埋地管道外防腐层性能评价准则综述

崔艳雨，张曼曼，刘远征，揭泽鹏

(中国民航大学 机场学院，天津 300300)

埋地钢质管道是油气输送的重要工具，因其重要性其安全性防护和检查、检测也备受关注。而埋地管道腐蚀问题一直是影响整个油气运输系统的主要问题［1］。目前，国内外普遍采用防腐层与阴极保护相结合的方式对埋地油气管道进行外腐蚀控制。防腐层性能评价，就是准确的检测并判断管道的腐蚀现状、腐蚀发生的部位及其发展趋势，是有效预防、控制管道腐蚀事故的关键环节和前提条件。本文概述分析了防腐层分级评价方法和外腐蚀层直接评价方法，详述了防腐层性能评价准则，为了解防腐层质量状况提供了选择依据。

1 埋地输油管道外防腐层评价

随着管道建设的大力发展，管道的安全问题越来越受到重视，而管道腐蚀是管道安全运行的一重大隐患，尤其是管道的外腐蚀问题。

在钢制管道及储罐腐蚀评价标准-埋地钢质管道外腐蚀直接评价SY/T 0087.1—2006 中，对管道外腐蚀直接评价ECDA 进行了详细描述，ECDA 评价包括预评价、间接检测与评价、直接检测与评价和后评价4 个步骤［2］，间接检测方法用于对外防腐层质量和阴极保护效果的检测［3］。长输管道外防腐层检测方法有交流电位梯度法ACVG、直流电位梯度法DCVG、密间隔电位法CIPS、电流-电位法、交流电流衰减法ACCA、变频-选频法等，现普遍采用多种检测方法的结合，如DCVG 和CIPS 的结合，PCM结合ACVG 的A 字架检测方法等［4］，对于采用阴极保护的管道，检测时可以采用直流电位梯度法-密间隔电位法和变频-选频法相结合［5］。对于油气田酸性气体输气管道，检测方法有瞬变电磁法(TEM)、磁记忆检测法(MMT)、超声导波技术等［6］。

管道外防腐层质量状况评价就是根据以上各检测方法结合相应的评价准则，对管道外防腐层的性能进行优良分级。SYT 5918—2004 规定:可通过电流-电位法或者变频-选频法，针对石油沥青防腐层测其防腐层电阻率，对石油沥青防腐层进行绝缘性能、老化程度及表现、采取措施定量分级评价［7］;规范SY/T 0087.1—2006 中的直接检测与评价根据管道防腐层外观把防腐层状况分为优中差3 级［2］;埋地钢质管道腐蚀防护工程检验GB/T 19285—2014分别根据防腐层电阻率、电流衰减率Y 值、外防腐层破损点密度P 值3 种评价准则对3LPE、硬质聚氨酯泡沫防腐保温层和沥青防腐层的性能进行了定量分级评价［8］。

NACETM 0102—2002［9］提出利用导电测量法对管道防腐层进行检验评价，该标准将外防腐层性能质量分为4 级。NACESP 0502—2010［10］则提出应按每种不同的间接检测方法，分别对防腐层质量状况进行分级，均分为3 级，并提出了具体的操作程序与步骤。在任何一种分级评价中，评价准则都是必不可少的关键因素。下面就埋地钢质管道外防腐层性能评价的各种评价准则作如下详述。

2 防腐层性能评价准则

2.1 涂层横向电阻法

对施加阴极保护的长输埋地钢质管道，Uhlig H H 给出了沿阴极保护管线的电位分布计算公式［11］:

式中 x——距已知通电点的距离，m;

a——两个通电点之间距离，m;

α——电位衰减系数;

EA——已知通电点的电位，V;

EB——两通电点中点位置的电位，V。

管道电位分布衰减趋势可以用电位衰减系数来表征，加拿大人Seager W H 在埋地钢质管道防腐层的研究中，确定电位衰减系数由下式确定［12］:

式中 RS——管道的金属电阻，Ω/m;

RL——涂层横向电阻，Ω·m。

管道的金属电阻RS是管道本身的金属电阻，由欧姆定律可以求出，涂层横向电阻RL又称为表观涂层电阻，是由加拿大人Seager 提出，他假设当阳极距离管道很远，阳极电位对管道影响很小时，通过测得的管地电位根据式(1)/式(2)、求出电位衰减系数，再根据式(3)求出涂层横向电阻，根据求得的涂层横向电阻来反映涂层破损的情况。涂层横向电阻只是反映了埋地钢质管道防腐层在某种环境介质中的阻抗状况，但是没有量化分级［13］。

2.2 涂层空隙系数

涂层横向电阻只是反映了涂层在某种环境介质中的阻抗状况，在直接表示涂层自身质量的变化上还存在一定的不确定性。因此，引入了一个能客观评价涂层质量的评价指标-涂层空隙系数［14］。

定义KS为涂层空隙系数，S 为涂层破损面积，S0为涂层总面积。

由式(4)可知，涂层空隙系数反应了防腐层本身客观状况，涂层空隙系数越大，防腐层破损越严重，说明防腐层状况越不好。

当管道防腐层破损后，防腐层横向电阻值应为破损处的介质电阻与完好处防腐层电阻的并联值［15］，又防腐层的电阻远远大于破损处介质的电阻，可得涂层空隙系数与横向电阻的关系:

式中 RL——涂层横向电阻，Ω·m;

RP——单位长度管道横向上的破损处介质的电阻，Ω·m;

Rm——单位长度管道横向上完好防腐层的电阻，Ω·m;

ρ——管道周围介质的电阻率，Ω·m;

δ——防腐层的厚度，m;

D——管道内径，m。

由前文叙述可知，电位衰减系数由管道金属电阻和涂层横向电阻确定，因此，根据电位衰减系数得出的涂层空隙系数可建立对管道不同区段的涂层状况评价方法。

2.3 针眼指数

首先引入防腐层针眼指数KP，KP表示单位面积上防腐层的针眼数。针眼指数的概念是在以下假设条件下提出的:①涂层针眼在管道上的分布匀和;②针眼形状均被视为圆柱形，且针眼以其轴线垂直于管壁方向散布;③涂层上针眼的孔径均匀一致，其直径为dP(m)［16］;④管道防腐层的电阻率远远大于管道上针眼里介质的电阻率，因此防腐层的电阻率可以忽略不计。所以，针眼指数的公式为:

式中 KP—— 针眼指数，1/m2，单位面积上的针

眼数;

dP——针眼的直径，m，假设针眼大小一致，

且均为圆柱形;

α——电位衰减系数;

ρp——管道附近介质的电阻率，Ω·m;

δ——涂层的厚度，m;

RS——单位长度金属管道的纵向电阻，Ω/m;

D——管子的直径，m。

当管道防腐层有破损后，防腐层的针眼指数KP与管径(D)、破损点附近介质电阻率(ρp)、管道防腐层的厚度(δ)、管道材质(RS)以及管道电位衰减系数(α)有关，同时α 反映了电位分布的变化。综上所述，KP不仅反映了管道防腐层的质量变化状态，也反映了阴保系统输出参数的变化情况，因此，KP更能有效的评价埋地钢质管道防腐层的状态［13］。

2.4 防腐层绝缘电阻率

埋地管道防腐层绝缘电阻率为单位面积的防腐层绝缘层平均(面)电阻，单位为Ω·m2，是表征其抗腐蚀、防杂散电流干扰的重要性指标［17］。其数值的大小基本上有防腐绝缘层漏敷、缺陷数目和大小决定，因此它是衡量管道防腐层质量好坏的尺度［18］。

2004 年发布的《埋地钢质管道外防腐层修复技术规范SY/T 5918—2004》中，第5.2.1 防腐层绝缘性能评价中制定了管道防腐层评价等级指标［7］，见表1。

表1 石油沥青防腐层分级标准及相应措施Table 1 Asphalt anticorrosive coating classification standard and the corresponding measures

日本也有自己评价管道防腐层优劣的分级标准［13］，见表2。

表2 日本管道防腐层优劣分级表Table 2 The coating quality scale of Japan’s pipeline

埋地钢质管道腐蚀防护工程检验GBT 19285—2014 第5.1 中，规定要求外防腐层绝缘电阻率≥104Ω·m2，对3LPE 防腐层绝缘电阻率一般应≥105Ω·m2［8］。虽然各国对管道防腐层保护效果评价等级指标的分类不同，但埋地管道防腐层绝缘电阻率为10 000 Ω·m2，这个数值是国内外防腐工作者所熟知的数据［13］。

王辉荣等人根据对防腐层绝缘电阻的测量，总体评价管道防腐层状况，并且提出绝缘电阻以3 ×103Ω·m2为界限统计，统计大于或小于它的值作统计值;绝缘电阻率＜(或＞)3 ×103所占统计比会更能反映相应管道防腐层的好坏［19］。

我国现行关于管道防腐层绝缘电阻率标准中，除了针对石油沥青防腐层绝缘电阻率的量化分级标准外，并没有制定其他新型防腐层绝缘电阻率的量化分级标准。

2.5 IR%评价准则

IR%是针对DCVG/CIPS 测试技术可以精确定位防腐层破损点并且可以估算其面积大小的特点而提出来的。通过计算外覆盖层缺陷处IR 降百分比评价管道外覆盖层缺陷程度。其公式［10，20］:

式中 Von——破损点处的通电电位，mV;

Voff——破损点处的断电电位，mV。

经过大量的理论研究和实验可以得出，IR%越大阴极保护的程度越低;管道外覆盖层的破损面积越大，IR% 的值也就越大［21］。NACE Standard RP 0502—2002 给出了根据IR%评价覆盖层破损程度的评价准则［22］，见表3 所示;GBT 19285—2014 也给出了防腐层破损点严重程度分级，见表4。

表3 根据IR%评价覆盖层的破损程度准则Table 3 Criterion of the coating’s damage degree according to IR%

表4 破损点严重程度分级Table 4 Classification of the severity of the damaged point

2.6 电流衰减率Y 值

根据电流衰减率可以判断外防腐层的状况，从理论上分析，Y 值评判外防腐层质量最直接、最公正［23］。电流衰减率通过埋地钢质管道腐蚀防护系统综合评价软件绘制电流衰减曲线而求得，用于埋地管道外防腐层整体状况的检测。GBT 19285—2014 对外防腐层电流衰减率Y 值进行了分级评价，见表5［8］。

表5 外防腐层电流衰减率Y 值(dB/m)分级评价Table 5 Classification rating of the current attenuation Y (dB/m)for external anticorrosive coating

2.7 外防腐层破损点密度P 值

破损点密度即管道防腐层单位长度上破损点的个数，它是划分防腐层性能评价级别的参量之一［3，23］。GBT 19285—2014 规范中，对P 值作了分级评价，见表6［8］。

表6 外防腐层破损点密度P 值(处/100 m)分级评价Table 6 Grading evaluation of the damaged point density P(处/100 m)for external anticorrosive coating

2.8 覆盖层电导率

覆盖层电导率为覆盖层绝缘电阻率的倒数，美国现用标准NACE Standard TM 0102—2002 提出利用电导率进行分级，见表7［23-24］。

此标准是标准化后即土壤电阻率为1 000 Ω·cm的情况下电导率的分级标准，并且没有指出针对何种覆盖层［24］。

表7 覆盖层电导率的分级评价标准Table 7 Grading evaluation criteria of coating conductance

3 外防腐层性能评价准则存在的问题及展望

目前，外防腐层性能评价准则具有较大的局限性、部分评价指标过时，而且缺乏新涂层的评价指标，比如，我们以上介绍的几种防腐层性能评价准则中，只有防腐层绝缘电阻率、IR%、电流衰减率是目前管道防腐层评价常用的准则，一些评价准则，如横向电阻、空隙系数、针眼指数没有建立起评价防腐层性能的分级标准，没有在管道防腐层性能的评价中得到应用;目前的分级评价准则中，有通过防腐层绝缘电阻率评价准则对石油沥青防腐层、3LPE 和硬质聚氨酯泡沫防腐保温层的量化分级标准，而对于如煤焦油磁漆、熔结环氧粉末、聚乙烯类等新型防腐层的绝缘性能只可进行定性评价，无法形成定量分级标准［7］。因此，应加大新型防腐层评价准则的量化分级的研究。

防腐层性能评价中，不同的检测方法对应不同的评价准则，即使是同一评价准则对应不同的检测时也应有不同的量化分级标准，在SY/T 5918—2004 的石油沥青防腐层分级标准中，只有用防腐层绝缘电阻率作评价准则对应不同的检测方法的量化分级，缺少其他评价准则对应不同检测时的分级量化标准。

微生物(尤其是SRB)腐蚀造成的管道安全问题也越来越受到重视，埋地钢质管道阴极保护技术规范GBT 21448—2008 规范中，提到在厌氧菌或SRB 及其他有害菌土壤环境中，管道阴极保护电位应为－950 mV(CSE)或更负［25］，但是在管道外防腐层性能评价标准中，没有提到SRB 的存在对检测结果、评价准则、评价方法的影响，更没有SRB 对管道防腐层评价可能的影响进行量化分级。因此，有必要研究SRB 对管道外防腐层性能评价的影响。

4 结束语

从20 世纪60 年代国内管道建设初期至今，很多管道已经进入高龄期，大多数埋地钢质管道出现腐蚀，管道腐蚀不仅会引起严重经济损失，还可能因为管道发生严重的点腐蚀导致管道穿孔而致油品泄漏发生爆炸从而带来安全和资源保护问题［26］。因此，为确保管道运输的安全性，研究埋地输油管道外防腐层质量检测手段及性能评价准则，对准确有效测评管道防腐层状况具有非常重要的意义。

［1］ 聂永臣，何敏，苏继祖，等. 油气集输管道内腐蚀及外腐蚀［J］.油气田地面工程，2015，34(1):83-84.

［2］ 国家发展和改革委员会.SY/T 0087.1—2006 钢制管道及储罐腐蚀评价标准——埋地钢质管道外腐蚀直接评价［S］.北京:石油工业出版社，2006.

［3］ 杨永，付秋生，蔡广明，等. 埋地钢质管道腐蚀直接评价方法［J］. 腐蚀科学与防护技术，2013，25(6):535-539.

［4］ 李明，王晓霖.埋地油气管道防腐层检测与评价［J］.当代化工，2013，42(7):980-983.

［5］ 衣红兵，牟宗元，王学国.油田埋地管道防腐层检测方法［J］.石油工程建设，2010，36(2):112-113.

［6］ 贾文龙，廖柯熹，吴瑕，等.酸性气田输气管道腐蚀缺陷外检测技术［J］.油气田地面工程，2010，29(7):1-2.

［7］ 国家发展和改革委员会. SY/T 5918—2004 埋地钢质管道外防腐层修复技术规范［S］.北京:石油工业出版社，2004.

［8］ 中华人民共和国质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GBT 19285—2014 埋地钢质管道腐蚀防护工程检验［S］.北京:中国质检出版社，2014.

［9］ NACE International.NACE Standard TM 0102—2002，Measurement of protective coating electrical conductance on underground pipelines［S］.Houston，Teaxs:NACE International，2002.

［10］ NACE International. NACE Standard RP 0502—2010，Pipeline external corrosion direct assessment methodology［S］.Houston，Teaxs:NACE International，2010.

［11］ Herbert H Uhlig，Winston Revie R. 腐蚀与腐蚀控制［M］.3 版.翁永基，译.北京:石油工业出版社，1985.

［12］Seager W H. Evaluation of pipeline coatings in terms of in-situ electrical characteristics［J］. Materials Performance，1980，19(6):9-14.

［13］李彬.阴极保护下埋地管道涂层及腐蚀与防护态势评价方法研究［D］.成都:西南石油学院，2004.

［14］胡永新，张勇. 用阴极保护测量参数评价管道涂层质量［J］.油气田地面工程，2003，22(8):2-3.

［15］朱佳林.输油管道阴极保护数据的研究［D］.天津:中国民航大学，2014.

［16］倪浩. 在役输油管道涂层老化评价方法研究和应用［D］.成都:西南石油学院，2003.

［17］徐欣，许立宁，柳伟.埋地管线防腐层性能评价研究进展［J］.腐蚀科学与防护技术，2011，23(4):365-368.

［18］张志坚，付立成，孙杰.埋地管道防腐层绝缘电阻与管道防腐层质量评价的关系［J］.工程技术与产业经济，2010，2(下):16-17.

［19］王辉容，喻茂清. 埋地管道绝缘电阻率与管道防腐层状况好坏的相关性分析［J］. 中国石油和化工标准与质量，2013(3):143-144.

［20］Leeds J M，Ph D.Recommended practice for ECDA exhibits some confusion［J］.Pipeline ＆ Gas Journal，2006(6):48-50.

［21］王长勇.基于阴极保护的埋地钢质管道外覆盖层缺陷检测与评价方法研究［D］.北京:北京工业大学，2007.

［22］ NACE International. NACE Standard RP 0502—2002，Pipeline external corrosion direct assessment methodology［S］.Houston，Teaxs:NACE International，2002.

［23］鞠舰波.埋地钢质管道三层PE 外防腐层检测评价研究及其软件开发［D］.北京:北京化工大学，2006.

［24］刘春波.埋地钢质管道腐蚀防护模糊综合评价技术研究［D］.北京:北京工业大学，2007.

［25］中华人民共和国质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会. GBT 21448—2008 埋地钢质管道阴极保护技术规范［S］.北京:中国标准出版社，2008.

［26］孙啸，吴灿奇，曹然伟，等. 四种钢材腐蚀性能评价实验研究［J］.天然气与石油，2012，30(3):69-74.