钢套钢预制蒸汽管外套管的腐蚀与阴极保护

引言 随着城镇集中供热和热电联产的大力发展，蒸汽管道技术在国内得到了广泛应用，而且直埋敷设以其保温效果好、节能效率高、安装方便、施工周期短、使用寿命长、维护费用低等优点，在供热系统中的直埋管网日益增多。然而，有关直埋蒸汽保温管道外套管的腐蚀与防护问题是关系到直埋供热管道的经济性、安全性、可靠性及使用寿命的关键因素。直埋蒸汽管道的外套管应保证使内管和保温材料在严格防水的空间内运行，如果外套管损坏’腐蚀、机械损伤、焊接质量等原因造成(，地下水渗流进保温层，受到内管高温的蒸发变为水蒸汽，使保温材料的界面温度和外套管的外表温度难以控制，严重时能够造成全线保温和防腐失效，管线报废。外套管腐蚀破裂造成人体危害；道路上冒气对绿化带植被的破坏；对地下电线、电缆、通讯设施造成热污染或破坏)&、!*，类似事故国内外都发生过。随着管网服役时间的延长，为了安全生产，杜绝损坏后患，蒸汽直埋外套管的腐蚀与防护已成为当务之急。 本文对大连市热电集团有限公司所属的金家套低洼地供热管网改造工程钢套钢直埋蒸汽管道外套钢管在土壤介质中腐蚀状况进行分析，进而根据外套钢管实施牺牲阳极的阴极保护工作，研究了阴极保护在供热管网实际中的应用。 !管线土壤腐蚀性勘察 金家套低洼地供热管网改造工程管道采用浅埋直埋铺设，蒸汽设计温度为+"",， 压力为&$+-./。该工程采用“钢套钢”双脱开式复合保温结构，内钢管采用01!"2&" 的3!+45碳钢管，外套钢管采用920电焊6!4/7钢管，管线全长40"2。保温材料为岩棉管壳，蒸汽管穿阀门井壁及内外套管之间采用柔性防水套管连接。管外壁采用环氧煤沥青三布五油涂层保护’为加强防护结构。 外套钢管在土壤中的腐蚀主要是电化学腐蚀，因此对土壤的腐蚀性进行正确地评估是实施阴极保护的基础性工作。在实际工程中通过勘查管网沿线的土壤电阻率和对已服役多年而没有进行电化学阴极保护的旧管线的管对地电位来评价土壤腐蚀率。 金家套低洼地供热管网改造工程地带的土壤电阻率!和管道自然腐蚀电位进行现场勘察，测试结果列于表3。该地带!值在#38//"?2之间，钢套管对地电位均负于% "$//"&’管网的自然腐蚀电位均偏低，没有达到*保护的电位（负于%"$9/&）:4; ，处于腐蚀状态。

钢套钢预制蒸汽管外套管的腐蚀与阴极保护

依据国内外有关的判别标准，金家套低洼地供热管网改造工程地带管道基本上处于较强的腐蚀性土壤环境之中:#;，需要进行电 化学阴极保护。 4分析外套钢管的腐蚀状况 对已服役多年的腐蚀6!4/7外套钢管观察了腐蚀形貌。经观察表明，大部分管子遭受锈蚀，呈黑褐色，且腐蚀产物沉积在金属表面，形成宏观上的腐蚀产物，致使管子脱皮、粗化、减薄甚至局部溃烂损伤。图3示出腐蚀6!4/7外套钢管外壁扫描电镜照片。由图可知，管外锈层有些部分呈絮状大颗粒，腐蚀产物疏松、不连续分布，表征了均匀腐蚀特征。这说明，腐蚀产物尽管覆盖在金属表面，但仍没有起到防护作用对腐蚀的6!4/7外套钢管进行金相显微 镜观察，结果示于图!。6!4/7钢显微组织为铁素体和珠光体组织。照片中亮的部分是铁素体，呈网络状多面体晶粒组成，黑的部分则是珠光体组织，

在管外壁处出现了脱碳层。

这是由于铁素体和珠光体组织电极电位不同，在土壤中形成腐蚀微电池。电极电位较负的 铁素体作为阳极而不断被腐蚀（/），特别是土壤 中含水、存在氧、氯离子等都会加速它的腐蚀。这属于电化学腐蚀的范畴，是外套管腐蚀破坏的主要形式#物理技术检测结果 图4示出6!4/7外套钢管外壁锈层的电 子能谱分析（<=>）结果。由图可见，管外壁表层主要由?@、-、,和)A等元素组成。值得指 出的是，管外壁表面锈层中发现)
钢套钢预制蒸汽管外套管的腐蚀与阴极保护

!&()外套钢管外壁电子能谱分析 明，在环境中土壤环境中*+和,元素参与了钢管的腐蚀历程。 ’!&()外套钢管表面锈层的-%射线衍射分析结果列于图#。管外壁表层主要有./!0&和./0的铁的氧化物，./*+!、./,!和 ./,构成，这一结果与上述电子能谱分析基本相吻合。 由上述分析可知，’!&()外套钢管的腐蚀主要来之：（1）长期处于较强的腐蚀性土壤环境之中的蒸汽管道由于管道涂层在施工及搬运等过程中不同程度的破损，以及有些设计外壁使用温度过高，使得环氧煤沥青涂料性能早期失效、老化引起钢质管道的电化学局部腐蚀（!）由于蒸汽管道沿线土壤结构和土质的不均匀性以及水位线较高，含有氯离子和硫化物，加之新、旧管道之间的电位差，可加速旧管线及潮湿地带管线局部腐蚀。 （&）金海达酒店后固定墩处与铁道平行，且有地下电缆、高压线及接地线等，所以沿线管道可遭受杂散电流腐蚀。若不进行及时排流处理，将会加速该处腐蚀穿孔，早期损伤。 (管网阴极保护主要技术指标 （1）根据中国石油天然气总公司颁布的,234""15%56的规范，对土壤电阻率，!低于1"""?7钢质埋地管道和常年处在水介 质环境中的钢质管线应进行电化学保护。 （!）保护长度 由于金家套低洼地供热管网改造工程沿线土壤电阻率较低，基本上处于较强的腐蚀性土壤环境之中，故对外套钢管道实施牺牲阳极保护，保护管线总长度为&6"7。（&）保护准则8$根据中国石油天然气总公司,234""15%569埋地钢质管道牺牲阳极保护设计规范:的规定，被保护钢质管道对地电位应负于%"$;(<=*>3*>,0#参比电极?。 @$阳极设计寿命大于!(年。（#）沿线建立测试桩1座。 （(）阳极的参数 8$阳极的选材：采用AB%C+%DE%AE 合金阳极（&） 。 @$阳极的重量： 单支阳极重;FB。G$阳极的支数：&;支。H$阳极的接地电阻：#IJ"9J:。/$阳极的输出电流：&J7C。K$阳极的zui小保护电流密度：1$"7C37!。 B$阳极的保护长度：&"7，阳极的屏蔽系数取1$5!"。 L$添包料选择： 石膏粉：工业硫酸钠：膨润土M6(：(：!"。 J牺牲阳极系统参数的测定 牺牲阳极施工后，在测试桩处测定了阳极的保护电位、阳极开路电位、阳极接地电阻、阳极的输出电流，结果列于表!。 可见，测试桩的保护电位负于%"$/&, 01231245#参比电极6，说明整个阴极保护系统稳定，电位分布均匀，阳极保持较负的工作电位，提供较高的驱动电压，使管网处于良好的保护状态，防止了土壤的电化学腐蚀。同时，阳极的开路电位负于%’$#"",7阳极接地电阻在#!范围，达到设计技术指标。 牺牲阳极保护后，对测试桩的阴极保护电位进行跟踪观察，其结果列于表-。经保护!"个月的实践表明，随时间的推移管道保护电位虽有缓慢升高的趋势，但处于%’$’-!8%"$9+9,之间，电位稳定，达到阴极保护的电位标准。 +结论 通过对大连市热电集团有限公司所属的金家套低洼地供热管网改造工程钢套钢直埋蒸汽管道外套钢管在土壤介质中腐蚀状况的分析，设计了牺牲阳极的阴极保护方法。结果表明：’$对:!-&;外套钢管金相显微镜观 察，发现在管外壁处出现了脱碳层，电极电位较负的铁素体作为阳极而遭受电化学腐蚀。!$:!-&;外套钢管外壁锈层的电子能谱分析结果，管外壁表层主要由<=

、

5、4和1>等元素组成。说明，在环境中土壤环境中1>和4元素参与了钢管的腐蚀历程。 -$:!-&;外套钢管表面锈层的?%射线衍射分析结果，管外壁表层主要有<=!5-和<=5的铁的氧化物，<=1>!、<=4!和<=4构成。 #$外套钢管实施牺牲阳极的阴极保护后，保护电位处于%’$’-!8%"$9+9,之间，阴极保护系统稳定，阳极保持较负的工作电位，使管网处于良好的保护状态，腐蚀得到有效的抑制，达到了设计技术指标。