析

1.1 埋地管道腐蚀防护的原理

埋地管道常采用防腐蚀层外加阴极保护的防护措施进行腐蚀防护。防腐蚀层主要是针对埋地管道的均匀腐蚀，其主要作用是隔绝管道和土壤的接触，避免钢管发生电化学腐蚀；阴极保护则主要以点蚀防护为主，当管道防腐蚀层漏损时，能充分减缓管道的腐蚀速率[8]。防腐蚀层外加阴极保护的双重保护，有力地保证了埋地管道的防腐蚀效果。

1.2 套管对阴极保护的影响

套管对阴极保护的影响问题 ，归纳起来主要有以下几种情况。

(1) 套管与管道绝缘且套管内无导电介质 由于套管对阴极保护电流有屏蔽作用，因而阴极保护电流对套管内介质形成的腐蚀环境不起作用，加速了套管内管段的腐蚀[9-10]。如果管道表面有凝析水且套管内管道安装了牺牲阳极，则由于凝析水电阻率很高，其保护效果还需要进一步研究[11]。

(2) 套管与管道绝缘且套管内有导电介质 若套管内未安装牺牲阳极，外加阴极保护电流穿过套管后可以通过套管内的水或土壤等导电介质到达管道表面，对管道进行保护，套管内壁受到腐蚀，外壁受到保护，但套管对阴极保护电流仍有屏蔽作用，所以套管内的管道得不到充分的阴极保护，还是存在发生腐蚀的可能。

如果套管内部安装了电位较高的牺牲阳极，牺牲阳极将消耗部分外加阴极保护电流，所消耗的电流大小与套管内所安装的牺牲阳极性能以及套管穿越处与管道阴极保护站距离有关。若消耗的电流过大，将影响套管附近管道的阴极保护。如果套管内部安装的牺牲阳极电位较低，牺牲阳极可能对套管内的管道提供一些保护，但此时，外加阴极保护电流也可以穿过套管到达管道表面，所以，牺牲阳极的作用不是必需的。

(3) 套管与管道短路且套管内有导电介质 如果套管内未安装牺牲阳极，套管对阴极保护电流的屏蔽作用只发生在套管与管道短路并且套管内有导电介质时，此时，套管内的管道处于自由腐蚀的状态[12-13]。

如果套管内部安装了牺牲阳极，则牺牲阳极会对管道产生保护作用，但套管已经与管道短路，相当于一个整体，所以牺牲阳极也会同时保护套管内壁。如果管道防腐蚀层漏点和牺牲阳极的间距大于牺牲阳极和套管的间距，那么到达防腐蚀层漏点处的阴极保护电流会很小，无法起到保护作用，大部分阴极保护电流会消耗在保护套管内壁上[11]。套管内壁防腐蚀层很差甚至没有，它将大量消耗牺牲阳极，牺牲阳极会很快耗尽，不能达到预期的寿命。

(4) 套管与管道短路且套管内无导电介质 如果管道表面有凝析水且套管内主管道安装了牺牲阳极，则由于凝析水电阻率很高，其保护效果还需要进一步研究[11]。

2 套管穿越段局部阴极保护设计

2.1 局部阴极保护设计方案选择与计算

在使用钢质管道的情况下，目前普遍采用局部阴极保护[10,12,14-16]的方法对管道进行腐蚀防护。方案设计时，可以选择在套管内的管道上缠绕镁阳极带或锌阳极带或安装镯式阳极，通常推荐使用缠绕镁阳极带的局部阴极保护方法,其安装示意图如图1所示。如2012年“东坪至一里沟输气管道工程”315国道穿越段、2013年“两东气田联络输气管道工程”S305省道穿越段、“柴北缘输气管道工程”套管穿越段，套管内主管道即采用了缠绕镁阳极带的局部阴极保护方法。阴极保护牺牲阳极的用量可根据保护面积计算得到。

图1 牺牲阳极带的安装示意图Fig. 1 Installation diagram of ribbon sacrificial anode

2.2 缠绕镁阳极带的阴极保护方法

安装镁阳极带时，可采用机械打磨的方法露出约4 cm×4 cm的管道，在管道上开凿合适的焊点，采用电焊、铝热焊等焊接方式连接镁阳极带和管道，根据不同的管径按照一定的角度和间距，将镁阳极带紧紧缠绕在管道外壁上，两个焊点都要做好绝缘防腐蚀。镁阳极带缠绕施工完毕后，套管两端应采用柔性的防腐蚀、防水材料密封，并保证密封良好，防止水或其他杂物的进入。

缠绕镁阳极带法的优点是施工简单方便，缺点是镁的电位较负，保护年限不是很长。

2.3 缠绕锌阳极带的阴极保护方法

我国尚无锌阳极带行业标准，不同的厂家生产的锌阳极带型号不同，可根据套管穿越处的实际情况计算用量。缠绕锌阳极带法的优点是锌的电位相对较高，可以使用较长的年限并且比较经济，缺点是锌阳极带比较脆，不易安装。目前，国内常见的锌阳极带规格见表1。

表1 锌牺牲阳极带的规格Tab. 1 Specification of ribbon zinc anode

2.4 安装镯式阳极的局部阴极保护方法

安装镯式阳极的局部阴极保护方法，既操作简便又能保证足够的使用年限。镯式阳极的材料为铝镁合金，采用双半圆环组合形式，每套阳极包括两个半圆环阳极，阳极采用螺栓连接并环绕卡紧在管道上，把电缆像安装普通埋地式阳极一样焊接到管壁上，做好绝缘防腐蚀即可完成。设计时，根据套管穿越处的实际情况计算出所需镯式阳极的规格和数量，根据计算结果进行布置，使阳极在套管内均匀分布。钢铁研究总院青岛海洋腐蚀研究所是国内率先开发生产镯式阳极的单位，对不同环境中的阳极选择和设计安装积累了丰富的实践经验。截至目前，国内在山东青岛、山东东营、河北廊坊、河南焦作等地也有多家公司可提供镯式阳极。

2.5 套管穿越处的绝缘、防腐处理

管道穿越江河时，如果固定管道而加设的稳管设施有导电金属，则该金属必须与管道绝缘，且不得损坏管道的防腐蚀层。

对管材、绝缘支架和端部柔性密封要仔细选择材料和设计施工。要求套管和管道直而圆，并且在套管穿越处管段使用的防腐蚀层一般要比其他管段高一等级；若套管内采用局部阴极保护，必须使用绝缘支架将套管与管道隔离[16-17]，绝缘支架的高度应保证牺牲阳极不与套管内壁接触，以防止阳极失效和受力。如果绝缘支架在安装过程中意外损坏，应更换后再继续安装。套管内的所有杂物在穿越之前必须清除干净。

当管道采用导电的金属支撑架时，管道与导电的支撑之间应有可靠的绝缘。应根据管道的运行和环境条件选取合适的绝缘衬垫，如玻璃纤维增强塑料、氯丁橡胶、陶瓷等[18]。

在回填土之前，应进行电绝缘性能检查，把参比电极置于同一位置，测量管地电位和套管对地电位，两个读数有较大的差值，则证明绝缘性能良好。

3 关于穿越段采用套管的必要性

从20世纪70年代开始，一些国家就已重视套管穿越段管道的腐蚀问题。美国、瑞典等国相继进行过套管腐蚀调查，并证实了套管穿越段输油(气)管道存在着较为普遍的腐蚀现象。瑞典腐蚀协会1984年公布的调查报告中，列举了l4个国家33条长输管道的腐蚀事件。为避免套管内输油(气)管道发生腐蚀，美国的现行作法是加厚管壁(壁厚为10～16 mm)而不设计套管。对已建成的套管段，尚无成熟的办法。据美国腐蚀工程师协会访华团介绍，美国也采用套管内填充密封性材料(如石蜡等)的方法，其出发点是利用这些材料隔离腐蚀介质，以减缓腐蚀速率。

我国对这一问题的认识尚不统一，设计施工中穿越沟渠、河流、铁路、公路处管段仍不断采用加套管敷设方式，且套管与长输管道之环状空间填充物多种多样，如水泥沙浆、珍珠岩、聚氨酯泡沫等，上述做法都不利于管道保护。近年来，国内部分标准规范对金属套管使用进行了明确限制。SY/T 6964-2013《石油天然气站场阴极保护技术规范》指出：站场内被保护的埋地钢质管道穿越站内路面时，宜采用混凝土套管、箱涵或增加管道壁厚来确保管道机械安全，不宜采用金属套管。Q/SY 1186-2009《油气田及管道站场腐蚀控制技术规范》要求：油气田及管道站场管网不宜采用金属套管穿越。

在套管内安装牺牲阳极，不但增加了管道和套管短路的概率，也增加了施工难度，而且，不论管道与套管间是否短路，其保护效果都值得怀疑。若管道与套管间没短路，则在有电解质存在时,外加阴极保护电流可起到保护作用，不需要牺牲阳极；若管道与套管间短路时，牺牲阳极大部分作用在套管内壁上，很快就消耗殆尽，也难以达到预期效果。

4 结论与建议

(1) 从腐蚀控制的角度考虑， 阴极保护的管道中应尽量避免采用钢套管穿越且不能采用绝缘材料的套管(如PE管、玻璃钢管等)，推荐通过增加管道壁厚来满足强度上的要求。

(2) 不采用金属套管，而以混凝土套管代之，并保证套管与长输管道的绝缘。

(3) 如果一定要采用钢套管，则建议套管内不安装牺牲阳极(包括牺牲阳极带和镯式阳极)，而是加密绝缘垫块，以防止管道与套管间发生短路。同时，取消套管两端的密封，允许地下水、土壤进入套管，使外加电流阴极保护对其起作用。

(4) 对套管采用高质量涂层以延长套管使用寿命，并在套管上安装牺牲阳极，在保护套管的同时，为管道阴极保护提供电流通路。

[1] 贝克曼,施文克,普林兹. 阴极保护手册[M]. 3版. 胡士信，王向农，徐快，等，译. 北京：化学工业出版社，2005:96-97.

[2] 丁乙，丁友，沈允清，等. 在钢质套管与输油管道环形空间内充填电解质的阴极极保护试验[J]. 油气储运，1991，10(2):58-59.

[3] 葛艾天. 现场跟踪——套管内腐蚀[J]. 国外油田工程，2001，17(9):70-72.

[4] 阳正东． 广州市煤气管道腐蚀与阴极保护[J]． 煤气与热力，1995，15(1)：21,28．

[5] 米琪． 北京煤气管网腐蚀调研[J]． 煤气与热力，1995，15(2)：20-25．

[6] 张振新，张吴． 煤气管网腐蚀状况分析与整改[J]． 煤气与热力，2000，20(2)：128-130．

[7] 田再强，袁秀鹏，王芷芳． 土壤对埋地钢管腐蚀的勘测与分析[J]． 煤气与热力，2004，24(4)：231-234．

[8] 许俊城，宋新志，陈国华． 城市埋地钢制燃气管道腐蚀原因及对策[J]． 理化检验-物理分册，2007，43(4)：171-175．

[9] 胡士信等. 阴极保护工程手册[M]. 北京：化学工业出版社，1999：42.

[10] 张延丰. 套管穿越处的阴极保护[J]. 石油化工腐蚀与防护，2000，17(4):45-47.

[11] 冯洪臣. 阴极保护安装与维护[M]. 北京：经济日报出版社，2010：131-133.

[12] 朴贞花，袁赓，童高田. 埋地套管中钢质燃气管道的腐蚀与防护[J]. 煤气与热力，2005，25(5):22-23.

[13] 德国腐蚀问题工作协会推荐标准第1号：推进方法中钢质套管或产品管在交通道路交叉范围中阴极保护管线[J]. 全面腐蚀控制，2002，16(1):45-48.

[14] 孙慧洁，王文化. 套管对埋地燃气管道阴极保护电流屏蔽探讨[J]. 煤气与热力，2014(4):21-23.

[15] 吴林虎，吴发东，冯岺岺，等. 城市燃气管网阴极保护可行性与设计要点[J]. 腐蚀与防护，2013，34(7):622-625.

[16] CJJ 95-2013 城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程[S].

[17] SY/T 0086-2012 阴极保护管道的电绝缘标准[S].

[18] GB/T 21447-2008 钢质管道外腐蚀控制规范[S].

Key Points in Corrosion Control Engineering Design for Pipeline in Casing Crossing Section

WU Lin-hu1, XU Yong-bo2, FANG Yong3, LI Ning4

(1. China Petroleum Engineering & Construction Corporation, Qinghai Branch, Dunhuang 736202, China； 2. College of Petroleum Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China; 3. The Third Gas Plant, Qinhai Oilfield Co.,Delinha 816499, China; 4. The Fourth Oil Plant, Qinhai Oilfield Co., Delinha 816499, China)

Corrosion in casing crossing section of buried steel pipe is more serious than in other parts. The influence of steel casing on the cathodic protection system and its causes are discussed. And the limitation for the method of installing sacrificial anode cathode in casing, which is widely used, is analyzed. The feasibility of cancelling casing and the key points in corrosion control engineering design for pipeline in casing crossing section are discussed as well.

casing crossing； sacrificial anode； cathodic protection

10.11973/fsyfh-201702011

2015-10-13

吴林虎(1973-),高级工程师,硕士,从事防腐技术研究、材料研究,0937-8934079,wulinhu@163.com

TG174

B

1005-748X(2017)02-0138-04