盾構(gòu)穿越管道腐蝕防護(hù)現(xiàn)狀及應(yīng)對(duì)策略

吳 斌

(中國石化青島液化天然氣有限責(zé)任公司,青島 266499)

目前,長輸油氣管道共有10種常見的穿、跨越方式。穿越方式有大開挖、定向鉆、盾構(gòu)隧道、鉆爆隧道、夯管、頂管等6種方式;跨越方式有桁架跨越、拱橋跨越、懸索跨越、斜拉鎖跨越等4種方式[1-3]。其中,管道盾構(gòu)隧道穿越作為一種機(jī)械自動(dòng)化程度高、適用地層廣泛、安全度較高的管道鋪設(shè)方式,近年來應(yīng)用越來越廣泛[4-7]。盾構(gòu)隧道是用盾構(gòu)機(jī)在地面以下暗挖隧道,盾構(gòu)機(jī)前方設(shè)有支撐和開挖裝置,中段安裝頂進(jìn)所需的千斤頂,尾部可以拼裝預(yù)制或現(xiàn)澆混凝土襯砌環(huán),盾構(gòu)機(jī)每推進(jìn)一環(huán)距離,就在尾部支護(hù)或拼裝一環(huán)襯砌,并向襯砌環(huán)外圍的空隙中壓注水泥漿,掘進(jìn)完成后形成一條能夠鋪設(shè)管道的隧道[8-13]。

盾構(gòu)穿越管道的結(jié)構(gòu)包括始發(fā)井、接收井,S形熱煨彎管、隧道內(nèi)管道、鋼支架結(jié)構(gòu)等。盾構(gòu)管道建成后,通過固定墩、混凝土支座和鋼支架等保證管道穩(wěn)固。管道投產(chǎn)后,盾構(gòu)隧道一般會(huì)水封、土封或者泡沫混凝土澆筑密封[14-15]。

本工作通過對(duì)國內(nèi)在役盾構(gòu)穿越管道及附屬設(shè)施進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,分析了隧道內(nèi)管道防腐蝕層以及補(bǔ)口的有效性、管卡螺栓腐蝕與防腐蝕效果、隧道環(huán)片螺栓腐蝕、犧牲陽極系統(tǒng)腐蝕等常見問題,總結(jié)了防腐蝕失效的原因,并比較了目前管道腐蝕控制的技術(shù)方法,為今后盾構(gòu)穿越管道的腐蝕防護(hù)設(shè)計(jì)和運(yùn)營維護(hù)提供參考。

1 盾構(gòu)穿越管道的腐蝕防護(hù)現(xiàn)狀

管道A盾構(gòu)穿越工程,管徑為1 016 mm,穿越長度為2 200 m。運(yùn)行5 a后進(jìn)行檢測(cè)。管道直管段采用3LPE防腐蝕層;熱煨彎管采用雙層FBE加聚丙烯膠黏帶;管道補(bǔ)口采用黏彈體加聚丙烯膠黏帶。隧道內(nèi)管卡、管支墩、預(yù)埋螺栓、預(yù)埋鋼板等鋼結(jié)構(gòu),采用熱鍍鋅進(jìn)行防腐蝕處理,安裝完成后采用黏彈體對(duì)暴露的螺栓、鋼支座及預(yù)埋鋼板焊接部分進(jìn)行密封處理。管道建成后充水運(yùn)行,無單獨(dú)陰極保護(hù)系統(tǒng)。

管道B盾構(gòu)穿越工程,管徑為1 016 mm,穿越長度為2 800 m。運(yùn)行5 a后進(jìn)行檢測(cè)。管道直管段采用3LPE防腐蝕層;熱煨彎管采用雙層FBE涂層;管道補(bǔ)口采用黏彈體加聚丙烯膠黏帶。隧道內(nèi)管卡、管支墩等鋼結(jié)構(gòu),采用熱鍍鋅進(jìn)行防腐蝕處理,螺栓和螺母采用表面發(fā)藍(lán)處理。管道建成后充水運(yùn)行,無單獨(dú)陰極保護(hù)系統(tǒng)。

管道C盾構(gòu)穿越工程,管徑為1 219 mm,設(shè)計(jì)壓力為10 MPa,穿越長度為2 600 m。運(yùn)行6 a后進(jìn)行抽水檢測(cè)。管道直管段采用3LPE防腐蝕層;熱煨彎管采用雙層FBE涂層;管道補(bǔ)口采用黏彈體加聚丙烯膠黏帶。隧道內(nèi)管卡、管支墩、預(yù)埋螺栓、預(yù)埋鋼板等鋼結(jié)構(gòu),采用熱鍍鋅進(jìn)行防腐蝕處理。管道充水運(yùn)行,無獨(dú)立陰極保護(hù)系統(tǒng)。

管道D盾構(gòu)穿越工程,管徑為1 016 mm,穿越長度為518 m。2003年6月投產(chǎn),至今已水封近15 a。曾于2009年對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè),并完成了管道補(bǔ)口修復(fù),2018年5月再次對(duì)管道進(jìn)行檢測(cè)。管道直管段采用3LPE防腐蝕層;熱煨彎管采用雙層FBE加聚丙烯膠黏帶;管道補(bǔ)口采用熱收縮帶。管道充水運(yùn)行,無單獨(dú)陰極保護(hù)系統(tǒng)。

管道E盾構(gòu)穿越工程,管徑為813 mm,穿越長度為1 400 m。2004年投產(chǎn),盾構(gòu)隧道通過地下滲透水自然水封,2010年10月進(jìn)行抽水檢查。管道直管段采用雙層FBE防腐蝕層;補(bǔ)口采用熱收縮帶。

對(duì)5條盾構(gòu)穿越管道進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,調(diào)查情況及發(fā)現(xiàn)的主要問題如下:

1) 除管道E盾構(gòu)穿越工程外,其余管道主體防腐蝕層都是采用3LPE,運(yùn)行中防腐蝕效果良好。

2) 熱煨彎管基本都采用雙層FBE或再外纏聚丙烯帶,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)彎管防腐蝕層磕碰損傷較為嚴(yán)重,尤其是豎井內(nèi)彎管,部分防腐蝕層損傷后也沒有修補(bǔ),如圖1所示。

圖1 熱煨彎防腐蝕層的磕碰損傷Fig.1 Bump damage of corrosion resistant coating on hot bend

3) 管道D和管道E盾構(gòu)穿越工程最初都采用熱收縮帶進(jìn)行補(bǔ)口,檢查發(fā)現(xiàn)熱縮帶補(bǔ)口基本全部密封失效,如圖2所示。這說明在材料和施工無法保證質(zhì)量的情況下,熱收縮帶不適用于隧道內(nèi)管道補(bǔ)口。

圖2 熱收縮帶補(bǔ)口失效Fig.2 Failure of heat shrinkable tape field joint coating

4) 黏彈體加外纏帶的補(bǔ)口結(jié)構(gòu),總體來說防腐蝕效果不錯(cuò)。但是管道C盾構(gòu)工程的大部分黏彈體發(fā)生防腐蝕密封失效,如圖3所示,初步判斷是黏彈體質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。

圖3 不合格黏彈體導(dǎo)致的補(bǔ)口失效Fig.3 Failure of field joint coating caused by unqualified viscoelastic body

5) 部分隧道的管卡和螺栓采用犧牲陽極保護(hù),總體來說當(dāng)其完全浸泡在水中時(shí)腐蝕速率最慢,在潮濕空氣中與半浸泡時(shí)腐蝕速率最快。沒有進(jìn)行防腐蝕處理的管卡和管片螺栓,普遍存在腐蝕問題,個(gè)別腐蝕情況較為嚴(yán)重。

6) 部分隧道的螺栓采用了黏彈體進(jìn)行防腐蝕處理,防腐效果較好。

7) 隧道完全充水后,管道及鋼構(gòu)件所在水下環(huán)境穩(wěn)定,氧氣含量低,腐蝕速率慢,有利于管道、鋼結(jié)構(gòu)等防腐蝕。

2 盾構(gòu)穿越管道腐蝕控制策略

2.1 直管段

盾構(gòu)穿越直管段腐蝕控制主要使用陰極保護(hù)和防腐蝕層。一般情況下,盾構(gòu)穿越管道的陰極保護(hù)與常規(guī)淺埋管道共用一套陰極保護(hù)系統(tǒng),不單獨(dú)針對(duì)盾構(gòu)穿越管道設(shè)計(jì)陰極保護(hù)系統(tǒng)。

盾構(gòu)穿越管道的防腐蝕層主要有三種類型,不同防腐蝕層的優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)如表1所示。三種類型的防腐蝕層都可以作為埋地管道的防腐蝕層,對(duì)于盾構(gòu)穿越管道來說,為了保持涂層的一致性,盾構(gòu)穿越管道直管段一般使用與主體管道相同的加強(qiáng)級(jí)防腐蝕層。由于盾構(gòu)穿越管道與主體管道無絕緣接頭,并且建成后一般在隧道內(nèi)充水密封,因此不為盾構(gòu)穿越管道設(shè)計(jì)單獨(dú)陰極保護(hù)系統(tǒng)也較為合理。

表1 直管段防腐蝕層類型及優(yōu)缺點(diǎn)[16-17]Tab.1 Types of corrosion resistant coating and their advantages and disadvantages for straight pipe section

2.2 熱煨彎管

現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)豎井內(nèi)熱煨彎管防腐蝕層存在明顯破損缺陷、嚴(yán)重?fù)p傷點(diǎn)及多處點(diǎn)狀損傷漏點(diǎn),從防腐蝕層損傷部位、形狀、類型分析,損傷原因有以下四類:物料墮落損傷、附屬管類沖插損傷、管道受力變形位移損傷和人為因素?fù)p傷。對(duì)熱煨彎管防腐蝕層的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié),如表2所示。

表2 熱煨彎管防腐蝕層類型及優(yōu)缺點(diǎn)[18]Tab.2 Types of corrosion resistant coating and their advantages and disadvantages for hot bend

與其他類型防腐蝕層比,DPS防腐蝕層具有一定的抗沖擊能力,但實(shí)際使用中,仍會(huì)在運(yùn)輸、彎管對(duì)接組焊以及下溝回填過程中由于磕碰、拖拽等原因受到損壞。對(duì)于大口徑管道來說,防腐蝕層現(xiàn)場(chǎng)修補(bǔ)工程量大,如熱煨彎管僅使用FBE涂層還會(huì)遇到以下問題:雙層FBE屬于薄脆涂層,易磕碰損壞;FBE防腐蝕層與3LPE防腐蝕層不匹配,陰極保護(hù)電流不一致;防腐蝕層現(xiàn)場(chǎng)檢漏電壓不一致,3LPE為15 kV,FBE為5 V/μm,現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn)同一檢漏電壓導(dǎo)致FBE擊穿的情況,若不修補(bǔ)或者修補(bǔ)不合格,埋地后易出現(xiàn)鼓包、剝離等問題。總體來說,建議盾構(gòu)穿越管道熱煨彎管防腐蝕層使用FBE加聚烯烴膠黏帶外護(hù)。

2.3 管道補(bǔ)口

管道補(bǔ)口是埋地管道腐蝕控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)。現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),管道D和管道E盾構(gòu)穿越工程中均使用了熱收縮帶補(bǔ)口,運(yùn)行后它們基本全部密封失效。這與2009年延水關(guān)隧道和2010年紅花套隧道的檢查情況相符。GB/T 51241—2017《管道外防腐補(bǔ)口技術(shù)規(guī)范》規(guī)定:山嶺隧道段管道覆土方式敷設(shè)時(shí)補(bǔ)口可選用黏彈體防腐蝕膠帶加聚丙烯膠黏帶和黏彈體防腐蝕膠帶加壓敏膠型熱收縮材料;水域隧道穿越段管道補(bǔ)口可選用瑪蹄脂型聚乙烯熱收縮材料、壓敏膠型熱收縮材料、黏彈體膠帶加聚合物膠黏帶。中石油CDP文件《油氣管道線路防腐層技術(shù)規(guī)定》(CDP-G-OGP-AC-009-2013-1)規(guī)定:水域隧道穿越段管道補(bǔ)口材料可選用黏彈體防腐蝕帶加聚丙烯膠黏帶、壓敏膠型熱收縮帶。由此可見,在水域隧道內(nèi)不推薦采用熱收縮帶。因此,隧道內(nèi)管道補(bǔ)口最好采用黏彈體加壓敏膠型熱收縮帶,并且強(qiáng)調(diào)黏彈體長效性能至關(guān)重要。

2.4 管道鋼構(gòu)件

盾構(gòu)隧道內(nèi)的鋼構(gòu)件包括混凝土固定支墩、支架、管卡、固定螺栓等,腐蝕控制的主要目的是維持附屬金屬設(shè)施達(dá)到設(shè)計(jì)運(yùn)行年限。從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果來看,混凝土固定支墩狀態(tài)良好,可持續(xù)有效使用。管道E盾構(gòu)管卡與支撐墩有輕微腐蝕,螺栓主體表面腐蝕較重。對(duì)于管道固定螺栓,使用黏彈體能顯著提升其防腐蝕質(zhì)量,如果采用水封運(yùn)行,水中氧含量低,將阻止螺栓氧化反應(yīng),再加上犧牲陽極塊的正常運(yùn)行,可提高陰極保護(hù)效果并控制銹蝕速率。

管道固定支座犧牲陽極檢查時(shí),未發(fā)現(xiàn)有明顯的損耗,犧牲陽極對(duì)管道固定支座起到保護(hù)作用。采用犧牲陽極進(jìn)行保護(hù)的盾構(gòu)管道鋼構(gòu)件都是充水運(yùn)行,犧牲陽極與被保護(hù)體均處在水中,防腐蝕效果好。

隧道內(nèi)鋼構(gòu)件防腐蝕材料主要有黏彈體、自硫化液體橡膠和無溶劑液體環(huán)氧涂料,這三種材料的性能及優(yōu)缺點(diǎn)如表3所示。

表3 鋼構(gòu)件防腐蝕材料的優(yōu)缺點(diǎn)[19-20]Tab.3 Advantages and disadvantages of anti-corrosion materials for steel components

從現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查結(jié)果及表3防腐蝕材料的優(yōu)缺點(diǎn)給出盾構(gòu)穿越管道鋼構(gòu)件腐蝕控制設(shè)計(jì)建議:

1) 隧道內(nèi)螺栓采用黏彈體防護(hù)。自硫化橡膠需噴涂施工,對(duì)于螺栓等小構(gòu)件施工不方便。

2) 隧道內(nèi)管卡、預(yù)留軌道及鋼結(jié)構(gòu)采用無溶劑液態(tài)環(huán)氧涂料。隧道內(nèi)所有鋼結(jié)構(gòu)在隧道外進(jìn)行防腐蝕涂裝,對(duì)于在安裝過程中出現(xiàn)的涂層損傷、破損部位及焊接部位,在隧道內(nèi)直接采用無溶劑環(huán)氧涂料進(jìn)行修補(bǔ),并進(jìn)行防腐蝕層漏點(diǎn)檢測(cè),確保防腐蝕層無漏點(diǎn)。

3) 對(duì)于充水運(yùn)行的盾構(gòu)穿越管道鋼結(jié)構(gòu)，建議使用犧牲陽極進(jìn)行保護(hù)。

3 總結(jié)與建議

關(guān)于盾構(gòu)穿越管道的腐蝕與防護(hù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)不多,目前只有SY/T 7023—2014《油氣輸送管道工程水域盾構(gòu)法隧道穿越設(shè)計(jì)規(guī)范》提出了盾構(gòu)穿越管道相關(guān)的腐蝕與防護(hù)要求,但是這些要求并不全面,還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,完善標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容。

通過對(duì)盾構(gòu)穿越管道腐蝕與防護(hù)現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)研,并根據(jù)調(diào)研情況查閱了相關(guān)規(guī)范和文獻(xiàn),針對(duì)盾構(gòu)穿越管道的腐蝕控制應(yīng)做好以下幾點(diǎn):

1) 基于內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)分析盾構(gòu)穿越管道補(bǔ)口位置的腐蝕情況,及時(shí)修復(fù)補(bǔ)口失效。

2) 基于管道應(yīng)力變化及隧道內(nèi)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕情況,應(yīng)定期對(duì)盾構(gòu)隧道內(nèi)設(shè)施進(jìn)行全面檢查。

3) 由于盾構(gòu)穿越管道與干線管道共用陰極保護(hù)系統(tǒng),應(yīng)確保盾構(gòu)穿越管道兩側(cè)的極化電位達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

4) 新建盾構(gòu)穿越管道時(shí),應(yīng)重點(diǎn)考慮隧道內(nèi)管道補(bǔ)口、鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕防護(hù)問題,熱煨彎管防腐蝕設(shè)計(jì)應(yīng)考慮防磕碰。