管道穿越处的腐蚀问题探讨
李 雪 张 伟 郭东红 邢凤荣
（中国石油天然气管道局天津设计院， 天津塘沽 ）
摘 要 分析管道采用开挖、套管方式穿路时存在的腐蚀问题，提出应对措施。
关键词 管道 套管 腐蚀
Corrosion and prevention of pipeline crossing under road
Li Xue Zhang Wei Guo Donghong Xing Fengrong
(CPP Tianjin Design Institute, Tanggu, Tianjin)
Abstract The corrosion problem is analyzed when the pipeline crossing under road is constructed by excavation and casing. The counter-measures are proposed in the paper.
Key words pipeline, casing, corrosion
1 引言
随着石油天然气行业的不断发展，管道运输成为石油、天然气介质输送的重要手段之一，同时近年来国内高速公路、快速路四通八达，管道工程建设时不可避免地与公路频繁交叉穿越。阴极保护是管道腐蚀防护的重要措施，有些穿越方式（例如套管穿越）给管道阴极保护实施带来的负面影响愈加明显，管道穿越处的腐蚀控制问题愈发引起工程师的重视。
2 管道穿越形式
管道工程中常见的管道穿越方式包括：开挖穿越、带套管穿越（混凝土套管或钢套管）、定向钻穿越等。从腐蚀分析角度，本文将穿越方式分为无套管穿越和带套管穿越。
2.1 无套管穿越
无套管穿越包括开挖穿越及定向钻穿越，管道开挖穿越是管道工程建设过程中最常见的穿越方式，成本较低，但施工期间妨碍交通、且需要对路面进行恢复，管道上方重新铺沥青或水泥混凝土路面。随着城市的快速发展，人们对施工所造成的影响也逐渐重视起来，于是定向钻技术应运而生。定向钻穿越施工不会阻碍交通，降低了对环境、周边建筑物基础的破坏和不良影响。
图2.1-1 管道定向钻穿越
2.2有套管穿越
有套管穿越一般包括顶钢套管穿越及顶混凝土套管穿越，还有为了满足规划需要，在未来可能修建道路处采用开挖加套管方式穿越。顶管穿越施工是在较深的地下进行，可以缩小施工面积，减少了对地面的噪音污染、空气污染以及对城市地表交通条件的干扰和破坏。但施工技术难度高，需要对施工前的工程地质、水文地质等问题进行分析，施工费用相对较高。
图2.2-1 管道顶管穿越
3 管道穿越处腐蚀问题
3.1 无套管穿越
从电化学角度分析，对于一个铁腐蚀电池，氧的富集区为阴极，贫瘠区为阳极，阳极区将发生金属腐蚀反应[1]，可采用EWANS图表示如下：
图3.1-1 电荷转移反应的EVANS图
管道采用无套管方式穿越时，可认作管道直接埋设在路基下方，由于坚实路面降低了氧气向地下土壤的渗透量，以路面边缘为界面，路面下方管道周围土壤含氧量低，无路面覆盖处土壤含氧量高，此时管道主要的腐蚀形式为氧浓差电池腐蚀，其腐蚀发生部位集中在路面边缘下方处。如下图所示：
图3.1-2 穿越处形成氧浓差腐蚀电池
同时高等级公路边缘两侧均有路边沟，容易积水，路边沟内土壤电阻率低，腐蚀性较强，该区域也是穿越处管道腐蚀重点区域。
此外，在我国的北方冬季时经常采用融雪剂进行路面除冰，以确保车辆行驶安全，融雪剂的主要成分含氯离子，而氯离子具有强腐蚀性，随着氯离子渗过路面到达管体表面，加速了路面下管道外表面腐蚀。
当管道采用阴极保护时，阴极保护电流可直接到达管道上的相对阳极（腐蚀）区域，使管道产生阴极极化，此时管道得到保护。国内、外一些阴极保护规范如GB/T 21448, ISO15589等均要求在管道穿越主要道路处设置阴极保护测试桩，以监测管道阴极保护电位[3]，如下图所示：
图3.1-3 管道穿越处测试桩
但在实际条件下，阴极保护较阳极区域经常发生在上述位置，即路边沟内及路面边缘内侧，非测试桩埋设处。理论上，在进行阴极保护电位测试时，参比电极所覆盖的管道区域为向下120°范围[1]，如下图所示
图3.1-4 参比电极覆盖区域
如仅仅把参比电极置于测试桩附近，将得不到腐蚀性较强管段的电位，因此建议在例行对管道沿线进行电位测试时，有针对性地选择以上较强腐蚀区域进行重点监测。
3.2 钢套管穿越
常见的钢套管穿越方式为：套管两端采用大小头式热收缩套密封，内管采用绝缘支撑垫块与套管进行绝缘处理。
按钢套管服役时间，穿越处的腐蚀情况可分为下列几种；
1）建设初期，套管两端密封完好，此时无泥沙、水等电解质渗入套管内部，外部阴极保护电流无法到达钢套管，内管道表面无阴极保护电流通过，即使内部采用了牺牲阳极（常见方式为锌带穿入带孔的PVC套管内）敷设于钢套管中，牺牲阳极不会起作用。当内管表面有涂层破损点时，其处在大气腐蚀环境中，同时应考虑由于湿气结露在涂层破损处形成液滴的腐蚀，但无法采用阴极保护措施弥补。如下图：
图3.2-1 套管两端密封良好
2）运行后期，随着套管服役时间延长，套管两端的热收缩密封头密封失效（从常见现场补口热收缩带失效频次中可以推断），地下水、泥沙等逐渐渗入套管内部，在这种情况下可以分为三种情况：
a 套管内部无带状阳极保护
图3.2-2 套管内无带状阳极
如上图所示，当外部阴极保护电流流经套管时，会穿过套管壁，通过管内渗入的导电介质（水、泥等）到达内管的防腐层破损点处，此时内管得到了有效的阴极保护。套管内壁除遭受自然腐蚀外，还有额外的来自外部阴极保护系统的直流干扰腐蚀，当套管外壁采用涂层防护时，完整的涂层将阻碍外部阴极保护电流进入套管内部，内管将得不到阴极保护。
b 套管与内管短路
当套管内绝缘支撑失效，或其他原因造成套管与内管发生短路时，外部的阴极保护电流到达套管外表面后，直接通过短路点到达内管，而非到达内管的涂层破损点上，此时内管涂层破损点无法得到有效的阴极保护，内管处于加速腐蚀状态。套管内壁除遭受自然腐蚀外，还有额外的来自外部阴极保护系统的直流干扰腐蚀，如下图：
图3.2-3 套管内无带状阳极
C 套管内部有带状阳极保护
当内管安装有带状阳极保护，内管表面所接受的外部阴极保护电流情况取决于带状阳极的消耗程度，初期带状阳极可向涂层破损点提供足够的阴极保护电流，外部阴极保护电流将不起作用，如下图所示：
图3.2-4 套管内有带状阳极
后期随着带状阳极消耗殆尽，当外部阴极保护电流流经套管时，会穿过套管壁，通过管内渗入的导电介质（水、泥等）直接到达裸露的阳极芯棒（钢铁材质）上，然后通过导线流至内管上，此时内管表面的涂层破损点处无阴极保护电流流入，得不到有效保护，消耗尽的带状阳极成为人为引入的短路点，如下图所示：
图3.2-5 套管内带状阳极消耗殆尽
3.3 其他问题
近年来有人提出在管道穿越建设初期，向套管内部环形空间注入一定量的导电介质，同时套管两端不封堵，从理论上讲也是行之有效的方法，实际效果还需要通过试验进一步论证。同时要考虑注入的介质对内管防腐层的影响，例如填充物的收缩、膨胀变形对内管防腐层的剪切力，填充物自身对涂层的化学影响等。
4 结论
1） 提高穿越段的管道防腐层质量是腐蚀控制手段的首选，可采用加强级防腐涂层。
2） 管道采用开挖穿越时，应对腐蚀性较强管段进行重点阴极保护电位监测。
3） 当管道采用钢套管穿越时，电绝缘是缓解内管腐蚀程度的有效措施，不推荐采用牺牲阳极对套管内管道进行保护，不推荐套管外壁采用涂层防护。
参考文献
[1] NACE CP 3–Cathodic Protection Technologist Course Manual.
[2] GB∕T 21448-2008 埋地钢质管道阴极保护技术规范.