王軍明1 馬書(shū)江2 馮洪臣3

1.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)東部?jī)?chǔ)運(yùn)襄陽(yáng)輸油處；2.河南河之洲管道技術(shù)有限公司；3.廊坊市盈波管道技術(shù)有限公司 

摘要：預(yù)制保溫管的保溫結(jié)構(gòu)會(huì)屏蔽陰極保護(hù)電流，導(dǎo)致陰極保護(hù)無(wú)效或部分無(wú)效，防腐層外檢測(cè)工作無(wú)法順利開(kāi)展，腐蝕控制和腐蝕監(jiān)控工作受限，對(duì)管道安全造成很大隱患。通過(guò)對(duì)保溫層屏蔽陰極保護(hù)電流的原理分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)開(kāi)展保溫結(jié)構(gòu)改進(jìn)。測(cè)試結(jié)果表明，改進(jìn)后的保溫結(jié)構(gòu)可大大改善陰極保護(hù)效果，減少管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

關(guān)鍵詞：管道保溫層；陰極保護(hù)屏蔽；保溫結(jié)構(gòu)改進(jìn)

埋地油氣長(zhǎng)輸管道的腐蝕控制主要采用防腐層和陰極保護(hù)相結(jié)合的手段。對(duì)于熱油輸送管道，必須要有隔熱保溫層。預(yù)制保溫層的埋地鋼質(zhì)管道，防腐層處于保溫層底層，保溫結(jié)構(gòu)會(huì)屏蔽陰極保護(hù)電流，造成陰極保護(hù)無(wú)效或部分無(wú)效，防腐層外檢測(cè)效果差，僅能通過(guò)內(nèi)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)管道腐蝕情況，使腐蝕控制和腐蝕監(jiān)控工作受到影響，嚴(yán)重威脅管道安全運(yùn)營(yíng)。目前，國(guó)內(nèi)外尚無(wú)有效的方法解決管道保溫與陰極保護(hù)的沖突。本次研究旨在用較低成本改造管道保溫結(jié)構(gòu)，解決陰極保護(hù)屏蔽問(wèn)題，使具有保溫層的埋地管道處于有效陰極保護(hù)狀態(tài)，減緩管道腐蝕速率，提高防腐層破損點(diǎn)的可檢性。

1  概述

預(yù)制保溫層管道的基本結(jié)構(gòu)如圖 1所示。管道埋地后，外保護(hù)層一般具有良好的防水和絕緣性能，但由于制造、運(yùn)輸、施工和老化等原因破損，導(dǎo)致部分管段保溫層（聚氨酯）進(jìn)水。保溫結(jié)構(gòu)進(jìn)水后，水會(huì)在保溫層（聚氨酯）和防腐層（環(huán)氧粉末，F(xiàn)BE）之間存留，沿管道徑向和軸向延伸。陰極保護(hù)電流進(jìn)入有保溫結(jié)構(gòu)的管道后，絕大部分會(huì)通過(guò)最近的一個(gè)防腐層破損點(diǎn)流入管道，很少一部分會(huì)繼續(xù)前行進(jìn)入其他破損點(diǎn)，導(dǎo)致陰極保護(hù)電流被屏蔽，管道基本處于無(wú)陰極保護(hù)狀態(tài)。同時(shí)管道處于濕潤(rùn)聚氨酯泡沫環(huán)境中發(fā)生自腐蝕，但外檢測(cè)很難檢測(cè)到防腐層破損點(diǎn)，腐蝕控制基本處于失控狀態(tài)，如圖 2所示。

圖 1 保溫層管道結(jié)構(gòu)示意圖

圖 2 保溫結(jié)構(gòu)屏蔽陰極保護(hù)電流原理和等效電路示意圖

2  保溫結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1  陰保屏蔽模擬實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)模擬預(yù)制保溫管道進(jìn)水環(huán)境，聚氨酯結(jié)構(gòu)進(jìn)水后實(shí)驗(yàn)水的厚度為1 cm、寬度為10 cm；模擬防腐層破損點(diǎn)為連續(xù)長(zhǎng)條狀，寬1 cm、長(zhǎng)30 cm；引入陰保電流并測(cè)量引入點(diǎn)處和遠(yuǎn)離引入點(diǎn)處的陰極保護(hù)電位，從左至右每間隔5 cm依次測(cè)量，參比電極置于破損點(diǎn)正上方，圖 3電位測(cè)量結(jié)果表明，遠(yuǎn)離電流流入點(diǎn)后電位衰減速度非常快。

圖 3 保溫結(jié)構(gòu)對(duì)陰保電流屏蔽實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2  屏蔽距離計(jì)算

如圖 4所示，假設(shè)防腐層破損點(diǎn)不連續(xù)，且各破損點(diǎn)處于進(jìn)水點(diǎn)左右兩側(cè)，陰保電流進(jìn)入保溫層結(jié)構(gòu)后分三個(gè)方向（R1、R2、R3）流動(dòng)。假定三個(gè)破損點(diǎn)的直徑均為1.13 cm，水的平均厚度為1 mm、寬度1 cm，R2延伸長(zhǎng)度為10 cm，R3延伸長(zhǎng)度為20 cm，按式（1）（2）計(jì)算三個(gè)通路的電阻。

式中，R1為進(jìn)水點(diǎn)流入管道破損點(diǎn)的接地電阻，Ω；ρ為水的電阻率，20 Ω·m；d為破損點(diǎn)直徑，1.13 cm；計(jì)算得R1=885 Ω。

圖 4 破損點(diǎn)處于進(jìn)水點(diǎn)兩側(cè)

R1和R2為串聯(lián)電路：

式中，L為R2延伸長(zhǎng)度，10 cm；S為水的截面積，0.1 cm2；計(jì)算得R1+R2=200 885 Ω；同理，R1+R3=400 885 Ω。

比較三個(gè)通路的電阻值，發(fā)現(xiàn)近進(jìn)水點(diǎn)處電阻較小，較遠(yuǎn)處的電阻呈指數(shù)增長(zhǎng)。按歐姆定律，可知遠(yuǎn)進(jìn)水點(diǎn)處的電流呈指數(shù)減小。

實(shí)驗(yàn)估算保溫層進(jìn)水后的陰保屏蔽距離大約為水膜厚度的5至10倍，該距離內(nèi)陰極保護(hù)可能有效，距離之外基本處于陰保屏蔽狀態(tài)。

2.3  保溫結(jié)構(gòu)改進(jìn)可行性實(shí)驗(yàn)

在管道保溫層聚氨酯內(nèi)部置入鍍鋅鋼絲網(wǎng)（以下稱(chēng)內(nèi)置金屬網(wǎng)）可以為管道提供一個(gè)良好的低阻通道，金屬網(wǎng)僅纏繞在防腐層外側(cè)以避免與管道之間發(fā)生短路。每根管道的內(nèi)置金屬網(wǎng)上連接一根接地鍍鋅鋼絲做引流用（以下稱(chēng)引流接地線(xiàn)），如圖 5所示。

圖 5 改進(jìn)管道保溫結(jié)構(gòu)示意圖

3  材料及規(guī)格選擇

3.1  內(nèi)置金屬網(wǎng)材料選擇

內(nèi)置金屬網(wǎng)材質(zhì)的金屬活性要比管道材質(zhì)更活潑，其自然電位不能負(fù)于管道通電電位，綜合考慮選擇熱鍍鋅鋼絲網(wǎng)。

3.2  內(nèi)置金屬網(wǎng)規(guī)格選擇

（1）陰極保護(hù)電流需求計(jì)算。以管徑219 mm管道為例，防腐層為FBE，按1根管道長(zhǎng)12 m、0.1%裸露面積計(jì)算電流需求量I，電流密度取值為60 mA/m2（低于30 ℃時(shí)，F(xiàn)BE管道破損點(diǎn)處電流密度取20 mA/m2，按照每升高1 ℃增加1 mA/m2、保溫管道出站溫度70℃推算，取值60 mA/m2）。單根管道表面積按式（3）計(jì)算：

其中：S為每段管道表面積，m2；D為管道直徑，0.219 m；L為管道長(zhǎng)度，12 m；計(jì)算得S=8.25 m2。

電流需求量為：I=60 mA/m2×8.25 m2×0.1%=0.4951 mA=495.1 uA。

（2）按管道使用壽命30年推算內(nèi)置金屬網(wǎng)的使用壽命。根據(jù)法拉第第一定律，放電時(shí)的金屬損失：

W為金屬消耗量，kg；K為常數(shù)，取9.1 kg/A·Y； I 為電流消耗，459.1 uA；t為管道使用壽命，按30年計(jì)；計(jì)算得W=125 g。

以絲徑1 mm、網(wǎng)格孔徑3 mm鋼絲網(wǎng)為例，與防腐層破損點(diǎn)等效的內(nèi)置金屬網(wǎng)面積為471 cm2，重量為149 g，大于推算的125 g金屬消耗，滿(mǎn)足30年管道使用壽命。

（3）不同管徑管道內(nèi)置金屬網(wǎng)規(guī)格選擇。按30年使用壽命計(jì)，表 1為不同管徑管道內(nèi)置金屬網(wǎng)選用鋼絲網(wǎng)規(guī)格推薦表。

表 1 不同管徑管道內(nèi)置金屬網(wǎng)選用鋼絲網(wǎng)規(guī)格

3.3  引流接地線(xiàn)材質(zhì)和規(guī)格

通常引流接地線(xiàn)的自然電位越正越好，應(yīng)選擇惰性金屬。但考慮到引流接地線(xiàn)和內(nèi)置鋼絲網(wǎng)屬于導(dǎo)通狀態(tài)，材料不同則可能引起電偶腐蝕發(fā)生斷裂，破壞整體引流結(jié)構(gòu)。因此，選用與內(nèi)置金屬網(wǎng)同材質(zhì)的鍍鋅鋼絲，推薦規(guī)格為外徑2.2 mm至1.6 mm。

接地電阻采用式（5）計(jì)算：

根據(jù)不同管徑管道陰極保護(hù)電流需求量、引流接地極電位差值等，推算引流接地線(xiàn)長(zhǎng)度。在土壤電阻率小于50 Ω·m情況下，大部分管道的引流接地線(xiàn)均小于2 m，如圖 6所示。

圖 6 不同土壤電阻率下各管徑管道所需引流接地線(xiàn)長(zhǎng)度對(duì)照?qǐng)D

4  保溫結(jié)構(gòu)改進(jìn)后性能測(cè)試

4.1  電位測(cè)試

保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)置金屬網(wǎng)后，管道陰極保護(hù)電位測(cè)試原理和結(jié)果分別如圖 7、圖 8所示。

圖 7 保溫結(jié)構(gòu)改進(jìn)后電位測(cè)試原理示意圖

圖 8 保溫結(jié)構(gòu)改進(jìn)前后管道陰保電位數(shù)據(jù)對(duì)比圖

4.2  其他性能測(cè)試和影響

（1） 熱損失實(shí)驗(yàn)。現(xiàn)場(chǎng)模擬內(nèi)置金屬網(wǎng)對(duì)保溫管內(nèi)的熱損失實(shí)驗(yàn)（3小時(shí)）結(jié)果證明，改進(jìn)保溫結(jié)構(gòu)后熱損失可以忽略不計(jì)（表 2）。

表 2 內(nèi)置金屬網(wǎng)對(duì)保溫管熱損失實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（2）交流雜散電流干擾分析。內(nèi)置金屬網(wǎng)在管道防腐層外面形成一層有效的靜電屏蔽網(wǎng)，其抵抗感應(yīng)型雜散電流干擾的能力較常規(guī)管道更強(qiáng)。

（3）對(duì)防腐層外檢測(cè)的影響。改進(jìn)保溫結(jié)構(gòu)后增加了內(nèi)部的低阻通道，可能檢測(cè)到的防腐層破損點(diǎn)即為保溫層進(jìn)水點(diǎn)，與原檢測(cè)工作無(wú)差別。

（4）與管道短路風(fēng)險(xiǎn)及規(guī)避措施。測(cè)試內(nèi)置金屬網(wǎng)與管道是否短路，若發(fā)生短路會(huì)屏蔽整段12 m管道電流，陰極保護(hù)失效。但同時(shí)短路接觸點(diǎn)會(huì)快速腐蝕，金屬網(wǎng)腐蝕后會(huì)解除與管道的短路狀態(tài)，內(nèi)置金屬網(wǎng)恢復(fù)成低阻通道，重新起到引流作用。

（5）對(duì)聚氨酯與FBE黏結(jié)力的影響。預(yù)制保溫管道時(shí)，聚氨酯通過(guò)空壓泵方式注入FBE防腐層和外保護(hù)層，由液態(tài)泡沫凝固為聚氨酯固態(tài)泡沫結(jié)構(gòu)。內(nèi)置金屬網(wǎng)會(huì)增加聚氨酯與FBE表面粗糙程度，有利于成型和固化，增強(qiáng)黏結(jié)力

5  改造工藝細(xì)節(jié)

（1）內(nèi)置金屬網(wǎng)。內(nèi)置金屬網(wǎng)要緊貼管道防腐層布置，與管道的間隙越小越好。每根管道的內(nèi)置金屬網(wǎng)（鋼絲網(wǎng)）為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，焊接時(shí)不與相鄰管道的內(nèi)置金屬網(wǎng)連接。

（2）焊接補(bǔ)口。焊接補(bǔ)口應(yīng)采用性能可靠、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、施工操作方便和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性好的材料，補(bǔ)口順序依次為防腐層—保溫層—防護(hù)層，補(bǔ)口工藝參照原保溫管道。引流接地線(xiàn)要單側(cè)引出，管道之間的接地線(xiàn)不連接，如圖 9所示。

圖 9 補(bǔ)口處的引流接地線(xiàn)處置

6  結(jié)語(yǔ)

原埋地保溫層鋼質(zhì)管道存在較大腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)理論分析和現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)，開(kāi)展保溫層結(jié)構(gòu)改造，材料易得，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，對(duì)陰極保護(hù)效果改善明顯，可有效解決保溫結(jié)構(gòu)對(duì)陰極保護(hù)的屏蔽問(wèn)題，同時(shí)金屬網(wǎng)內(nèi)置于保溫層內(nèi)，還可以減輕埋地管道感應(yīng)型交流干擾。測(cè)試結(jié)果表明，陰極保護(hù)電位能準(zhǔn)確反映測(cè)試位置的真實(shí)陰保狀態(tài)，管道腐蝕控制和監(jiān)控工作均能正常進(jìn)行，可為架空保溫管道、城市供熱管道的陰極保護(hù)提供有益借鑒。

作者簡(jiǎn)介：王軍明，工程師，長(zhǎng)江大學(xué)畢業(yè)，東部原油儲(chǔ)運(yùn)公司襄陽(yáng)輸油處副處長(zhǎng)，從事管道相關(guān)工作17年。聯(lián)系方式：13908673435，wangjunm@dingtalk.com。