埋地鋼質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,但國內關于不同陰極保護準則在實際環境中的適用性并沒有很好的總結。本文旨在對國內外相關研究工作進行總結的基礎上,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基本形成橫跨東西縱貫南北的管網分布。管道途經土壤也基本覆蓋了國內的主要土壤類型,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,國內在管道陰極保護系統運營維護方面普遍應用的主要是-850mVOFF電位準則和100mV極化準則。幾十年的管道運營管理經驗驗證了其有效性,但針對不同準則在不同環境中的適用性總結卻一直進展緩慢,這必將不利于陰極保護技術的發展和精細化管理。本文旨在對國內外相關研究工作進行總結基礎上,為工程實踐提供參考。

1 陰極保護標準

目前國際上現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標準的對比結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境(如高土壤電阻率環境、存在微生物腐蝕、管壁上附有腐蝕產物、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主要內容的基礎上,結合我國管道陰極保護實踐編制而成,可參照ISO15589-1的對比結果。

2 -850mV準則

1928年,Robert J. Kuhn[8]在New Orieans第一次將陰極保護應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。1983年,Barlo等人[11]在實驗室環境中完成了-850mV準則在有氧和無氧環境中的適用性分析。并進一步開展了為期5年的試驗場現場測試。Song Fengmei等人[6]以Barlo等人的現場數據為基礎,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,發現：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的試驗場環境中,極化試片和未極化試片的腐蝕速率均小于1mpy。相應地,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電位準則時應考慮土壤中可能產生的IR降大小。

YoungGeun Kim等人[12]將CIPS/DCVG結果與內檢測和開挖結果對應后,61處CIPS結果顯示電位滿足-850mV準則的防腐層缺陷處,內檢測結果和直接開挖結果發現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年內由于腐蝕造成的失效事故進行了統計分析,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,陽極反應的電流密度降低1個數量級。按此計算,當電極電位負移100mV時,陽極反應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、酸性環境和異種金屬偶接的條件下,100mV準則不適用”。在這些特殊環境中,應慎用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準則時應具體問題具體分析。

4 過保護電位

對于埋地鋼質管道而言,過保護電位的危害主要體現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場實際情況的相關性。有趣的是,他們的研究結果表明陰極反應產生的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)轉變為氫脆機制(HE機制)。在陰極保護過保護電位下,SCC裂紋側面為陰極區,表面析出的氫原子滲透到基體內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,發生陽極溶解,實際仍是AD+HE機制的協同作用促進SCC裂紋擴展。

5 結論

(1)經實驗室數據、試驗場模擬數據和管道內外檢測數據的對比,驗證了-850mV準則在多種環境中的適用性;-850mV的OFF電位準則比ON電位準則具有更明確的電化學基礎,在實際應用中也具有更好的效果。(2)在-850mV準則不滿足的情況下,為保證經濟效益,減少新增陰極保護系統,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,在實際工程中應避免過保護發生。

圖1 不同陰保電位準則對腐蝕失效事故數量的影響[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埋地鋼質管道陰極保護技術規范[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鋼酸性土壤環境應力腐蝕實驗研究[D].北京：北京科技大學,2008.

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