埋地成品油管道絕緣接頭漏電失效特征分析

施展，蘭才富，王彬彬，霍冠良，王湘岳，閆茂成

埋地成品油管道絕緣接頭漏電失效特征分析

施展1，蘭才富1，王彬彬1，霍冠良1，王湘岳1，閆茂成2

（1.國家管網集團西南管道有限責任公司，成都 610000；2.中國科學院金屬研究所 國家金屬腐蝕控制工程技術研究中心，沈陽 110016）

分析蘭成渝成品油管道某管段絕緣接頭漏電失效的原因以及對陰極保護有效性產生的影響。通過電位測量、電阻測試、漏電率測試等方法對管道陰極保護系統中恒電位儀、絕緣接頭絕緣性能等進行檢測。對該管段進行陰極保護輸出、絕緣接頭兩端電位等參數的返場調研檢測，對絕緣接頭失效部位管內腐蝕產物成分及形貌進行表征。恒電位儀在清管前后的輸出電壓差為7.55 V，保護側與非保護側電位相同漏電率達90%。絕緣接頭兩端管段存在大量坑蝕，深度可達3~3.5 mm。絕緣接頭墊片處附著大量腐蝕產物，主要成分為Fe3O4和FeOOH等有磁性、易導電的鐵氧化物。絕緣接頭失效導致管道失去保護，原因是外防腐層破損，外部導電介質會造成管道電搭接；管道內部磁性導電腐蝕產物導致絕緣接頭短接。

絕緣接頭；油氣管線；漏電失效；陰極保護；腐蝕產物；絕緣性能

埋地金屬管道的腐蝕是油氣管道安全運行的重要威脅，一旦腐蝕泄漏，會造成重大的經濟損失、環境破壞和人員傷亡[1]。陰極保護尤其是強制電流陰極保護，作為一種預防金屬腐蝕的有效手段，已被越來越多地應用于長輸管道[2-4]。埋地長輸管道沿途站場或閥室中有不需或不能納入陰極保護系統的埋地金屬（如接地網、其他管線等），為了防止陰極保護電流泄漏至此類埋地金屬，被保護結構物與其他埋地金屬之間需要采取一定的電絕緣手段[5]。目前埋地管道大多采用絕緣接頭實現電絕緣，絕緣接頭的作用是阻斷被保護管道上的陰極保護電流流入非陰極保護端的埋地金屬上，從而防止陰極保護電流的漏失，也阻斷了管段雜散電流的流入[6]。因此管道絕緣接頭的電絕緣性能直接影響鋼制管道陰極保護的有效性。

絕緣接頭失效會造成管道陰極保護的有效性降低，無法達到原有的陰極保護目的和效果，造成腐蝕隱患。同時，由于絕緣接頭失效，陰極保護輸出電流增大，會造成臨近金屬構筑物周圍地電位產生更大的偏移，引發電干擾腐蝕；同時還會導致輔助陽極加速消耗，降低輔助陽極的服役壽命。此外，絕緣接頭失效會間接提高陰極保護設備的故障率，增大能源消耗，增加站場相關維護成本[7-9]。

絕緣接頭由于服役環境和安裝位置等內外因素的影響，會導致陰極保護輸出電流增大，管道陰極保護效率降低和漏電、局部管段腐蝕等問題[10]。文中主要針對某成品油管道某管段絕緣接頭漏電失效導致陰極保護欠保護問題，展開系統調研和檢測，既滿足生產需要，也具有代表性。

絕緣接頭絕緣失效通常包括以下類型：外部導電介質引發絕緣失效，絕緣接頭或保護側和非保護側管線外防腐層破損，可通過外部導電介質在涂層破損處電導通，造成絕緣失效；內部導電介質（如積液等）或內部固體導電物質（如腐蝕產物、金屬物體等）導致絕緣失效；制造缺陷、外力等引發絕緣接頭自身失效，絕緣接頭結構和工藝等制造缺陷或外部大電流涌入等也會導致絕緣接頭失效。這3種絕緣失效方式都可能一定程度造成輸出電流增大，但對管道腐蝕的影響是不同的。內外部介質導通均會造成管道系統非陰極保護管段局部腐蝕（內部導通造成管道內腐蝕，外部導通造成外腐蝕）[11]，其他形式導通會造成陰極保護系統的有效性降低，間接導致局部管段腐蝕[12]。

世界各國提出了不同的電絕緣測試標準及方法，包括NACE SP0286—2007《管道的電絕緣標準—絕緣接頭注入電流測試法》、ISO 15589-1：2012《石油天然氣工業管線輸送系統的陰極保護》和UFC3-570- 06—2003《陰極保護系統運行和維護》等。目前，國內對于管道電絕緣裝置的絕緣性能檢測主要依據GB/T 21246《埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法》，此標準中提出的兆歐表法、電位法、通斷電位法、PCM漏電率測量法、接地電阻測量儀法等5種方法是目前國內應用最多的管道電絕緣裝置的絕緣測試方法[13-16]。此外還有同步斷電法和電流方向法等，根據不同環境，可以采用1種或幾種測試方法綜合評估絕緣接頭的絕緣性能。

1 絕緣接頭漏電失效現象

某成品油管道于2002年投產，全線采用3PE防腐層加強制電流陰極保護系統進行腐蝕防護。隨著運行時間的增加，局部管段陰極保護系統逐漸暴露出一些問題。2014、2015年，通過電位測量、電連續性測試、漏電率測試、現場開挖等方式，多次對該管道某管段陰極保護系統進行了現場檢測。結果顯示，該段管道存在局部絕緣失效、防腐層老化、陰極保護欠保護、外腐蝕等問題，并依據檢測結果采取了整改措施。2020年，重點對該管段絕緣失效問題進行了再次檢測，并初步查明了周期性絕緣失效的原因。

1.1 恒電位儀輸出

在恒電位儀無故障的前提下，判斷強制電流陰極保護系統的有效性，一般通過恒電位儀的輸出變化進行初步分析，為進一步檢查提供依據。表1統計了該管段陰極保護恒電位儀在2014年8月—2015年7月間輸出數據的變化情況。

通過輸出數據變化情況可以發現，該時段內江站恒電位儀輸出電流及回路電阻有較大幅度波動，電流較大時達到6.4 A，較小時則不足1 A，回路電阻同樣有大幅度變化。對于一個穩定且完好線路中的強制電流陰極保護系統，輸出電流及回路電阻應保持在較低的數值，并僅有小幅波動。由此推斷，該管段陰極保護系統內部出現問題，陰極保護的有效性無法得到保障。

表1 恒電位儀輸出數據統計

Tab.1 Statistics of output data of potentiostat

1.2 絕緣接頭通斷電位測試

通過安裝同步斷流器測試絕緣接頭保護側與非保護側通斷電位。結果顯示，絕緣接頭保護側與非保護側都有明顯通斷，斷電電位接近（見圖1）。因此懷疑絕緣接頭保護側與非保護側存在電連接現象。

圖1 進站絕緣接頭保護側與非保護側管地通斷電位變化

1.3 絕緣接頭漏電率測試

通過在線路進站前1 km陰極保護測試樁上加設DM信號，并使用接收機在絕緣接頭附近檢測漏電率，進一步驗證保護側與非保護側管段的電絕緣性能。測試參數：頻率為3、6、128 Hz，電流為600 mA，檢測方向為順油流方向。測試結果見表2，從進站絕緣接頭外保護側連續測試DM電流至站內非保護側管道，DM電流的方向沒有發生變化，且電流大小沒有明顯衰減，說明絕緣接頭失效或兩側管段有介質導通。

表2 進站絕緣接頭附近管段漏電率檢測

Tab.2 Detection of the leakage rate of the pipe section near the insulation joint entering station

恒電位儀輸出、絕緣接頭通斷電位和漏電率測試結果表明，該管段絕緣接頭保護側與非保護側管段存在電連接。絕緣失效導致該管段陰極保護的有效性無法得到保障，但測試結果并不能判斷絕緣失效是由于防腐層失效、絕緣接頭本身失效還是內部雜質或積液造成，需進一步分析。

2 絕緣接頭漏電原因分析

2.1 外部土壤介質漏電

站場管網和線路管線的絕緣主要通過2種途徑實現：保證絕緣接頭完好；保證絕緣接頭兩側一定距離內的防腐層完好[17]。任何一項失效，都可能造成站場和線路管道形成電連接，對陰極保護造成不利影響。

該管段恒電位儀以較高電流輸出，站內外漏電率較高，說明局部絕緣失效。結合長輸管道多年來發生的同類型案例，絕緣接頭本身失效的概率較小，外部防腐層破損或內部雜質（積液、腐蝕產物等）概率較大。因此，對絕緣接頭兩側管線開挖，驗證防腐層破損情況及管道腐蝕情況。

該管段站場進站絕緣接頭非保護側管道腐蝕情況如圖2所示，從絕緣接頭到站內流量計井旁共2.5 m左右，管段上均勻分布有大量點蝕坑。可觀測到的較大點蝕坑有28處左右，其中有4個點蝕坑深度達到3~3.5 mm，分別位于圓周方向12點、2點、10點、3點左右位置。此外，局部分布有較多米粒大小的淺表點蝕坑（涂層鼓包破裂處）。

經進一步開挖驗證，該站場絕緣接頭兩側管段都有較嚴重的防腐層破損，且保護側局部管段無3PE防護。此種情況一方面會造成陰極保護電流的大量流失，影響遠端的陰極保護效果；另一方面可能會在絕緣接頭兩側形成電連接，造成絕緣接頭非保護側管道腐蝕[18]。

進站絕緣接頭開挖后，檢測坑隨即被土壤中滲水灌滿，水位沒過管頂。通過將檢測坑中積水抽干（至坑內管道懸空于水位線上）、回灌（恢復水位沒過管頂），并觀察絕緣接頭非保護側點蝕管段管地通斷電位變化情況，來判定土壤環境對絕緣失效的影響。

圖2 進站絕緣接頭非保護側管道腐蝕情況

通過管地電位與水位線的變化關系（見圖3）可以看出，管道在由淹沒至懸空過程中，絕緣接頭非保護側管段管地電位逐漸變負；而管道在由懸空至被淹沒過程中，管地電位則逐漸變正。這說明當絕緣接頭非保護側管段位于水中時，有電流從非保護側管道流出，導致管地電位變正。非保護側管段與水隔離后，停止流出電流或流出電流降低，導致管地電位變負。

圖3 進站絕緣接頭非保護側在抽灌水過程中管地通斷電位的變化

進站絕緣接頭開挖后，通過在線路進站前1 km測試樁上加設DM信號，使用接收機在絕緣接頭附近檢測漏電率，進一步驗證土壤環境對電連接的影響。抽灌水狀態下，絕緣接頭附近漏電率測試結果見表3。

表3 抽灌水狀態下絕緣接頭附近漏電率測試

Tab.3 Leakage rate test near insulated joints during removal and pouring

檢測坑內水位由淹沒管段至懸空后，DM漏電率由90%下降至82%，說明絕緣接頭保護側與非保護側確實存在電連接。充分浸水的土壤在電連接現象中有良好的導電作用。經現場測試，站內土壤電阻率在0.55~3.5 Ω·m之間，屬于強腐蝕性土壤。根據漏電率的絕對值大小及變化情況，可以判斷絕緣接頭保護側與非保護側電連接不僅由開挖處的外防腐層破損造成，其他位置外防腐層破損或管道內部某種形式的導通也起到一定程度的作用。

2.2 內部腐蝕產物漏電

管道清管前后，恒電位儀輸出電位和絕緣接頭電位變化情況如圖4所示，可以看出，清管球通過絕緣接頭后，恒電位儀的輸出功率明顯下降。輸出電壓從11.93 V降低到4.38 V，輸出電流相應從8.73 A降低至1.42 A。

圖4 管道清理前后恒電位儀輸出電位變化情況

清管的主要作用是清除管道內部聚積的各種殘留物，使管道通暢。清管后，絕緣接頭性能恢復，說明內部殘留物的存在導致了絕緣接頭的絕緣性能變差。

失效的絕緣接頭內部，在絕緣接頭內壁絕緣墊片處，可見大量腐蝕產物積聚。對清管后收集的腐蝕產物進行形貌分析（如圖5所示），多為不規則塊狀顆粒。能譜分析結果顯示，其為鐵的氧化物。

圖5 絕緣接頭內部腐蝕產物沉積形貌及腐蝕產物的SEM及EDS圖譜

對絕緣墊片處附著的腐蝕產物進行成分分析，XRD圖譜（如圖6所示）顯示，腐蝕產物由FeO(OH)、Fe3O4和Fe(OH)3等組成，其中主要為Fe3O4。

圖6 腐蝕產物XRD圖譜

2.3 絕緣接頭失效原因分析

絕緣接頭漏電失效，導致該段管道陰極保護有效程度降低。絕緣接頭保護側與非保護側因防腐層破損造成電連接現象如圖7所示。當絕緣接頭保護側與非保護側管段防腐層完好時，陰極保護電流由土壤流入站外保護側管段，并最終匯流至通電點，由陰極線返回至恒電位儀負極，電流不經過站內管網（如圖7a所示）。當兩側防腐層出現明顯破損時，一部分電流由站內非保護側管段防腐層破損處或接地網進入管道（電流流入點受到一定程度的保護），之后電流由站內非保護側管段其他部位防腐層破損處流出管道，并經由絕緣接頭外側土壤進入到通電點附近防腐層破損處，進而通過陰極線返回至恒電位儀負極[19]，此時電流流出點（有電流流出的防腐層破損點）加速腐蝕。

圖7 絕緣接頭保護側與非保護側電連接示意

另一方面，在長期介質沖刷以及清管器磨損作用下，絕緣接頭內涂層逐漸失黏脫落或磨損失效；在內部腐蝕介質作用下，管內不同程度地存在腐蝕產物[20-21]。這類腐蝕產物主要成分為Fe3O4和FeOOH等有磁性、易導電的鐵氧化物。油品管道定期漏磁檢測導致的管壁殘留剩磁，使導電腐蝕產物傾向于在絕緣接頭中間的絕緣件（絕緣墊片）表面吸附沉積，從而實現電導通。

3 結論

1）絕緣接頭失效，一方面容易造成大量電流漏失，恒電位儀輸出加大；另一方面，在恒電位儀功率不變的情況下，輸出電流可能主要漏失在站內管網，電流不能達到線路遠端，致使遠端管道不能得到有效保護。

2）該管段絕緣接頭失效主要有兩個原因造成：外防腐層破損，外部導電介質會造成保護側和非保護側管道電連接；管道內部磁性導電腐蝕產物層作為電子導體，吸附在絕緣墊片兩側管段，造成絕緣墊片兩側管段短接，導致絕緣接頭漏電失效。

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Analysis on Current Leakage Failure of Insulation Joints of Buried Oil & Gas Pipeline

SHI Zhan1, LAN Cai-fu1, WANG Bin-bin1, HUO Guan-liang1, WANG Xiang-yue1, YAN Mao-cheng2

(1. National Network Group Southwest Pipeline Co., Ltd., Chengdu 610000, China; 2. Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences, National Engineering Research Center for Corrosion Control, Shenyang 110016, China)

Objective To analyze the cause of the leakage failure of the insulation joint of a certain pipe section of the Lanzhou-Chengdu-Chongqing product pipeline and its impact on the effectiveness of cathodic protection. Methods The potentiostat and the insulation performance of insulating joints in the pipeline cathodic protection system were tested using potential measurement, resistance test, and leakage rate test, etc. The back-field investigation and detection of the parameters such as the cathodic protection output and the potential for both ends of the insulating joint was carried out on the pipe section, and the composition and morphology of the corrosion products of the pipe at the failure location of the insulating joint were characterized. The results show that the output voltage difference between the potentiostat before pigging and after pigging is 7.55 V, and the leakage rate of the protection side and the non-protection side is 90%. There is a large amount of pitting in the pipe sections at both ends of the insulation joint, and the depth can reach 3~3.5 mm. A large number of corrosion products are on the insulating joint gasket, mainly including Fe3O4,FeOOH and other magnetic and conductive iron oxides. Conclusion The failure of the insulation joint causes the pipeline to lose its protection. The first reason is that the outer anti-corrosion layer is damaged, and the external conductive medium will cause the pipeline to overlap; the second reason is that the magnetic conductive corrosion product inside the pipeline causes the insulation joint to be short circuited.

insulation joint; oil & gas pipeline; current leakage failure; cathodic protection; corrosion products; insulation performance

2021-03-21；

2021-03-30

SHI Zhan (1990—), Male, Master, Engineer, Research focus: pipeline management and cathodic protection management.

王彬彬（1985—），男，博士，高級工程師，主要研究方向為腐蝕科學與防護、管道完整性管理。

Corresponding author：WANG Bin-bin (1985—), Male, Doctor, Senior engineer, Research focus: corrosion science and protection, pipeline integrity management.

施展, 蘭才富, 王彬彬, 等.埋地成品油管道絕緣接頭漏電失效特征分析[J]. 裝備環境工程, 2021, 18(4): 050-056.

10.7643/ issn.1672-9242.2021.04.007

2021-03-21；

2021-03-30

施展（1990—），男，碩士，工程師，主要研究方向為管道管理和陰極保護管理。

TG172

A

1672-9242(2021)04-0050-07

SHI Zhan, LAN Cai-fu, WANG Bin-bin, et al. Analysis on current leakage failure of insulation joints of buried oil & gas pipeline[J]. Equipment environmental engineering, 2021, 18(4): 050-056.