无阴极保护燃气管道腐蚀危害的表征参量及规律
2024-08-15 17:42:21 作者:罗涛,高观玲,等 来源:腐蚀与防护 分享至:

 

 

随着我国城市建设的不断发展,城市燃气事业迅速发展,地下管网规模也随之扩大。燃气管道的不断建设发展给人们的生活带来了极大的便利,然而燃气是一种危险性很高的能源,一旦燃气管道发生泄漏将危害人民的生命和财产安全。

腐蚀是管道泄漏的重要影响因素,随着埋地燃气管网服役时间的延长及地下服役环境的日益复杂,腐蚀风险加大,每年因腐蚀导致的泄漏事件越来越多,在各类抢修事件中占比超过40%。由于中、低压管道防腐蚀层大多采用石油沥青,且没有阴极保护,更容易发生腐蚀泄漏。如何对无阴极保护的中、低压燃气管道的腐蚀风险进行有效检测和准确评估,已成为实际生产的迫切需求。

国内外埋地管道腐蚀评判的相关标准大多针对有阴极保护的管道,关于无阴极保护管道的腐蚀评判标准较少,且几个涉及无阴极保护管道腐蚀评判的标准,仅对少量参数如土壤电阻率、地电位梯度(杂散电流)等进行了规定,缺少无阴极保护管道腐蚀风险综合评判的标准。此外,这些标准的腐蚀评判指标存在较大差异。虽然有部分标准对无阴极保护管道的腐蚀风险做出评判,但究竟哪些参量能够对无阴极保护埋地燃气管道的腐蚀风险进行评判目前缺乏认识和研究。

国内外学者针对管道腐蚀风险及完整性管理做了相关研究,欧美许多国家制定了完善的规范标准并开发了管道风险评估软件,也有学者运用机器学习的方法构建腐蚀风险评价模型。尽管有很多学者对管道的腐蚀风险进行预测,但是并没有基于现场腐蚀试验的数据。

为此,北京市燃气集团有限责任公司的技术人员通过对管道腐蚀泄漏数据及现场腐蚀检查片的相关情况进行分析,探究了无阴极保护埋地管道腐蚀速率的影响参量。

 

 

 

中、低压管网外腐蚀泄漏位置的管地电位分布情况

 

 

 

收集整理了某燃气公司在2016~2020年间,中、低压燃气管道腐蚀泄漏的情况,期间共发生639起腐蚀泄漏事件。

分析了泄漏位置的管地电位分布情况,统计发现在这639起事件中,管地电位正于-0.70 V(相对于铜/饱和硫酸铜参比电极,CSE)的占比95%,通电电位正于-0.60 V的占比93.3%,通电电位正于-0.55 V的占比86.1%,通电电位正于-0.50 V的占比72.3%。

总体来说,管地电位为-0.50~-0.45 V的占比最高(32.9%),-0.45~-0.40 V的占比20%。统计结果表明,管地电位与腐蚀泄漏有一定的相关性,管地电位越正说明该位置发生电流流出导致阳极极化的概率越大。

 

 

 

现场腐蚀检查片的情况

 

 

 

由于缺乏关于无阴极保护埋地燃气管道腐蚀风险评判的标准,为了找到适用于无阴极保护下燃气管道腐蚀危害的评判参量,开展了现场腐蚀检查片埋设试验。

在实际服役的无阴极保护埋地燃气管道现场埋设了腐蚀检查片,如图1所示,腐蚀检查片与埋地燃气管道材质相同,通过导线与燃气管道电连接,用于模拟燃气管道上的防腐蚀层破损点;利用腐蚀检查片测试腐蚀速率;在检查片与管道之间安装数据记录仪UDL-2,以测试检查片对地通电电位、直流电流密度及断电电位之差等参数。

图1 现场腐蚀检查片的测试示意

检查片的埋设应保证与埋地燃气管道处于同一深度,且尽可能处于相同的环境,但由于检查片材质比较新,而管道服役时间较长,在埋设初期,管道的自腐蚀电位约为-0.5 V,检查片的自腐蚀电位约为-0.7 V。

在埋设初期二者的自腐蚀电位存在电位差且表面状态不同,一段时间后,由于流出电流的作用,检查片表面发生腐蚀,二者的自腐蚀电位逐步趋于相同,此时二者表面状态近乎相同。

检查片的腐蚀包含由于管道与检查片的电偶作用产生的腐蚀,但当检查片的埋设时间超过6个月后,由管道与检查片的电偶作用产生的腐蚀可以忽略。

现场测试结果

腐蚀检查片在实际环境中埋设6个月后,对其直流电位和电流进行了24小时监测。如图2所示,无阴保埋地管道的电流及电位情况主要有两种。

图2 现场腐蚀检查片的电位、电流监测结果

第一种如1号检查片所示,通电电位正于断电电位,电流方向为流出,流出电流密度约为0.95 A/m2,电位和电流波动很小,此时管道受到稳态直流杂散电流的干扰严重。

第二种如2号检查片所示,通电电位与断电电位的差很小,电流密度接近0,管道中几乎没有杂散电流的干扰,此时管道处于自腐蚀状态。

开挖取出埋设约6个月的检查片,采用物理清理和化学清洗对其进行处理。物理清理主要是将检查片表面沉积的泥土和沙子清除。检查片在水中浸泡约10分钟,用毛刷清除表面土壤覆盖层,观察表面腐蚀产物颜色。

化学酸洗法是将拍照后的试样放入酸洗液(500 mL盐酸,3.5 g六次甲基四胺,加蒸馏水配制成1000 mL溶液)中酸洗,以清除表面腐蚀锈层,最后计算检查片的腐蚀速率。

各参数与腐蚀速率的相关性

根据现场测得的管道各项参数,分析其与检查片腐蚀速率的相关性,并用皮尔逊系数表征。

结果如图3所示,得到各参数与腐蚀速率的相关系数(皮尔逊系数)分别为:通电电位0.41,电流密度0.95,通断电电位差0.56,垂直地电位梯度0.06,土壤电阻率0.03。可见电流密度与腐蚀速率的相关性最好,皮尔逊系数为0.95。各项参数与检查片腐蚀速率的相关性由高到低依次为:电流密度、通断电电位差、通电电位、垂直地电位梯度、土壤电阻率。

图3 各参数与检查片腐蚀速率的相关性

对管道有腐蚀危害的参量

由以上相关性结果可见,电流密度与腐蚀速率的相关性更好,其次是通断电电位差,这说明用检查片的流出电流密度对腐蚀速率进行预测的效果最好。因此若现场埋设腐蚀检查片,可直接采用检查片的流出电流密度对管道的腐蚀速率进行预测;若未埋设腐蚀检查片,推荐在有条件的位置安装腐蚀检查片。

目前,大多数中、低压埋地燃气管道并未安装腐蚀检查片,无法测试管道的流出电流和通断电电位差,仅能获得通电电位、土壤电阻率、垂直地电位梯度等参数。在这三项指标中,通电电位与腐蚀速率的相关性最好,结合腐蚀泄漏管地电位统计数据及腐蚀检查片通电电位数据分析通电电位评判范围。对于没有埋设腐蚀检查片的管道,目前先选取通电电位作为评判指标,对其他参数进行相关数据的积累,以探究综合评判指标,提升相关性和指标评判的准确性。

对于没有埋设检查片的管道,选取通电电位对管道的腐蚀风险进行评判,当通电电位<-0.6 V时,判定管道腐蚀风险为低风险;当通电电位为-0.5~-0.6 V时,判定管道腐蚀风险为中风险;当通电电位>-0.5 V时,判定管道腐蚀风险为高风险。


结论


 

1

分析某燃气公司2016~2020年间的管道泄漏数据发现,管地电位正于-0.6 V的泄漏点分布密度较大,管地电位与腐蚀泄漏有一定的相关性,管地电位越正说明该位置发生电流流出导致阳极极化的概率越大。

 

2

电流密度与管道腐蚀速率的相关性最好,皮尔逊系数高达0.95,各项参数与腐蚀速率的相关性从大到小排序为:电流密度、通断电电位差、通电电位、垂直地电位梯度、土壤电阻率。

 

3

建议在有条件的位置埋设腐蚀检查片,用其电流密度数据对管道的腐蚀风险进行评估。

 

4

在没有检查片的条件下,采用管地电位指标对管道的腐蚀风险进行评判:当通电电位<-0.6 V时,判定管道腐蚀风险为低风险;当通电电位为-0.5~-0.6 V时,判定管道腐蚀风险为中风险;当通电电位>-0.5 V时,判定管道腐蚀风险为高风险。但是采用单项指标的管道风险评判结果仍存在较大误差,综合指标评判方法有待进一步的探索研究。

 

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