基于性能退化的沥青类防腐层保护效能影响规律的研究

张玉星，车 明，葛宝玉，张慎颜，李 旭，王 杰

(1. 北京市燃气集团有限责任公司，北京 100011；2. 北京科技大学新材料技术研究院，北京 100083；3. 北京安科腐蚀技术有限公司，北京 102211)

0 前 言

20世纪90年代前，埋地管道几乎都采用沥青类防腐层[1,2]，随后3PE(三层结构聚乙烯，3 - layer Polyethylene)防腐层逐渐进入大众视野[3]，21世纪以来，国内逐渐采用3PE、FBE(熔结双氧粉末，Fusion Bond Epoxy)等新型防腐层[4]。国内大部分沥青类防腐层管道运行超过20 a，甚至50 a，沥青类管道大部分牺牲阳极阴极保护系统已达到设计寿命的年限，在更换牺牲阳极阴极保护系统时，若仍沿用原有的设计方案，可能会导致部分管道无法受到有效地保护，主要因为沥青类防腐层在老化后会出现防腐层裂化、脆化[5]；同时，由于管道埋地前期沥青涂层质量较好，牺牲阳极的保护距离较长，但随着年限的增加，防腐层质量变差，牺牲阳极系统改造时若仍按照原设计方案执行，可能导致更换后的牺牲阳极阴极保护系统不能满足阴极保护的需求，或虽能当时满足阴极保护的需求，但因后续防腐层老化，使用过程中牺牲阳极的保护距离逐渐变短，最终仍无法满足管道的保护需求。

目前对在役管道防腐层退化规律研究较少，本工作对近40 a的沥青类防腐层管道的面电阻率的变化规律进行总结，得出沥青类防腐层面电阻率与时间的关系，预测已运行15 a的DN500管道后续近20 a的面电阻率变化情况，同时利用模拟计算的方法预测管道后续20 a内的单侧保护距离变化情况，同时探索影响保护距离的因素，以为牺牲阳极系统后续更换提供参考依据。

1 试 验

1.1 防腐层退化规律总结

根据现场近40 a来沥青防腐层的面电阻率检测结果，总结防腐层面电阻率随时间的变化规律，并根据其规律预估管道后续20 a内面电阻率随时间的变化情况。

1.2 现场阴极保护电位检测

选取现场DN500管道，长度800 m范围内仅有1组(4支/组)牺牲阳极保护此段管道，断开此段管道前后牺牲阳极，利用断路器控制此处牺牲阳极组与管道之间的连接，通断周期为12 s/3 s，测量阳极一侧管道的断电电位，按照-850 mV(vs CSE)最小保护电位准则[6]判断管道受到有效保护的距离。

1.3 数值模拟计算

利用BEASY软件，根据管道直径、深度、长度，建立模型，以管道相同材质材料在土壤的极化行为作为阴极边界条件，以实测土壤电阻率作为介质的边界条件，以开路电位为-1 550 mV(vs CSE)的镁合金阳极作为阳极边界条件。

模拟计算模型：管径DN500、长度800 m、土壤电阻率36 Ω·m。阳极距离管道中心距离2 m，阳极间距3 m，管道每侧各2支镁合金牺牲阳极。

根据现场检测结果校准模型的阴极边界条件，即涂层破损率，结合防腐层退化规律模拟计算未来20 a管道的保护距离变化，得出不同防腐层面电阻率时管道的保护距离，并模拟计算牺牲阳极与管道之间距离对保护距离的影响。

1.4 镁合金牺牲阳极寿命预估

牺牲阳极4 支/组，净重14 kg，牺牲阳极尺寸、质量符合GB/T 17731[7]的要求，牺牲阳极形状为梯形，尺寸为：700 mm×102 mm×(100+120) mm，阳极表面积为3 199.4 cm2。

根据法拉第第一定律，牺牲阳极的消耗计算采用以下公式：

(1)

式中：W为阳极重量，kg；I为电流输出，A；t为设计寿命，a；U为利用系数，0.85；Z为理论电容量(镁阳极，2 200 A·h/kg；锌阳极，827 A·h/kg；铝阳极，2 500 A·h/kg)；Q为理论阳极效率(镁阳极，50%；锌阳极，90%；铝阳极，90%)；Q×Z为实际电容量。

镁合金牺牲阳极实际电容量受输出电流影响，实际电容量根据阳极电流密度与实际电容量关系曲线[8](图1)查得。

2 结果与讨论

2.1 防腐层面电阻率变化规律

沥青类防腐层随着运行时间的增长逐渐硬化、脆化，防腐层的面电阻率降低，现假设防腐层老化均匀且其面电阻率的降低是因为防腐层破损引起，因沥青防腐层老化后呈现粉末状态，故认为防腐层的破损率与其面电阻率成反比。

现场测量的面电阻率(选频 - 变频法测得)随时间的变化如图 2所示。

通过非线性拟合得到的防腐层面电阻率与时间关系的公式：

R=4 275.8exp(-x/55.2)

(2)

式中：R为选频-变频法测得的面电阻率，Ω·m2；x为时间，a。

根据CJJ 95-2013[9]中4.3.2节防腐层绝缘性能评价(见表1)。由表1的防腐层评价等级可大致推算出：电流 - 电位法测得的防腐层面电阻率值近似为选频 - 变频法测得的面电阻率值的1/2，即得出电流 - 电位法测得的防腐层面电阻率值与时间的关系：

(3)

式中：R1为电流 - 电位法测得的面电阻率，Ω·m2；x为时间，a。

由图 2可知，面电阻率的变化范围较大，同一时间点，选频 - 变频法测得的面电阻率相对于规律曲线[式(2)]波动约±400 Ω·m2，电流 - 电位法波动范围为±200 Ω·m2。

表1 石油沥青防腐层绝缘性能的评价指标

2.2 模拟计算模型建立与校准

管径DN500，管道长度为800 m，采用4支14 kg镁合金牺牲阳极为1组，阳极的电位为-1 550 mV，阳极处于管道中间位置，每支阳极间距为3 m，阳极距离管道中心2 m。

管道于2006年建立，2021年测试时该段管道的面电阻率平均值为1 414.5 Ω·m2(电流 - 电位法)，现场阴极保护电位测试结果如表 2所示。

表2 DN500管道现场测试的阴极保护电位数据

由式(3)得知，x=16时，R1=1 599.9 Ω·m2，根据对现场管段的测试得知，该段面电阻率平均值为1 414.5 Ω·m2，土壤电阻率为36 Ω·m。

对式(3)进行修正，得到公式(4)：

(4)

式中：R2为电流 - 电位法实测的面电阻率，Ω·m2，x为时间，a。

根据式(4)得到面电阻率随时间的变化曲线如图3所示。由图3可知，面电阻率随着服役时间的延长，整体呈现逐渐下降趋势，且下降速率逐渐减缓。

根据现场测试的阴极保护电位数据，对模型的阴极边界条件进行校准，使其管道电位分布与现场阴极保护电位分布基本一致，最终得到较符合现场电位分布的模拟计算结果如图4所示。由图4可知，阳极附近管道电位的变化较大，随着距离增加，阴极保护电位有下降趋势，但变化较小，按照-850 mV (vs CSE)准则，此时模型的保护距离约50 m。

模拟计算得到的阴极保护数据如表3所示。

表3 模拟计算与现场测试值对比

由表3可知，阳极附近70 m范围内电位分布基本与现场一致，且模拟计算结果误差小于10%，故认为模型可靠，此时涂层破损率约为8.55×10-4，防腐层面电阻率R2为1 414.545 Ω·m2。假设对于沥青防腐层，面电阻率变化与涂层破损率变化呈反比例变化，此时在役防腐层破损率随管道在役时间的变化曲线见图5。

由图5可知，涂层破损率随着管道在役时间的增加逐渐变大，且增速呈现逐步增加趋势，即随着管道在役时间的增加，防腐层破损的速率逐渐增加，说明随着管道埋地时间的增加，防腐层老化越来越严重，阴极保护系统所需的电流密度会逐渐增加。

2.3 单侧保护距离及阳极寿命预估

假设土壤电阻率不变，利用模拟计算的方法对DN500 - 0.8 km管道未来20 a的保护距离进行预估，预估结果见图6、表4。

表4 管道表面电位分布及有效保护距离随时间的变化

由图6、表4可知，保护电位随着时间的增加，电位整体正向偏移，目前单组牺牲阳极单侧保护距离仅50 m，即管道的有效保护距离约100 m。

单组牺牲阳极单侧有效保护范围随管道埋地时间变化如图7所示。假设牺牲阳极能稳定运行，由图7可知，第16～25 a内，单组牺牲阳极的单侧保护距离迅速下降，从50.0 m降至19.0 m，第25～35 a内，单组牺牲阳极的单侧保护距离下降速率较慢，从19.0 m下降至11.5 m。

面电阻率降低，破损率增加，引起牺牲阳极的电流输出增加，根据图1查知的不同电流密度时的电容量变化情况，对牺牲阳极寿命进行预估，结果见表5。

假设条件不变的情况下，由表 5可知，虽然面电阻率变化引起破损率变化，但镁合金牺牲阳极的输出，实际电容量也随之变化，最终阳极寿命维持不变，即在16～35 a范围内任意年限更换牺牲阳极，阳极的寿命预估均为23 a。

表5 不同年限时的牺牲阳极寿命预估

2.4 阳极与管道中心距离对保护距离的影响

依据GB/T 21448-2017[6]，一般情况下，牺牲阳极宜距离管道外壁3.0～5.0 m，最小不宜小于0.5 m，模拟计算阳极距离管道中心分别为1.0，2.0，3.0，4.0 m时的管道表面电位分布见图8。

对图8模拟计算结果进行总结，其结果见表6。从表6可知，在1.0～4.0 m范围内，电位分布随着牺牲阳极离管道的距离增加而更均匀，牺牲阳极距离管道越近，越容易使牺牲阳极附近电位区间变化更大；阳极寿命预估约23 a，基本保持不变。牺牲阳极的单侧保护距离随阳极距离管道中心距离变化情况见图9。

表6 阳极与管道中心不同距离的电位分布及保护距离

由图9可知，阳极与管道中心的距离变化对单组牺牲阳极单侧保护距离随时间的变化趋势不变，均为保护距离随管道运行时间的增加而显著降低，并随着时间的延长降低的速率逐渐减小。阳极与管道中心距离对管道单侧保护距离的影响如图10所示。

由图10可知，牺牲阳极的单侧保护距离随阳极与管道中心距离的增大而增加，在使用前期(第16～25 a)变化较明显，使用后期(第25～35 a)变化较小。

2.5 防腐层面电阻率与单侧保护距离的关系

防腐层在同一时间段其面电阻率波动范围为±200 Ω·m2(电流 - 电位法测量值)，故当DN500管道运行15 a后，结合式(3)，未来20 a面电阻率变化范围为934.0～1 799.9 Ω·m2，现场测得DN500管道的面电阻率为1 414.5 Ω·m2，防腐层破损率约0.085 5%，假设防腐层的面电阻率与破损率成反比，得出防腐层面电阻率与破损率的关系见图11。

从图11可知，随着防腐层面电阻率的降低，防腐层的破损率逐渐增加，且增速逐渐增大，说明防腐层的面电阻率与破损率并不是直接的线性关系。随着防腐层面电阻率的降低，防腐层破损老化速率逐渐增加。

模拟计算不同面电阻率时的电位分布情况见图12，面电阻率与管道受保护距离及阳极发生电流的关系见图13。

采用断电电位-850 mV (vs CSE)作为阴极保护有效性的判别标准，结合图12与图13可知，随着防腐层面电阻率的降低，管道最正保护电位逐渐正向移动，当面电阻率大于1 500 Ω·m2时，单组(4支/组)牺牲阳极对DN500管道的单侧保护距离均大于400 m，当面电阻率为1 500～1 400 Ω·m2时，单侧保护距离开始显著下降，面电阻率小于1 400 Ω·m2时，单侧保护距离变化不明显。依据数值模拟结果，防腐层性能退化导致保护距离明显缩短。

从图13可知，随着防腐层的老化，即防腐层面电阻率的降低，牺牲阳极的发生电流逐渐增加。但增加的电流满足不了因防腐层退化所需的保护电流，故在后续的牺牲阳极阴极保护系统改造时不应完全参照最初的阴极保护系统设计方案。

考虑到老旧管道的自腐蚀电位较正的情况，将管地电位控制在略负于自腐蚀电位的情况下一定程度上可以缓解腐蚀风险，因此建议针对服役年限较长的管道在阴极保护有效性标准的选择上适当降低对阴极保护电位的要求。

3 结 论

(1)沥青防腐层面电阻率(电流 - 电位法)随时间变化符合公式R=4 275.8exp(-x/55.2)，选频 - 变频法测得的面电阻率近似为电流 - 电位法的2倍。

(2)对于现场测试段DN500 - 0.8 km管道，后续10 a内单侧保护距离变化显著，从50.0 m降至19.0 m，后续10～20 a内单侧保护距离变化减缓，从19.0 m降至11.5 m。

(3)牺牲阳极距离管道中心1.0～4.0 m范围内，牺牲阳极的单侧保护距离随阳极距离管道中心距离增加而增加，且距离越大，管道的保护电位分布越均匀，牺牲阳极的寿命基本不变。

(4)根据防腐层的面电阻率变化规律模型预估防腐层面电阻率随时间的变化情况，根据面电阻率与单侧保护距离之间关系预测不同面电阻率时管道的受保护距离，为后续牺牲阳极系统的改造提供参考。

(5)管道的自腐蚀电位相对较正，将管地电位控制在略负于自腐蚀电位的情况下一定程度上可以缓解腐蚀风险，因此建议针对服役年限较长的管道在阴极保护有效性标准的选择上适当降低对阴极保护电位的要求。