埋地鋼質(zhì)管道的陰極保護準則

姜姝 胡亞博

(中石油管道沈陽龍昌管道檢測中心,遼寧沈陽 110034)

埋地鋼質(zhì)管道的陰極保護準則

姜姝＊胡亞博

(中石油管道沈陽龍昌管道檢測中心,遼寧沈陽 110034)

陰極保護是保證管道完整性的重要手段,但國內(nèi)關(guān)于不同陰極保護準則在實際環(huán)境中的適用性并沒有很好的總結(jié)。本文旨在對國內(nèi)外相關(guān)研究工作進行總結(jié)的基礎(chǔ)上,為工程實踐提供參考。

埋地管道 陰極保護 準則

目前,我國在役油氣管道已經(jīng)基本形成橫跨東西縱貫?zāi)媳钡墓芫W(wǎng)分布。管道途經(jīng)土壤也基本覆蓋了國內(nèi)的主要土壤類型,包括東北的黑土、西北的棕漠土、南方的紅壤、西南的酸性土壤以及海濱的鹽漬土等。不同區(qū)域土壤的特性也存在明顯差異,由此造成碳鋼的腐蝕速率也差異很大。雖然土壤千差萬別,國內(nèi)在管道陰極保護系統(tǒng)運營維護方面普遍應(yīng)用的主要是-850mVOFF電位準則和100mV極化準則。幾十年的管道運營管理經(jīng)驗驗證了其有效性,但針對不同準則在不同環(huán)境中的適用性總結(jié)卻一直進展緩慢,這必將不利于陰極保護技術(shù)的發(fā)展和精細化管理。本文旨在對國內(nèi)外相關(guān)研究工作進行總結(jié)基礎(chǔ)上,為工程實踐提供參考。

1 陰極保護標準

目前國際上現(xiàn)有的陰極保護標準有ISO 15589-1、NACE SP0169-2007、EN 12954-2001[3]、AS 2832.1-2004[4]和OCC-1-2005[5]等。Song Fengmei等人[6]針對不同國家和地區(qū)標準的對比結(jié)果存在兩個鮮明特點：一方面,各個標準中均不同程度地缺少適用于特殊環(huán)境(如高土壤電阻率環(huán)境、存在微生物腐蝕、管壁上附有腐蝕產(chǎn)物、存在SCC等)的陰保準則;另一方面,各標準對通常條件下常用的-850mV ON電位準則、-850mV OFF電位準則和100mV極化準則的推薦程度也不盡相同,沒有其中任何一個準則是在5個標準中都包括的。NACE SP0169-2007和OCC-1-2005基本一致,同時包括了這3個準則,雖然部分NACE專家對-850mV ON電位準則持懷疑態(tài)度,但是在NACE RP/SP0169標準的8次修訂過程中,-850mV ON電位準則卻一直保留了下來。ISO15589-1和EN12954都不包括-850mV ON電位準則,而且EN12954只給出了-850mV OFF電位準則一個評價準則。AS2832.1則不包括100mV極化準則。我國的GB21448-2008[7]是在吸收了ISO 15589-1-2003主要內(nèi)容的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國管道陰極保護實踐編制而成,可參照ISO15589-1的對比結(jié)果。

2 -850mV準則

1928年,Robert J. Kuhn[8]在New Orieans第一次將陰極保護應(yīng)用到埋地管道保護的工程實際中,并首次提出了-850mV ON電位準則,依據(jù)主要為工程實踐。A.W. Peabody[9]在其專著中從理論上解釋了-850mV準則的適用性,指出有防腐層覆蓋的埋地管道在土壤中的自然電位多介于-0.5～-0.7VCSE之間。Schwerdtfeger和McDorman[10]在實驗室環(huán)境中測試了管線鋼在20組無氧土壤(pH=2.9～9.6)中的電位隨pH的變化情況,并和析氫曲線進行了對比,交點位置處的電位(-0.85 VCSE)即被認為達到陰極保護的電位,測試的電位均為去除IR降后的OFF電位。1969年第一版NACE RP/SP0169標準首次將-850mV ON電位準則和OFF電位準則同時包括在內(nèi)。1983年,Barlo等人[11]在實驗室環(huán)境中完成了-850mV準則在有氧和無氧環(huán)境中的適用性分析。并進一步開展了為期5年的試驗場現(xiàn)場測試。Song Fengmei等人[6]以Barlo等人的現(xiàn)場數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),對-850mV準則的適用性進行了評價。

在選取的8處土壤電阻率ρ＜10kΩ·cm試驗場中,發(fā)現(xiàn)：56個滿足-850mV ON電位準則的試片中只有2個試片的腐蝕速率大于1mpy,占3.6%;其余146個未滿足-850mV ON電位準則的試片中有29個試片的腐蝕速率大于1mpy,占19.9%。在3處土壤電阻率10k＜ρ＜100k Ω·cm的試驗場環(huán)境中,不極化試片中腐蝕速率大于1mpy的比例占33.3%,極化試片電位滿足-850mV ON電位準則后,腐蝕速率均小于1mpy。在1處土壤電阻率ρ＞100k Ω·cm的試驗場環(huán)境中,極化試片和未極化試片的腐蝕速率均小于1mpy。相應(yīng)地,在OFF電位滿足-850mV準則的試片中,只有1個試片的腐蝕速率大于1mpy。這也說明OFF電位準則比ON電位準則更準確,在使用ON電位準則時應(yīng)考慮土壤中可能產(chǎn)生的IR降大小。

YoungGeun Kim等人[12]將CIPS/DCVG結(jié)果與內(nèi)檢測和開挖結(jié)果對應(yīng)后,61處CIPS結(jié)果顯示電位滿足-850mV準則的防腐層缺陷處,內(nèi)檢測結(jié)果和直接開挖結(jié)果發(fā)現(xiàn)并不存在明顯的金屬損失,也驗證了-850mV準則的有效性。在剝離涂層下陰保電流無法進入,電位可能不滿足-850mV準則的位置則存在明顯的金屬損失。Mark Mateer等人[13]針對其運營的幾千英里管道在50年內(nèi)由于腐蝕造成的失效事故進行了統(tǒng)計分析,如圖1所示。在采用-850mV OFF電位準則后,腐蝕失效事故較采用-850mV ON電位準則時進一步減少。

3 100mV準則

100mV準則最早是由Ewing[14]在1951年提出的。隨著防腐層的老化,-850mV準則的要求在老管道上往往比較嚴苛,但又不想新增陰極保護系統(tǒng)時,則可考慮使用100mV準則。因此,100mV準則目前多用于-850mV準則不適用的地方。Mears和Brown等人[15]認為當電極極化到陽極反應(yīng)的平衡電位Eoc,a時,腐蝕完全消失。通常條件下極化電位每負移30～60mV,陽極反應(yīng)的電流密度降低1個數(shù)量級。按此計算,當電極電位負移100mV時,陽極反應(yīng)的電流密度降低為原來的1/2154～1/46,已很可能滿足0.025mm/a腐蝕速率要求。

表1 100mV準則和-850mV準則的對比分析

NACE SP0169-2007[1]第6.2.2.2.2條款指出：“在含有硫化物、細菌、高溫、酸性環(huán)境和異種金屬偶接的條件下,100mV準則不適用”。在這些特殊環(huán)境中,應(yīng)慎用100mV準則。100mV準則和-850mV準則的對比分析如表1所示,在實際工程中使用100mV準則時應(yīng)具體問題具體分析。

4 過保護電位

對于埋地鋼質(zhì)管道而言,過保護電位的危害主要體現(xiàn)在防腐層剝離和氫致開裂兩個方面。一方面,在陰極保護電流的電滲透作用下,H2O和OH-擴散到防腐層和基體之間,會降低防腐層的粘結(jié)力,氫氣的析出也會促進防腐層的鼓脹;另一方面,在過保護電位下,基體表面的析出的氫原子擴散進入管體內(nèi)部會引起氫致開裂。

由于陰極保護電位對管道外防腐層的剝離作用,防腐層的抗剝離性能已經(jīng)成了防腐層選材過程中的一個重要參考指標。A S T M G-8[16]中也規(guī)定了標準的測試方法對防腐層的抗剝離性能進行測試,評價指標為破損防腐層的剝離半徑。Markus Betz等人[17]研究了實驗室測試方法與現(xiàn)場實際情況的相關(guān)性。有趣的是,他們的研究結(jié)果表明陰極反應(yīng)產(chǎn)生的NaOH并不會促使防腐層剝離。由于影響防腐層剝離的因素很多,更深入的認識還有待進一步的研究。

關(guān)于陰極極化對SCC敏感性的影響,劉智勇等人[18]采用快掃慢掃極化曲線結(jié)合的方法,研究了不同極化條件下X70管線鋼在土壤模擬溶液中的SCC敏感性,并給出了敏感性的判定公式。隨著極化電位的負移,SCC的機制逐漸由陽極溶解機制(AD機制)轉(zhuǎn)變?yōu)闅浯鄼C制(HE機制)。在陰極保護過保護電位下,SCC裂紋側(cè)面為陰極區(qū),表面析出的氫原子滲透到基體內(nèi)部后會促進裂紋的擴展;由于裂紋開口小,對陰保電流有屏蔽作用,裂紋尖端仍可能處于陽極區(qū),發(fā)生陽極溶解,實際仍是AD+HE機制的協(xié)同作用促進SCC裂紋擴展。

5 結(jié)論

(1)經(jīng)實驗室數(shù)據(jù)、試驗場模擬數(shù)據(jù)和管道內(nèi)外檢測數(shù)據(jù)的對比,驗證了-850mV準則在多種環(huán)境中的適用性;-850mV的OFF電位準則比ON電位準則具有更明確的電化學(xué)基礎(chǔ),在實際應(yīng)用中也具有更好的效果。(2)在-850mV準則不滿足的情況下,為保證經(jīng)濟效益,減少新增陰極保護系統(tǒng),可考慮使用100mV準則;但在高溫、含細菌、異種金屬偶接、存在SCC敏感性、存在交流干擾等情況下,應(yīng)慎用100mV準則。(3)陰極保護的過保護的危害包括防腐層剝離和氫致開裂兩個方面,在實際工程中應(yīng)避免過保護發(fā)生。

圖1 不同陰保電位準則對腐蝕失效事故數(shù)量的影響[13]

[1]NACE SP0169-2007 Control of external corrosion on underground or submerged metallic piping systems [S],2007.

[2]ISO15589-1 Petroleum and natural gas industries： cathodic protection of pipeline transportation systems-part 1： ON land pipelines [S],2003.

[3]EN 12954 Cathodic protection of buried or immersed metallic structures. General principles and application for pipelines[S], 2001.

[4]AS 2832.1 Cathodic protection of metals-pipes and cables[S],2004.

[5]OCC-1-2005 Control of external corrosion ON buried or submerged metallic piping system [S], 2005.

[6]Fengmei Song, Hui Yu. Evaluation of global cathodic protection criteria-part 1： criteria and relevance with cathodic protection theory [A]. Corrosion/2012 [C]. Houston, TX：NACE,2012.

[7]GB21448-2008埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范[S],2008.

[8]Kuhn R.J..Cathodic protection of underground pipe lines from soil corrosion[A].API Proceedings[C].1993,14：153-167.

[9]A.W. Peabody. Peabody’s Control of pipeline corrosion, 2nd Ed [M]. Ronald Bianchetti, ed.. Houston, Texas： NACE：51,71.

[10]W.J. Schwerdtfeger, O.N. McDorman. Potential and current requirements for the cathodic protection of steel in soils [A].Corrosion/1952 [C]. Houston, TX：NACE, 1952.

[11]T.J. Barlo, W.E. Berry. An assessment of the current criteria for cathodic protection of buried steel pipelines [J]. MP,1984,23(9)：14.

[12]YoungGeun Kim, DeokSoo Won, HongSeok Song. Validation of external corrosion direct assessment with inline inspection in gas transmission pipeline [A]. Corrosion/2008 [C]. Houston, TX：NACE, 2008.

[13]M. Mateer. Using failure probability plots to evaluate the effectiveness of“OFF” vs “ON” potential CP criteria [J].MP, 2004：22-24.

[14]Ewing S.P. Potential measurement for determination of cathodic protection requirements [J]. Corrosion,1951,12(7)：410.

[15]R.H. Mears, R.H. Brown. A theory of cathodic protection [J].Transactions of the Electrochemical Society, 1938,74： 527.

[16]ASTM G-8 Standard test methods for cathodic disbanding of pipeline coatings [S],2003.

[17]Markus Betz, Christoph Bosch, Peter-Josef Gronsfeld, etc.Cathodic disbondment test： what are we testing? [A]. Corrosion/2012 [C]. Houston, TX：NACE, 2012.

[18]劉智勇.X70鋼酸性土壤環(huán)境應(yīng)力腐蝕實驗研究[D].北京：北京科技大學(xué),2008.

姜姝(1979-),工程師,主要從事油氣管道技術(shù)服務(wù)的生產(chǎn)、標準化管理工作。