【行业动态】浅谈地下长城-埋地重要管道的腐蚀防护

前言

我们美好的现代生活与埋在地下的各种管网息息相关，尽管它们常常被人们忽视，但不可置疑的是它们提供我们生活所必须的天然气、油、水等基础物质，所以在国家建设过程中，常常能见到在城市、乡间和荒野有各种管道的挖埋施工，图1。全国性代表工程有西气东输一期和二期高压长输天然气管线、中国-周边国家的高压长输油气管线，地方性代表工程如各大城市周边的高压天然气管网和大型输水管网。

管道多种多样，有金属的也有塑料的，但最重要的（如大尺寸、高压管线）、数量最多的管道通常都是钢制造的。众所周知，钢在土壤环境中不可避免要发生腐蚀，如果发生腐蚀导致的气、油、水等物质泄漏，就可能危及人身和财产安全。腐蚀防护就是为埋地重要管线的安全可靠性提供保障，犹如地下万里长城，保卫者我们的现代生活。本文浅谈埋地重要钢管的土壤腐蚀防护技术（两道屏障）和它面临的挑战。

图1. 美好的现代生活与埋地管网的建设和运行息息相关

外防护涂层是防止土壤腐蚀的第一道屏障

外防护涂层是埋地钢管第一道也是最重要的屏障，主要是有机涂层和金属涂层（或说镀层）两大类。迄今为止以有机涂层的应用最普遍，它又可分为环氧树脂、改性酚醛环氧、沥青、煤焦油等各种涂层。

美国腐蚀工程师协会标准NACE Standard RP0169-96《Standard Recommended Practice Control of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems》（埋地或水下金属管线系统的外部腐蚀控制）要求管道外防护涂层应具有以下主要性能：

有效的电绝缘性和隔水屏障性；涂敷于管道的方法不会对管道性能产生不利影响；涂敷于管道上的涂层缺陷最少，与管道表面有良好的附着力；能防止针孔随时间发展，能抵抗装卸、储存和安装时的损伤；能有效地保持绝缘电阻随时间恒定不变；抗剥离性能好，抗化学介质破坏能力强，补伤容易；物理性能保持能力强，对环境无毒；在地面储存和长距离运输过程中不发生变化和降解。可归纳成电性能、机械性能、老化性能（化学性能）和经济性4个方面。

人们普遍认为不存在最佳覆盖层问题，应根据具体情况，如管道的状况、环境条件、施工方式、气候因素和经济条件来选择经济合理的覆盖层。

早期的管道外防护涂层主要是沥青型，上世纪30年代已得到很普及应用，以美国为代表的西方国家主要采用煤焦油沥青，而前苏联和德国等多采用石油沥青。60年代北美开发了环氧树脂涂层并不断改进，熔结环氧粉末涂层（Fusion bonded epoxy即FBE）技术在70 年代后期得到广泛使用。欧洲从1965年就开始使用挤压聚乙烯两层结构涂层，挤压聚乙烯是欧洲最受欢迎的埋地管道外防护涂层。由于熔结环氧和挤压聚乙烯两层结构各有长短，80 年代中期推出了挤压聚烯烃三层结构涂层，该结构包括3PE（熔结环氧、胶粘剂、挤塑聚乙烯三层结构）和3PP（熔结环氧、胶粘剂、挤塑聚丙烯三层结构）。目前熔结环氧粉末涂层和3PE是用于重要管线最常用的涂层，图2给出这两种涂层的工艺流程及笔者参观相关工厂拍摄的实况照片。

图2. 熔结环氧粉末涂层和3PE涂层的工艺流程及工厂实况照片

下面以笔者亲身经历的青草沙引水工程管线为例做进一步介绍，工程是上海刚完成不久的重点工程之一，它包括青草沙水库工程及取水泵闸工程、长江原水过江管工程、陆域输水管线及增压泵站工程三大主体工程，全市市民饮用水水质得到普遍改善。其输水管线采用直径大于2米，壁厚18~34毫米的钢质管道，铺设按照长距离顶管的施工方法进行，工程难度大，设计寿命要求高，它的外防护涂层选用高性能熔结环氧粉末涂层，现场环向对接焊缝焊后涂层补口采用无溶剂液体环氧涂料，上海材料研究所负责了该工程涂层性能检测，这是确保涂层工程质量的关键环节。检测项目分两部分，第一部分是检测环氧粉末原料，有外观、不挥发物含量、粒径分布（2项）、固化时间、胶化时间、磁性物含量、密度检测共8项。第二部分是检测在钢管上制成的熔结环氧粉末涂层，有12项：外观、抗冲击性（-30℃）、抗弯曲性（3°，-30℃）、耐磨性（落砂法）、附着力（撬剥法）、粘结强度、阴极剥离（2天）、断面孔隙率、界面孔隙率、耐化学性能（15d,60℃，蒸馏水和或3.5％NaCl）、电气强度和体积电阻率。

阴极保护是防土壤腐蚀的第二道屏障

涂层不可能绝对完美无缺，在制造过程、施工过程和长期使用中都可能发生各种各样的破损，导致钢管与土壤环境接触而发生腐蚀。因此有必要建立防土壤腐蚀的第二道屏障，这就是阴极保护，其基本原理是对被保护的金属表面施加一定的直流电流，使其产生阴极极化，当金属的电位负于某一电位值时，腐蚀的阳极溶解过程就会得到有效抑制。国际标准ISO 15589-1规定了该电位是-850mV或更负（相对饱和硫酸铜参比电极CSE，当存在硫酸盐还原菌的环境，被保护结构物的电位负移至-950mV（CSE）或更负，但为了防止涂层的损伤，电位应该不负于 -1200 mV（CSE），以避免氢产生和/或金属表面高pH的有害效应。

根据提供阴极电流的方式不同，阴极保护又分为牺牲阳极法和外加电流法两种，如图3，前者是将一种电位更负的金属（如镁、铝、锌等）与被保护的金属结构物电性连接，通过电负性金属或合金的不断溶解消耗，向被保护物提供保护电流，使金属结构物获得保护。后者是将外部交流电转变成低压直流电，通过辅助阳极将保护电流传递给被保护的金属结构物，从而使腐蚀得到抑制。不论是牺牲阳极法还是外加电流法，其有效合理的设计应用都可以获得良好的保护效果。

图3. 两种阴极保护方法示意图分

重要挑战

上述两道防土壤腐蚀的屏障为管网的迅速发展起到了保驾护航的作用，然而国内外长期建设和运行管线的经验表明，目前埋地重要钢管的结构完整性或说安全可靠性还存在一些挑战，如应力腐蚀破裂、杂散电流干扰、管道老化、细菌腐蚀、高压线交流干扰等问题，下面简介前面两项引人关注的重要挑战：

1. 应力腐蚀破裂：

即钢管在应力和土壤环境交互作用下发生裂纹萌生和扩展，可分为高pH和近中性pH应力腐蚀破裂两大类。世界上报道的第一例长输管线应力腐蚀破裂失效发生于1965年3月，美国路易斯安那州的输气管线由于破裂而泄露，引起大火。调查发现，其破坏形态为管道外壁沿晶型应力腐蚀破裂（又称高pH应力腐蚀破裂），此后在加拿大、澳大利亚、巴基斯坦、前苏联和伊朗等国家都报道了这类应力腐蚀破裂的案例。1985年，在加拿大TransCanada PipeLines Ltd's（TCPL）公司管道的聚乙烯带剥离涂层下首次发现了穿晶型应力腐蚀破裂失效，该破裂事故直到最近仍然不时发生，如图4。因这种开裂在近中性（pH为6～8）、含CO2的稀电解液中形成，故称为近中性pH应力腐蚀破裂。其它管线公司，如加拿大NOVA集团，也在其管线上发现了近中性pH 应力腐蚀破裂，其它国家如澳大利亚、伊朗、伊拉克及沙特等也都曾发生过该种类型的应力腐蚀破裂。

我国还没有关于管线发生应力腐蚀破裂失效的报道，但不代表没发生过，有的事故不一定进行了足够的失效分析。未雨绸缪，上海材料研究所根据形势需要，对国际上天然气高压长输管线涉及土壤应力腐蚀破裂的运行经验和相关研究进行了广泛和深入的调研，发表了一系列综述型论文；针对我国特别是上海管网做了一系列实验研究，对关键因素、破裂机理和风险预测做了探讨，发表了一系列实验研究型论文。

图4 加拿大长输管线发生破裂泄漏爆炸事故现场及近中性pH应力腐蚀裂纹形貌

2.杂散电流腐蚀：

其原理是附近的轨道交通等设施使得土壤中存在电流，该电流从管道的某一部位进入管道，沿管道流动的一段距离后，又从管道流入土壤，在电流流出部位的管道发生显著腐蚀，如图5所示。近年来由于轨道交通的快速发展，这个问题变得突出起来，解决问题的关键是相关方严格按照国内外研究成果和国家制定的技术规程执行排流等防腐蚀措施，另外还需要更深入细致的研究，以使科学理解更加透彻、工程应对方法更加高效。