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检查片测试埋地钢质管道阴极保护度方法的研究

作者：李嘉强

来源：《科技与创新》2016年第02期

摘 要：土壤对钢制天然气管道的腐蚀不仅会影响管道运行的安全性，还会影响天然气产业的发展，因此，对钢制天然气管道土壤的腐蚀性进行检测十分重要。结合实例，对埋设检查片法进行了研究。结果表明，应用埋片法对钢制天然气管道土壤的腐蚀情况进行检测可取得较好的效果。

关键词：钢制天然气管道；建设周期；运输成本；土壤类型

中图分类号：TE988.2 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.02.125

随着天然气产业的快速发展，天然气在城镇中的应用越来越普及，钢制天然气管道的铺设量也越来越大。采用管道运输天然气具有运输成本低、建设周期短、受气候和环境影响小、可穿过各种区域等优点。但由于钢制天然气管道深埋在土壤中，易受腐蚀，出现穿孔，进而引发油、气泄漏，甚至引发爆炸，造成巨大的经济损失，威胁着人们的生命安全。 1 室内试验和现场试验 1.1 室内土壤分析

由于埋地钢制天然气管道沿途经过地区的土壤类型和地形地貌有较大的差异，需要对沿途不同类型的土壤取样，并对主要的影响因素进行测试分析。某公司埋地管道的埋地段总长17.45 km，2009-04竣工投入使用，介质为C3C4，管道规格为168.3 mm×6.4 mm，设计压力为2.29 MPa，运行压力为1.52 MPa，设计温度为60 ℃，运行温度为15 ℃，材质为L245。依据《埋地钢质管道阴极保护参数测试方法》（GB/T 21246—2007）提供的材料土壤腐蚀试验方法进行了现场电化学性质参数测试和室内理化性质分析，分析对象以影响腐蚀的土壤含水率、氯离子含量、硫酸根离子含量、pH值为主。依据测试结果，确定了40 个检查片埋设点的土壤腐蚀性大部分处于中腐蚀与弱腐蚀之间，少部分具有强化学腐蚀性。 1.2 钢制检查片制备

传统技术采用标准钢试片（50 mm×100 mm），而在2004年后的新标准规定，相关单位必须根据调查对象设计的检查片来提供多种设计方案。其核心是模拟管道表面的裸露面积（比如防腐层破损点），检验阴保系统对缺陷的保护能力。

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制备检查片的面积必须模拟管道表面有代表性的裸露面积。如果面积过小，则无法体现管道的真实保护状况；如果面积过大，则会导致结果失真（IR降）或保护电流过度流失，进而改变管道阴极的保护状态。本试验在不同土壤pH值的条件下，测试了管道的极化曲线。通过检查片消耗的电流值，可确定检查片的规格分别为30 mm×15 mm×5 mm、40 mm×20 mm×5 mm和50 mm×25 mm×5 mm。 1.3 现场试验

依据SY/T0029—1998和NACERP0104—2004标准中的要求，结合阴极保护系统的实际情况，将制备的钢制检查片埋设在了预先设定的管道沿线检查片埋设点中；使用探管仪在埋设点附近找到了管道埋深最浅的点，其开挖规格为1.5 m×1.5 m×H；对每组检查片中3片有强制电流保护的试片使用直径为2.5 mm的铜线连接，并将试片与管道电路连接，维持与管道相同的电位，连通管道或管道沿线的测试桩；采用绝缘绳连接3片自然腐蚀的试片；检查片均置于开挖坑，其深度与管道埋设的深度相同；回填时，应将回填土分层夯实，并将耕植土填在埋设坑上。在埋设过程中，应严防检查片受到机械损伤，并注意保护导线。经过1年的埋设后，取出埋设坑中的钢制检查片，经过清洗、酸洗、电镜扫描等步骤后，对钢制检查片进行称重分析。 2 结果和讨论

2.1 试验管段的阴极保护效果

计算所使用的检查片埋设于村庄的水塘中，受到的保护较好，无第三方破坏。在以6片为一组的检查片中，分别计算了3片电流保护片和3片自然腐蚀片。电流保护片平均腐蚀速率为0.352 5 g/（dm2·年），自然腐蚀片的平均腐蚀速率为4.630 1 g/（dm2·年），保护度为2.39%. 图1为试验样本中电流保护片与自然腐蚀片腐蚀速率的对比。在大多数情况下，电流保护片的腐蚀速率远小于自然腐蚀片的腐蚀速率。由此可见，由计算检查片所获取的保护度数较为合理。

2.2 腐蚀形貌扫描电镜分析

采用KYKY-2800扫描电子显微镜对电流保护片进行了扫描，其放大倍数为8×～250 000×，加速电压为0～30 kV。由此可见，试片表面相对平滑，有片状的腐蚀产物，大体处于同一平面上，没有明显的蚀孔，腐蚀产物与金属基体的结合比较紧密，进一步放大后，腐蚀产物呈颗粒状。这与计算检查片所取得的腐蚀速率数相一致。

自然腐蚀片的电子显微图像表面覆盖有晶体层产物，其与腐蚀产物不在同一平面上，有不同的深度变化。腐蚀产物结构疏松，膜层有孔隙，表面覆盖膜的保护性较差，腐蚀产物易剥落，无法有效阻止管道钢的腐蚀。放大扫描图像后发现，层状腐蚀产物有破裂现象。由此可见，自然腐蚀片的腐蚀速率明显高于电流保护片。

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2.3 Χ射线光电子能谱（XPS）分析

进行Χ射线光电子能谱（XPS）分析样品的尺寸应为10 mm×10 mm。因此，需要切割样品。经过分析发现，各样本中电流保护片和自然腐蚀片的腐蚀产物基本一致，Fe2O3、Al2O3、CaCO3、SiO2为主要化学腐蚀产物。2号电流保护试片的Χ射线光电子能谱分析如图2所示。

2.4 钢制检查片样本计算差异分析

在使用埋片法检测电流保护片和自然腐蚀片的腐蚀速率时，从图1可发现，个别试验点中出现了保护度偏低，电流保护片腐蚀速率与自然腐蚀片腐蚀速率基本相同，甚至高于自然腐蚀片的现象。这种现象产生的原因大致有以下4种：①部分埋设点位于坑内积水较多，且周边有公路、铁路、高压线的区域，钢制检查片阴极保护系统受到了坑内积水的腐蚀，使用CuSO4电极万用表测量得到的检查片电位很不稳定，甚至超出了其外加电流保护电位的范围。这些埋设点腐蚀较为严重的原因主要是管道沿线存在杂散电流。由于检查片长期处于积水较多的水坑中，且电流保护片的导线通电良好、自然腐蚀片只与土壤接触（不通电），导致保护片所受的杂散电流腐蚀影响大于自然腐蚀片。因此，某些埋设点电流保护片的腐蚀速率高于自然腐蚀片。②部分检查片埋深较浅，掩埋土质中的石头较多，且其周边有水塘等干扰源，受环境影响，其保护度均低于20%.本次试验中外加电流阴极保护系统管道的保护电流并非全部流向被保护的管道，有部分电流沿其他管道流动，进而腐蚀外管道。③在外加电流阴极保护中，杂散电流会对保护电位、阴极保护电流产生较大的影响。如果地下管道的电位相对于环境为负，则可获得相应的保护；如果其电位相对于环境为正，则管道会遭受腐蚀。然而，试验管道埋设的土壤中的杂散电流会使电位变化复杂化。由于在埋设管道时会受到杂散电流或瞬时电场的而影响，其电位会在瞬时相对于环境为正。在这种情况下，试验管道就变成了阴极保护系统中的阳极，进而导致管道遭受腐蚀。④对于受杂散电流影响的腐蚀较为严重的管道，想完全杜绝杂散电流的流入是不可能的，而减少或防止从管道上排出电流是可行的。建议在使用埋片法检测管道阴极保护效果时使用电排流，并采取调整阳极布局、测试桩布局等方法缓解杂散电流对管道的影响。 3 结束语

综上所述，钢制天然气管道在土壤中被腐蚀时可能会造成巨大的经济损失。因此，采用正确的检测方法对钢制天然气管道的土壤腐蚀情况进行检测十分重要。研究表明，用埋片法检测钢制天然气管道的土壤腐蚀情况，结果直观、准确，与实际情况相符，值得推广应用。 参考文献

[1]陈泽康.长输天然气管线的腐蚀及防护措施研究[J].中国石油和化工标准与质量，2014（01）.