某采用外加电流阴极保护与牺牲阳极联合保护管线外腐蚀因素及控制措施

蒋 志 张昌会 杜 涓 沈武冬 唐 诗 马 蠡 何 沫

（1. 中国石油 西南油气田分公司川中油气矿工艺研究所，四川 遂宁 629000；2. 中国石油西南油气田分公司川中油气矿管道与销售部，四川 遂宁 629000；3. 中国石油 西南油气田分公司安全环保与技术监督研究院，四川 成都 610040）

0 引言

随着外防腐层加外加电流（或牺牲阳极）阴极保护[1,2]的防腐技术在管道保护的广泛运用，有些管线采用了采用了联合阴保，但由于各种原因，忽视了牺牲阳极对外加电流阴保系统的影响，相应在保护电位检测方法、牺牲阳极性能检测方面存在一些缺陷。同时，由于外防腐层破损，在硫酸盐还原菌腐蚀作用下，以及局部阴保屏蔽影响下，保护电位即使负于-850mV，但局部管段仍存在较严重的外腐蚀。本文拟通过调查管线外腐蚀现状，分析外腐蚀主要因素，提出了相应的解决措施和技术思路。

1 腐蚀概况

根据智能检测，该管线外腐蚀比较普遍，个别管段还比较严重。2016年3月智能检测该管线共检测到11213个金属损失异常特征，其中8794处为外部金属损失特征，且最集中的外部金属损失位于44～48km之间的管道上，如图1所示。

图1 2016年检测外部金属损失图

且通过与2010年智能检测对比，外腐蚀有加重的趋势。其中有增长迹象占31.4%，新增金属损失占5.9%，如图2所示。

2 原因分析

通过对可能造成管线外腐蚀的因素进行检测分析，其中管线材质、土壤腐蚀性、阴保有效性评价中阴保机测试、绝缘接头测试、杂散电流测试等未发现明显问题，经分析，主要原因如下：

图2 2010年及2016年外部金属损失变化对比

2.1 外防腐层破损严重

该管线1991年投产，采用石油沥青外防腐层，由于投用时间长，防腐层老化失效，破损严重，2012年11月四川宇通公司对该管线部分管段开展防腐层PCM检测、探坑检测：A段2494m，5级防腐层有1128m，占45.2%；B段3030m，4级防腐层3030m，占100%； C段1056m，5级防腐层有1056m，占100%。

通过开挖也验证了局部防腐层破损严重，如图3所示。

图3 外防腐层破损

外防腐层破损会加大阴保电流漏失，加快牺牲阳极损耗和阴保机输出电流漏失。同时，在阴保不达标段会引起土壤腐蚀。

对外腐蚀，智能检测只能检测目前管道外部金属损失，不能判断防腐层的优劣，可能存在保护电位达标情况下，外部金属损失不大，但防腐层破损严重的情况，造成阴保电流大量流失漏失，从而对阴保系统造成不利影响。

2.2 牺牲阳极失效及阴保站附近的牺牲阳极对外加电流干扰

该管线1991年投产，同步采用牺牲阳极进行阴极保护。但由于设计、建设原因，牺牲阳极直接与管道焊接连接，未设置牺牲阳极检测桩，给后期的检测维护带来困难，故通过开挖探坑的方式进行了检测。

关闭强制电流后，对该管线其中10处牺牲阳极进行测试：

管地电位：-0.92～-1.08V（注意：管地电位仅指牺牲阳极处电位，距离较远处管地电位会下降。

输出电流：0.03～13.8mA ，大部分为0.1～0.4mA，输出不足。

接地电阻：1.7～19.6Ω （大于10 Ω 较多，说明结壳现象较严重，不利于电流输出）

根据以上检测情况分析，牺牲阳极失效大致分以下两种：

一种情况是有些正常输出保护电流的牺牲阳极由于使用时间长，不断消耗，导致保护电位、电流、开路电压下降，导致失效；在牺牲阳极开路电位（指与其当前的表面状态所对应的开路电位。根据华中科技大学汪世雷等人研究[3]，由于阳极极化电流的活化作用，牺牲阳极的表面状态会产生巨大的变化，这种表面状态所对应的开路电位远负于初始开路电位）正于外加阴保电流的保护电位时，外加阴保电流会通过牺牲阳极泄放到大地（电流反转）。开强制电流后，管地电位有微小变化，对4个开挖坑检测，其中2处发现电流方向反转（牺牲阳极开路电位正于外加电流电压）。

还有一种情况是由于锌合金阳极表面结壳、填料包的安装、使用原因或安装位置不合适等原因造成阳极表面密度低，腐蚀产物无法移走[4]，电流不能正常输出，检测出来开路电压较高（有些还有-1.08V），虽然表面看起来比较完整（如图4所示），但输出电流只有几个毫伏，不能满足需要，从安装起不久就处于失效状态。对4个开挖坑检测，其中2处电流未反转（牺牲阳极开路电位负于外加电流电压）。

此外，阴保站附近的牺牲阳极也可能造成对参比电极信号的干扰，使恒电位仪不能正常工作。

因此失效牺牲阳极会给阴保系统带来不利影响，应及时拆除。

图4 牺牲阳极

2.3 硫酸盐还原菌腐蚀

对管线局部腐蚀严重的管段，进行了换管，同步开展了土壤腐蚀性检测化验、硫酸盐还原菌经取样分析，（如表1所示）。发现一般管道腐蚀强的位置，土壤腐蚀性较强，同时还发现土壤中含硫酸盐还原菌（如表2所示）。

根据GB/T 21448-2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》中4.4.2节对阴极保护电位的规定，对存在硫酸盐还原菌腐蚀风险的缺氧土壤和水环境，最小保护保护电位应达到-950mV。

采用面积为50cm2的极化探头测试，换管段保护电位均未达-0.95V，除10号坑不是缺氧土壤和水环境外，其余换管段是由于硫酸盐还原菌的存在，造成管线防腐层破损处严重的点蚀。10号坑管线腐蚀位于堡坎下，为绝缘层破损处阴保屏蔽造成大气腐蚀。

此外，需要注意的是，由于牺牲阳极的存在，对保护电位测试也提出了特殊的要求，需要采用极化探头或极化试片进行测试，且其试片面积应和管道防腐层漏失点面积匹配。

表1 土壤腐蚀性评级

表2 硫酸盐还原菌测试结果

2.4 阴极保护屏蔽

在某些特殊位置，虽然管道保护电位达标，但由于可能存在阴保屏蔽，管道仍然会发生外腐蚀。这是由于到达保护管线的阴极保护电流小于管道所需的最小保护电流造成的，阴保屏蔽可以发生在从阳极床到管道之间的任何地方，尤其是有较大绝缘电阻的热缩套、防护涂敷层的脱粘失效点、堡坎下回填土不足处（如图5所示）、金属套管与管线连通导致阴保电流不能在被保护管线上形成回路较常见[5]。

图5 堡坎下回填土不足造成阴保屏蔽

2.5 局部特殊埋设环境

（1）局部腐蚀严重管段在38.82～39.77Km处较为集中。是因为柠檬园土地整改造成管线部分裸露或浅埋，部分埋在土里（如图6所示）。由于裸露或浅埋部分（裸露部分防腐层老化更快），氧气易扩散到管道防腐层缺陷处，形成（大）阴极，而埋地部分氧气到达少，（防腐层老化相对慢，只有局部漏损），形成（小）阳极，因此腐蚀环境和“小阳极、大阴极”现象加速了腐蚀的发展。 造成局部腐蚀极为严重。本次40%的换管段就集中在距联合站38821.2～39774m段（长952.8m）局部腐蚀严重管段；

图6 柠檬园部分管道露出地表

（2）腐蚀集中段检测情况及分析

均匀腐蚀集中管段位于44～48Km，局部腐蚀严重管段在38.82～39.77 48Km处较为集中（如图7所示），互不重合。

图7 腐蚀集中段分布

均匀腐蚀严重段位于沱牌镇附近，为涪江河滩地，地下水位高，周围不远是沱牌酒厂，土壤腐蚀性较严重。且绝缘层老化失效，保护电位不达标，造成普遍的均匀腐蚀。

根据以上分析，该管线外腐蚀根本原因是局部保护电位不达标（尤其是土壤含硫酸盐还原菌且位于缺氧土壤和水环境最小保护电位应达到-950mV），而防腐层破损、牺牲阳极失效漏失保护电流是其主要因素。

3 建议

（1）拆除管线失效牺牲阳极，避免成为漏电点；

（2）定期检测、修复防腐层。有资料指出，保护效果80%以上由防腐层提供，阴保作为补充，因此必须定期进行外防腐层检测、及时修复防腐层缺陷点。不能采用智能清管检测代替PCM等方法对外防腐层的检测；

（3）后期防腐层修复完成后，局部若仍达不到保护电位，可补充高纯锌牺牲阳极，但要注意牺牲阳极远离辅助阳极。同时在埋设点设置测试桩，以利于保护电位、开路电位等参数测试（保护电位测试建议采用参比管法）；

（4）对于线路存在硫酸盐还原菌腐蚀的管道，建议将保护电位设置在-950～-1200mV；

（5）保护电位测试选用的极化探头或极化试片面积应和管道防腐层漏失点面积匹配；

（6）及时对管线阴保屏蔽段进行整改，避免保护电位达标但仍然腐蚀的现象；

（7）对因土地改造施工，造成管道一段裸露一段埋地，形成氧浓差电池，同时该段因施肥等因素，土壤腐蚀性强，部分还存在硫酸盐还原菌，造成管道较严重局部腐蚀。对形成不利腐蚀环境的局部腐蚀严重段（38.82～39.77Km）进行改管，避免形成“小阳极、大阴极”，造成腐蚀加剧；

（8）加强对高后果区、人员密集区（净化厂出站、沱牌镇附近）及腐蚀集中段的腐蚀监测，确保本质安全。包括定期采用PCM检测防腐层破损情况、极化试片（探头）检测保护电位等。