試片面積對(duì)破損涂層下埋地管道直流干擾程度評(píng)價(jià)結(jié)果的影響

王萌萌,彭云超,劉大偉, 閆茂成,高博文, 范衛(wèi)華

(1.國(guó)家管網(wǎng)東部原油儲(chǔ)運(yùn)有限公司,徐州 221008;2.華東管道設(shè)計(jì)研究院有限公司,徐州 221008;3.中國(guó)科學(xué)院金屬研究所,沈陽 110016)

近年來,我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展,大量的城際高速鐵路、城市軌道交通、特高壓電力樞紐、風(fēng)電和光伏發(fā)電場(chǎng)等基礎(chǔ)設(shè)施建成并投入運(yùn)行,這些基礎(chǔ)設(shè)施常與埋地油氣管道交叉、平行敷設(shè),油氣管道雜散電流干擾問題越來越普遍,由此引發(fā)的管體腐蝕及運(yùn)行安全問題日益突出[1-2]。進(jìn)入管道的雜散電流從防腐蝕層破損點(diǎn)處流出,管體局部腐蝕速率極大,數(shù)月即會(huì)發(fā)生穿孔,雜散電流干擾已成為管道腐蝕泄漏事故的主要原因,對(duì)管道運(yùn)行安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅[3-4]。

埋設(shè)試片方法是評(píng)估管道雜散電流干擾程度和陰極保護(hù)有效性的最直接、最有效的方法[5],但在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)試片面積對(duì)測(cè)試結(jié)果有很大影響[6]。一般認(rèn)為,試片應(yīng)模擬管道上有代表性的防腐蝕層破損點(diǎn)。試片面積過小,其與土壤接觸電阻過大,無法表示涂層破損點(diǎn)的實(shí)際狀況;試片面積過大,則可導(dǎo)致結(jié)果失真,無法反映管道實(shí)際的陰極保護(hù)狀態(tài)[7]。試片的陰極保護(hù)電位只表示小于試片面積的防腐蝕層破損點(diǎn)滿足保護(hù)要求,不能說明大于試片面積的防腐蝕層破損點(diǎn)的保護(hù)是否充分[8-9]。

對(duì)試片面積的選取和影響,學(xué)者們做了一些研究。國(guó)際管道研究協(xié)會(huì)(PRCI)的研究結(jié)果表明,當(dāng)試片面積為9～50 cm2時(shí),其對(duì)斷電電位影響不大。GB/T 21246-2020《埋地鋼制管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法》標(biāo)準(zhǔn)中要求采用探頭或者試片對(duì)干擾程度進(jìn)行評(píng)價(jià),推薦試片面積為1～100 cm2。還有研究指出,與涂層質(zhì)量較好的管道相比,對(duì)于涂層質(zhì)量欠佳或裸鋼管道,應(yīng)考慮使用較大面積的試片。

綜上所述,試片面積對(duì)測(cè)試結(jié)果影響很大,有必要針對(duì)試片面積的影響開展研究。筆者采用試片模擬管道防腐蝕層破損點(diǎn),針對(duì)面積較小的防腐蝕層破損點(diǎn)開展試驗(yàn),研究了直流雜散電流干擾下不同面積試片的極化規(guī)律和腐蝕行為,分析了試片面積與腐蝕電流密度、腐蝕速率之間的關(guān)系,以期為采用試片評(píng)價(jià)管道雜散電流干擾程度提供理論依據(jù)和工程參考。

1 直流干擾管道現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查

2019年下半年至2020年,儲(chǔ)運(yùn)公司管道雜散電流普查結(jié)果顯示,魯寧線、甬滬寧線、東黃復(fù)線、曹津線等多條管線存在直流干擾。以某受干擾管線為例,在線內(nèi)檢測(cè)(ILI)結(jié)果顯示管道壁厚損失,對(duì)部分腐蝕點(diǎn)位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)開挖驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)管道外側(cè)腐蝕缺陷在5～7點(diǎn)位置,清除表面附著物后,發(fā)現(xiàn)大部分腐蝕缺陷接近圓形,直徑一般為1～10 mm,圖1所示的腐蝕缺陷面積分別約為0.07 ,0.2 ,1.76 cm2。多個(gè)直流干擾管段開挖結(jié)果表明,大部分深度超過管壁厚度50%的腐蝕缺陷面積均小于1.5 cm2,且呈面積越小、腐蝕坑越深的趨勢(shì)。

圖1 某管線受雜散電流影響的腐蝕形貌

為進(jìn)一步研究雜散電流干擾情況,對(duì)該管道進(jìn)行全面普查,發(fā)現(xiàn)管道受直流雜散電流干擾明顯。其中約120 km管道疑似受到高壓直流干擾,40 km管道疑似受到地鐵直流干擾。根據(jù)GB 50991-2014《埋地鋼質(zhì)管道直流干擾防護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》,針對(duì)地鐵干擾段,選取腐蝕缺陷較多、周圍環(huán)境較為復(fù)雜的管段進(jìn)行24 h電位測(cè)試,結(jié)果如圖2所示。白天斷電電位明顯正于-0.8 V,管段處于欠保護(hù)狀態(tài),夜間斷電電位恢復(fù)正常,管段受到典型的地鐵直流干擾[10]。腐蝕點(diǎn)位置現(xiàn)場(chǎng)開挖結(jié)果顯示,部分管段腐蝕深度超過其壁厚的50%,如圖3所示,嚴(yán)重影響了管道的安全運(yùn)行。

圖2 管段某測(cè)試點(diǎn)24 h電位測(cè)試結(jié)果

圖3 東部?jī)?chǔ)運(yùn)公司某管道受干擾狀況匯總

2 試驗(yàn)方法

選用不同面積的X65管材圓形試片模擬管道不同面積防腐蝕層破損點(diǎn)。將試片放入專用模具中封裝,其正面為裸露的鋼材,背面采用環(huán)氧樹脂將導(dǎo)線與模具連接。模擬防腐蝕層破損點(diǎn)面積分別為0.03,0.3,1.0,6.5 cm2。根據(jù)ISO 9223-2012CorrosionofMetalsAndAlloys-CorrosivityofAtmospheres-Classification,DeterminationAndEstimation,試驗(yàn)前采用砂紙將試片工作面逐級(jí)打磨至1000號(hào),分別使用去離子水和無水乙醇清洗、冷風(fēng)吹干后,置于干燥器中備用。

試驗(yàn)介質(zhì)采用開挖現(xiàn)場(chǎng)取回的土壤,自然風(fēng)干,經(jīng)過機(jī)械研磨后過1 mm分析篩,用去離子水調(diào)節(jié)含水量為20%后備用,實(shí)驗(yàn)室測(cè)試該土壤的平均電阻率為23 Ω·m。將水和土壤充分混合后,放入實(shí)驗(yàn)箱中,實(shí)驗(yàn)箱尺寸為150 mm × 150 mm。封裝完成的試片、硫酸銅參比電極、鉑電極構(gòu)成三電極體系(其中試片、鉑電極構(gòu)成電流回路,硫酸銅電極作為參比電極),將其埋入土壤靜置2 h。

試驗(yàn)1:直流干擾電壓范圍為-0.5～15 V,直流干擾電壓通過電化學(xué)工作站施加,記錄不同條件下試片的陽極電流密度。

試驗(yàn)2:改變?cè)嚻娣e模擬防腐蝕層破損點(diǎn),分別對(duì)試片施加-0.2,1.0,15 V干擾電壓,進(jìn)行96 h直流干擾測(cè)試,采用uDL2型數(shù)據(jù)記錄儀采集試片受干擾下的陽極電流密度。試驗(yàn)結(jié)束后,觀察試片表面的腐蝕形貌;使用除銹液(由500 mL HCl、500 mL去離子水和20 g六次甲基四胺配制而成)對(duì)試片進(jìn)行除銹,并依次用去離子水和無水乙醇清洗后吹干,觀察基體的腐蝕形貌;根據(jù)GB/T 24513.3-2012《金屬和合金的腐蝕 室內(nèi)大氣低腐蝕性分類 第3部分:影響室內(nèi)大氣腐蝕性的環(huán)境參數(shù)測(cè)定》,使用失重法計(jì)算腐蝕速率,如式(1)所示。

(1)

式中:V為試片的腐蝕速率,mm·a-1;ΔW0為試片腐蝕前后的質(zhì)量損失,g;S為試片面積,m2;ρ為材料密度,g·cm-3;t為腐蝕時(shí)間,a。

3 結(jié)果與討論

3.1 直流干擾下不同面積試片的極化規(guī)律

由圖4可見,隨著干擾電壓的升高,陽極電流密度逐漸增大,且各面積試片的陽極電流密度均呈現(xiàn)相同的規(guī)律。例如,當(dāng)試片面積為0.3 cm2時(shí),在-0.5,1.0,15 V干擾電壓下試片的陽極電流密度分別為0.3,4.7,48.1 A·m-2。

圖4 在-0.5～15V直流電壓干擾下不同面積試片的陽極電流密度變化

由圖5可見:陽極電流密度隨干擾電壓的增大而顯著增加;當(dāng)干擾電壓低于2 V時(shí),試片電流密度呈指數(shù)型增大;當(dāng)干擾電壓高于2 V時(shí),電流密度增速減緩。在相同干擾電壓下,試片的電流密度隨試片面積的增大而明顯減小。以干擾電壓5 V時(shí)為例,面積為0.03,0.3,1.0,6.5 cm2的試片,其陽極電流密度分別為115,18,9,3 A·m-2。面積最小的試片,其陽極電流密度最大,0.03 cm2試片的電流密度是6.5 cm2試片的38倍。

圖5 施加干擾電壓與陽極電流密度關(guān)系

由圖6可見,陽極電流密度與干擾電壓呈正相關(guān),與試片面積呈負(fù)相關(guān)。對(duì)于相同面積試片,干擾電壓越大,陽極電流密度越大;同一干擾電壓下,試片面積越小,陽極電流密度(腐蝕速率)越大。

圖6 在-0.5～15 V干擾電壓下試片的陽極電流密度與試片面積的關(guān)系

3.2 不同面積試片的直流干擾腐蝕行為

3.2.1 陽極電流密度

由圖7(a)可見:在-0.2 V干擾電壓下,試片的陽極電流密度與試片面積呈負(fù)相關(guān),即試片面積越大,陽極電流密度越小,0.3 cm2試片的腐蝕電流密度最大;隨時(shí)間的延長(zhǎng),陽極電流密度逐漸增加,其中0.3 cm2試片的腐蝕電流密度增速較快,6.5 cm2試片的電流密度增速較為緩慢。

圖7 在-0.2,1.0,15 V直流干擾電壓下試片的陽極電流密度隨時(shí)間的變化

由圖7(b)可見:在1.0 V干擾電壓下,試驗(yàn)前期試片的電流密度與試片面積呈負(fù)相關(guān),即試片面積越小,陽極電流密度越大,其中0.3 cm2試片的腐蝕電流密度最大;在約30 h后,0.3 cm2試片的電流密度出現(xiàn)波動(dòng)并降低。該情況可能是兩種因素導(dǎo)致的[11-12]:(1)較高的電流密度在土壤中出現(xiàn)熱效應(yīng),加快水分蒸發(fā),導(dǎo)致土壤含水率降低,從而使周圍土壤電阻率升高,電流密度急速下降;(2)0.3 cm2試片表面更易于覆蓋較為嚴(yán)密的腐蝕產(chǎn)物,阻止表面電流的正常流出。

由圖7(c)可見:在15 V干擾電壓下,0.3 cm2試片的電流密度仍最大;0.3 cm2和1 cm2試片的電流密度的波動(dòng)趨勢(shì)一致;6.5 cm2試片的陽極電流密度較穩(wěn)定,沒有較大波動(dòng)。0.3 cm2和1 cm2試片的電流密度波動(dòng)可能是試驗(yàn)過程中試片周圍土壤環(huán)境變化引起的。試驗(yàn)過程中土壤溫度升高,試片表面土壤出現(xiàn)干燥結(jié)塊現(xiàn)象,土壤含水率急劇降低,電阻率急劇增大[13]。此外,試片表面腐蝕產(chǎn)物膜的形成與破裂也可能是電流密度劇烈波動(dòng)的原因之一。圖7再次表明,在不同干擾電壓下,試片面積越小,電流密度越大[14]。

3.2.2 腐蝕形貌

在-0.2 V直流干擾電壓下,試片表面有少量的腐蝕產(chǎn)物,去除產(chǎn)物后表面有輕微腐蝕痕跡。由表1可見:在1 V直流干擾電壓下,試片表面腐蝕產(chǎn)物都較為明顯,腐蝕產(chǎn)物呈紅褐色,主要為Fe3O4、Fe2O3[15];去除腐蝕產(chǎn)物后,0.3 cm2試片表面出現(xiàn)麻點(diǎn)狀局部腐蝕形貌,這與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果一致[16-17];而6.5 cm2試片表面腐蝕程度較輕。由表2可見,在15 V干擾電壓下,試片表面紅褐色腐蝕產(chǎn)物明顯增多;去除腐蝕產(chǎn)物后,0.3 cm2試片表面出現(xiàn)圓形腐蝕坑,1 cm2試片表面的腐蝕坑較為明顯,6.5 cm2試片表面較為平整。

表2 在15 V電壓下經(jīng)96 h直流干擾測(cè)試后試片的腐蝕形貌

綜上所述可知,直流干擾電壓越大,腐蝕產(chǎn)物越多,試片腐蝕越嚴(yán)重。當(dāng)干擾電壓較大時(shí),腐蝕產(chǎn)物呈紅褐色,多孔,質(zhì)地較為疏松。在不同干擾電壓下,6.5 cm2試片均呈均勻腐蝕形貌,0.3 cm2和1 cm2試片表面出現(xiàn)了局部腐蝕形貌,尤其是在15 V直流干擾下,試片出現(xiàn)圓形腐蝕坑。

3.2.3 腐蝕速率

由圖8可見,試片的腐蝕速率受試片面積影響顯著;在相同干擾電壓下,試片的腐蝕速率隨試片面積的增加而減小;當(dāng)試片面積相同時(shí),腐蝕速率隨干擾電壓的增大而增大。總體而言,直流干擾電壓與腐蝕速率呈正相關(guān),試片面積與腐蝕速率呈負(fù)相關(guān),這與文獻(xiàn)報(bào)道的結(jié)果相吻合[18]。

圖8 在不同電壓下經(jīng)96 h直流干擾測(cè)試后不同面積試片的腐蝕速率比較

當(dāng)干擾電壓為-0.2 V時(shí),1 cm2試片的腐蝕速率(7.132 mm·a-1)是6.5 cm2試片的(1.517 mm·a-1)4.70倍;當(dāng)干擾電壓為1 V時(shí),1 cm2試片的腐蝕速率(12.22 mm·a-1)是6.5 cm2試片的(4.742 mm·a-1)2.58倍;當(dāng)干擾電壓為15 V時(shí),1 cm2和6.5 cm2試片的腐蝕速率分別為23.86 mm·a-1和15.91 mm·a-1,兩者相差1.50倍。

4 結(jié)論

(1) 陽極電流密度與干擾電壓呈正相關(guān),與試片面積呈負(fù)相關(guān)。在相同干擾電壓平下,試片的電流密度和腐蝕速率均隨破損面積的減小而增大,1 cm2試片的腐蝕速率是6.5 cm2試片的4.70倍。當(dāng)試片面積相同時(shí),其腐蝕速率隨干擾電壓的升高而增大。

(2) 在評(píng)估管道局部腐蝕速率風(fēng)險(xiǎn)時(shí),對(duì)于受到明顯直流雜散電流干擾的管段,推薦使用1～6.5 cm2試片進(jìn)行腐蝕速率評(píng)估,可使用1 cm2試片進(jìn)行點(diǎn)蝕評(píng)價(jià),使用6.5 cm2試片進(jìn)行均勻腐蝕評(píng)價(jià)。為嚴(yán)格控制腐蝕風(fēng)險(xiǎn),準(zhǔn)確預(yù)測(cè)局部腐蝕速率,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖情況,推薦使用面積較小且接近實(shí)際涂層破損點(diǎn)面積的試片進(jìn)行腐蝕程度評(píng)估。

(3) 為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)雜散電流腐蝕風(fēng)險(xiǎn),宜根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)破損點(diǎn)面積定制腐蝕速率監(jiān)測(cè)設(shè)備,用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道的腐蝕速率。