前言

    我們美好的現(xiàn)代生活與埋在地下的各種管網(wǎng)息息相關(guān)，盡管它們常常被人們忽視，但不可置疑的是它們提供我們生活所必須的天然氣、油、水等基礎(chǔ)物質(zhì)，所以在國家建設(shè)過程中，常常能見到在城市、鄉(xiāng)間和荒野有各種管道的挖埋施工，圖1。全國性代表工程有西氣東輸一期和二期高壓長輸天然氣管線、中國-周邊國家的高壓長輸油氣管線，地方性代表工程如各大城市周邊的高壓天然氣管網(wǎng)和大型輸水管網(wǎng)。

    管道多種多樣，有金屬的也有塑料的，但最重要的（如大尺寸、高壓管線）、數(shù)量最多的管道通常都是鋼制造的。眾所周知，鋼在土壤環(huán)境中不可避免要發(fā)生腐蝕，如果發(fā)生腐蝕導(dǎo)致的氣、油、水等物質(zhì)泄漏，就可能危及人身和財產(chǎn)安全。腐蝕防護(hù)就是為埋地重要管線的安全可靠性提供保障，猶如地下萬里長城，保衛(wèi)者我們的現(xiàn)代生活。本文淺談埋地重要鋼管的土壤腐蝕防護(hù)技術(shù)（兩道屏障）和它面臨的挑戰(zhàn)。

圖1. 美好的現(xiàn)代生活與埋地管網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)行息息相關(guān)

外防護(hù)涂層是防止土壤腐蝕的第一道屏障

    外防護(hù)涂層是埋地鋼管第一道也是最重要的屏障，主要是有機(jī)涂層和金屬涂層（或說鍍層）兩大類。迄今為止以有機(jī)涂層的應(yīng)用最普遍，它又可分為環(huán)氧樹脂、改性酚醛環(huán)氧、瀝青、煤焦油等各種涂層。

    美國腐蝕工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)NACE Standard RP0169-96《Standard Recommended Practice Control of External Corrosion on Underground or Submerged Metallic Piping Systems》（埋地或水下金屬管線系統(tǒng)的外部腐蝕控制）要求管道外防護(hù)涂層應(yīng)具有以下主要性能：

    有效的電絕緣性和隔水屏障性；涂敷于管道的方法不會對管道性能產(chǎn)生不利影響；涂敷于管道上的涂層缺陷最少，與管道表面有良好的附著力；能防止針孔隨時間發(fā)展，能抵抗裝卸、儲存和安裝時的損傷；能有效地保持絕緣電阻隨時間恒定不變；抗剝離性能好，抗化學(xué)介質(zhì)破壞能力強(qiáng)，補(bǔ)傷容易；物理性能保持能力強(qiáng)，對環(huán)境無毒；在地面儲存和長距離運(yùn)輸過程中不發(fā)生變化和降解?？蓺w納成電性能、機(jī)械性能、老化性能（化學(xué)性能）和經(jīng)濟(jì)性4個方面。

    人們普遍認(rèn)為不存在最佳覆蓋層問題，應(yīng)根據(jù)具體情況，如管道的狀況、環(huán)境條件、施工方式、氣候因素和經(jīng)濟(jì)條件來選擇經(jīng)濟(jì)合理的覆蓋層。

    早期的管道外防護(hù)涂層主要是瀝青型， 上世紀(jì)30年代已得到很普及應(yīng)用，以美國為代表的西方國家主要采用煤焦油瀝青，而前蘇聯(lián)和德國等多采用石油瀝青。60年代北美開發(fā)了環(huán)氧樹脂涂層并不斷改進(jìn)，熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層（Fusion bonded epoxy即FBE）技術(shù)在70 年代后期得到廣泛使用。歐洲從1965年就開始使用擠壓聚乙烯兩層結(jié)構(gòu)涂層， 擠壓聚乙烯是歐洲最受歡迎的埋地管道外防護(hù)涂層。由于熔結(jié)環(huán)氧和擠壓聚乙烯兩層結(jié)構(gòu)各有長短，80 年代中期推出了擠壓聚烯烴三層結(jié)構(gòu)涂層，該結(jié)構(gòu)包括3PE（熔結(jié)環(huán)氧、膠粘劑、擠塑聚乙烯三層結(jié)構(gòu)）和3PP（熔結(jié)環(huán)氧、膠粘劑、擠塑聚丙烯三層結(jié)構(gòu)）。目前熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層和3PE是用于重要管線最常用的涂層，圖2給出這兩種涂層的工藝流程及筆者參觀相關(guān)工廠拍攝的實況照片。

圖2. 熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層和3PE涂層的工藝流程及工廠實況照片

    下面以筆者親身經(jīng)歷的青草沙引水工程管線為例做進(jìn)一步介紹，工程是上海剛完成不久的重點工程之一，它包括青草沙水庫工程及取水泵閘工程、長江原水過江管工程、陸域輸水管線及增壓泵站工程三大主體工程，全市市民飲用水水質(zhì)得到普遍改善。其輸水管線采用直徑大于2米，壁厚18~34毫米的鋼質(zhì)管道，鋪設(shè)按照長距離頂管的施工方法進(jìn)行，工程難度大，設(shè)計壽命要求高，它的外防護(hù)涂層選用高性能熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層，現(xiàn)場環(huán)向?qū)雍缚p焊后涂層補(bǔ)口采用無溶劑液體環(huán)氧涂料，上海材料研究所負(fù)責(zé)了該工程涂層性能檢測，這是確保涂層工程質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。檢測項目分兩部分，第一部分是檢測環(huán)氧粉末原料，有外觀、不揮發(fā)物含量、粒徑分布（2項）、固化時間 、膠化時間、磁性物含量、密度檢測共8項。第二部分是檢測在鋼管上制成的熔結(jié)環(huán)氧粉末涂層，有12項：外觀 、抗沖擊性（-30℃） 、抗彎曲性（3°，-30℃） 、耐磨性（落砂法） 、附著力（撬剝法） 、粘結(jié)強(qiáng)度 、陰極剝離（2天） 、斷面孔隙率 、界面孔隙率 、耐化學(xué)性能（15d,60℃，蒸餾水和或3.5％NaCl）、電氣強(qiáng)度 和體積電阻率。

陰極保護(hù)是防土壤腐蝕的第二道屏障

    涂層不可能絕對完美無缺，在制造過程、施工過程和長期使用中都可能發(fā)生各種各樣的破損，導(dǎo)致鋼管與土壤環(huán)境接觸而發(fā)生腐蝕。因此有必要建立防土壤腐蝕的第二道屏障，這就是陰極保護(hù)，其基本原理是對被保護(hù)的金屬表面施加一定的直流電流，使其產(chǎn)生陰極極化，當(dāng)金屬的電位負(fù)于某一電位值時，腐蝕的陽極溶解過程就會得到有效抑制。國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 15589-1規(guī)定了該電位是-850mV或更負(fù)（相對飽和硫酸銅參比電極CSE，當(dāng)存在硫酸鹽還原菌的環(huán)境，被保護(hù)結(jié)構(gòu)物的電位負(fù)移至-950mV（CSE）或更負(fù)，但為了防止涂層的損傷，電位應(yīng)該不負(fù)于 -1200 mV（CSE），以避免氫產(chǎn)生和/或金屬表面高pH的有害效應(yīng)。

    根據(jù)提供陰極電流的方式不同，陰極保護(hù)又分為犧牲陽極法和外加電流法兩種，如圖3，前者是將一種電位更負(fù)的金屬（如鎂、鋁、鋅等）與被保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)物電性連接，通過電負(fù)性金屬或合金的不斷溶解消耗，向被保護(hù)物提供保護(hù)電流，使金屬結(jié)構(gòu)物獲得保護(hù)。后者是將外部交流電轉(zhuǎn)變成低壓直流電，通過輔助陽極將保護(hù)電流傳遞給被保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)物，從而使腐蝕得到抑制。不論是犧牲陽極法還是外加電流法，其有效合理的設(shè)計應(yīng)用都可以獲得良好的保護(hù)效果。

圖3. 兩種陰極保護(hù)方法示意圖分  

    重要挑戰(zhàn)

    上述兩道防土壤腐蝕的屏障為管網(wǎng)的迅速發(fā)展起到了保駕護(hù)航的作用，然而國內(nèi)外長期建設(shè)和運(yùn)行管線的經(jīng)驗表明，目前埋地重要鋼管的結(jié)構(gòu)完整性或說安全可靠性還存在一些挑戰(zhàn)，如應(yīng)力腐蝕破裂、雜散電流干擾、管道老化、細(xì)菌腐蝕、高壓線交流干擾等問題，下面簡介前面兩項引人關(guān)注的重要挑戰(zhàn)：

    1.  應(yīng)力腐蝕破裂：

    即鋼管在應(yīng)力和土壤環(huán)境交互作用下發(fā)生裂紋萌生和擴(kuò)展，可分為高pH和近中性pH應(yīng)力腐蝕破裂兩大類。世界上報道的第一例長輸管線應(yīng)力腐蝕破裂失效發(fā)生于1965年3月，美國路易斯安那州的輸氣管線由于破裂而泄露，引起大火。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，其破壞形態(tài)為管道外壁沿晶型應(yīng)力腐蝕破裂（又稱高pH應(yīng)力腐蝕破裂），此后在加拿大、澳大利亞、巴基斯坦、前蘇聯(lián)和伊朗等國家都報道了這類應(yīng)力腐蝕破裂的案例。1985年，在加拿大TransCanada PipeLines Ltd's（TCPL）公司管道的聚乙烯帶剝離涂層下首次發(fā)現(xiàn)了穿晶型應(yīng)力腐蝕破裂失效，該破裂事故直到最近仍然不時發(fā)生，如圖4。因這種開裂在近中性（pH為6～8）、含CO2的稀電解液中形成，故稱為近中性pH應(yīng)力腐蝕破裂。其它管線公司，如加拿大NOVA集團(tuán)，也在其管線上發(fā)現(xiàn)了近中性pH 應(yīng)力腐蝕破裂，其它國家如澳大利亞、伊朗、伊拉克及沙特等也都曾發(fā)生過該種類型的應(yīng)力腐蝕破裂。

    我國還沒有關(guān)于管線發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂失效的報道，但不代表沒發(fā)生過，有的事故不一定進(jìn)行了足夠的失效分析。未雨綢繆，上海材料研究所根據(jù)形勢需要，對國際上天然氣高壓長輸管線涉及土壤應(yīng)力腐蝕破裂的運(yùn)行經(jīng)驗和相關(guān)研究進(jìn)行了廣泛和深入的調(diào)研，發(fā)表了一系列綜述型論文；針對我國特別是上海管網(wǎng)做了一系列實驗研究，對關(guān)鍵因素、破裂機(jī)理和風(fēng)險預(yù)測做了探討，發(fā)表了一系列實驗研究型論文。

圖4 加拿大長輸管線發(fā)生破裂泄漏爆炸事故現(xiàn)場及近中性pH應(yīng)力腐蝕裂紋形貌

    2.雜散電流腐蝕：

    其原理是附近的軌道交通等設(shè)施使得土壤中存在電流，該電流從管道的某一部位進(jìn)入管道，沿管道流動的一段距離后，又從管道流入土壤，在電流流出部位的管道發(fā)生顯著腐蝕，如圖5所示。近年來由于軌道交通的快速發(fā)展，這個問題變得突出起來，解決問題的關(guān)鍵是相關(guān)方嚴(yán)格按照國內(nèi)外研究成果和國家制定的技術(shù)規(guī)程執(zhí)行排流等防腐蝕措施，另外還需要更深入細(xì)致的研究，以使科學(xué)理解更加透徹、工程應(yīng)對方法更加高效。

圖5 軌道交通導(dǎo)致的雜散電流腐蝕示意圖及腐蝕形貌

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責(zé)任編輯：王元

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