王沂沛

國家管網(wǎng)集團儲運技術(shù)發(fā)展有限公司

 

摘要：為有效控制長(cháng)輸管道補口帶下微生物引起的金屬腐蝕風(fēng)險，探究微生物對長(cháng)輸管道腐蝕影響的規律，對管道腐蝕產(chǎn)物、防腐保溫層和補口帶下水采樣后進(jìn)行理化分析，對管道微生物腐蝕進(jìn)行致因分析；基于內外檢測數據對齊的外腐蝕缺陷辨識，結合雜散電流干擾和土壤環(huán)境腐蝕調查，對內檢測發(fā)現的外部金屬腐蝕與成因進(jìn)行分析；開(kāi)展多輪次管道漏磁內檢測，對內檢測量化尺寸進(jìn)行多輪次內檢測數據對齊分析，預測管道微生物腐蝕發(fā)展速度。結果表明，至少包含硫酸鹽還原菌（SRB）和鐵細菌（FB）兩種以上微生物的共同作用，極大程度加速了管道腐蝕；部分管段存在雜散電流干擾，與SRB生物膜協(xié)同加速了管道表面的點(diǎn)蝕；管道受微生物影響形成的金屬腐蝕多為凹坑、弧坑這樣“類(lèi)針孔”狀缺陷，漏磁內檢測對這類(lèi)缺陷的技術(shù)局限性，存在低估管道腐蝕狀況的風(fēng)險；微生物腐蝕在腐蝕后期存在腐蝕加速的情況，增加管道內檢測的頻次，采用多輪次內檢測數據比對方法可更準確預測管道微生物腐蝕發(fā)展狀況。

關(guān)鍵詞：微生物；腐蝕；管道內檢測；檢驗

 

隨著(zhù)國內長(cháng)輸管道的快速建設和投運，管道運行面臨的地理環(huán)境也越來(lái)越復雜。當管道敷設環(huán)境中存在多種腐蝕微生物時(shí)，管道防腐層一旦發(fā)生破損導致腐蝕微生物侵入，在適宜的環(huán)境下會(huì )快速繁殖和代謝，導致管道急劇腐蝕減薄，對管道本體安全帶來(lái)嚴重挑戰。

目前，國內對受微生物腐蝕影響的長(cháng)輸管道定期檢驗報道的案例較少，對微生物腐蝕影響規律還有待探究。本文通過(guò)理化檢驗對管道微生物腐蝕進(jìn)行致因分析，通過(guò)多輪次內檢測數據對齊分析預測管道微生物腐蝕發(fā)展速度，提出合理的管道維修策略，制定科學(xué)的再檢驗周期。

1  理化檢驗和腐蝕分析

1.1  定期檢驗管道概況

某長(cháng)輸管道長(cháng)度為118 km，管材為X60鋼材，管徑為Φ457 mm，設計壓力為8 MPa，采用密閉保溫、加熱輸送，同時(shí)輔以原油綜合熱處理降凝工藝。管道補口防腐保溫結構采用FBE涂層+防水帽+PE防腐層+PU保溫層+PE熱收縮套。

1.2  理化檢驗結果

對管道某腐蝕缺陷簇（集群）腐蝕產(chǎn)物、保溫層和帶下水采樣后進(jìn)行理化分析，包括腐蝕環(huán)境介質(zhì)分析、腐蝕產(chǎn)物SEM形貌及元素分析。

（1）腐蝕環(huán)境介質(zhì)分析。

針對地下水樣進(jìn)行理化性質(zhì)分析，參照SY/T 0532―2012《油田注入水細菌分析方法 絕跡稀釋法》附錄Ⅲ采用測試瓶進(jìn)行水樣內硫酸鹽還原菌（SRB）、鐵細菌（FB）和腐生菌（TGB）的數目測定。測試結果如表 1所示，水樣pH為7.8，呈弱堿性，含鹽量較多。

表 1 水樣測試結果

 

（2）腐蝕產(chǎn)物分析結果。

腐蝕產(chǎn)物形貌及元素分析。腐蝕產(chǎn)物宏觀(guān)形貌如圖 1所示，呈不規則球狀，外殼為黑色，內部為棕黃色。腐蝕產(chǎn)物微觀(guān)形貌及元素分析如圖 2所示，可以看出腐蝕產(chǎn)物內部和外殼均存在桿狀微生物細胞，內部附著(zhù)較少，外殼附著(zhù)較多。元素分析結果顯示黏附物含有大量的Fe、O和S元素，并含有少量的Si、Ca等元素，腐蝕產(chǎn)物內部S元素含量為2.51 wt%，腐蝕產(chǎn)物外殼S元素含量為1.86 wt%，S元素的存在表明環(huán)境中存在SRB。

圖 1 腐蝕產(chǎn)物宏觀(guān)形貌和微觀(guān)形貌圖 

圖 2 腐蝕產(chǎn)物EDS能譜圖 

腐蝕產(chǎn)物成分分析。腐蝕產(chǎn)物XRD圖譜如圖 3所示，腐蝕產(chǎn)物主要由FeS和FeCO3組成。腐蝕產(chǎn)物的Raman光譜如圖 4所示，內、外腐蝕產(chǎn)物Raman峰位置大體一致，強度略有不同。208和293 cm-1附近的峰為FeS對應的特征譜線(xiàn)；1084 cm-1附近峰為FeCO3；在669～750 cm-1附近出現Raman峰，說(shuō)明有Fe（OH）2/Fe3O4產(chǎn)生。Raman分析表明腐蝕產(chǎn)物主要為鐵氧化物、FeS和FeCO3。

圖 3 腐蝕產(chǎn)物XRD圖譜 

圖 4 腐蝕產(chǎn)物Raman光譜 

（3）微生物腐蝕機理分析。

鐵細菌腐蝕機理分析。鐵細菌指的是一類(lèi)可以通過(guò)鐵元素的氧化過(guò)程獲取生命活動(dòng)所需能源的好氧性細菌[1]。鐵細菌按下式進(jìn)行生物氧化反應：

2FeSO4+3H2O+2CaCO3+0.5O2→2Fe(OH)3+ 2CaSO4+ 2CO2 （1）

4FeCO3+6H2O+O2→4Fe(OH)3+ 4CO2+能量 （2）

氫氧化鐵在管壁表面形成沉淀，積累到一定程度形成厭氧區為硫酸鹽還原菌的生長(cháng)繁殖提供了有利的環(huán)境。

硫酸鹽還原菌腐蝕機理分析。硫酸鹽還原菌是影響管道MIC的主要厭氧菌[2]。一般認為SRB的呼吸過(guò)程為硫酸鹽呼吸，SRB以SO42-為電子受體氧化有機物，利用有機物作為碳源和電子供體維持其生命所必需的能量，通過(guò)分泌胞外聚合物（EPS）形成生物膜黏附于金屬表面，加速材料的腐蝕。

2  數據對齊分析結果

2.1  多輪內檢測數據對齊分析結果

采用數據對齊方法，以該管道2019年、2022年和2023年三輪次內檢測數據對齊后的結果為基礎進(jìn)行了腐蝕增長(cháng)評估。

三輪次內檢測數據對齊后，匹配和未匹配（新增）的金屬損失時(shí)間間隔、最大深度變化和計算最大腐蝕增長(cháng)率分布情況如表 2所示。

表 2 金屬損失最大深度變化量按對齊年份統計結果表

 

2.2  內、外檢測數據對齊分析結果

基于內、外檢測數據對齊的外腐蝕缺陷辨識可依據外檢測中的雜散電流干擾、土壤環(huán)境腐蝕調查等數據，對內檢測發(fā)現的外部金屬損失類(lèi)型與成因進(jìn)行辨識和分析。

通過(guò)雜散電流測試發(fā)現管道存在6處干擾強度為“強”的雜散電流干擾，分別在66.6 km、83.5 km、85.5 km、95.3 km、113.8 km、117.8 km區域。通過(guò)與三輪次內檢測數據對齊分析，發(fā)現存在雜散電流干擾區域內檢測檢出外部金屬損失缺陷數量較多，且外部金屬損失缺陷深度較深，尤其在83.5 km、85.5 km區域附近影響更為強烈。因此，雜散電流干擾加速了管道微生物腐蝕。

3  適用性評價(jià)結果和建議

3.1  基于剩余壽命預測的響應建議

按照GB/T 30582―2014《基于風(fēng)險的埋地鋼質(zhì)管道外損傷檢驗與評價(jià)》的附錄C.1和附錄F.1要求，分別計算剩余強度和剩余壽命。TSG D7003―2022《壓力管道定期檢驗規則—長(cháng)輸管道》中2.5.1（1）條款要求：檢驗周期最長(cháng)不能超過(guò)預測的管道剩余壽命的一半。對2023年內檢測報告的金屬損失（補口異常）類(lèi)缺陷，確定基于剩余壽命預測的建議響應準則：

①計算剩余壽命一半小于1年的（深度≥30% wt），立即響應；

②計算剩余壽命一半小于1年的（15% wt≤深度＜30% wt），計劃響應。

③1年≤計算剩余壽命一半＜3年的（深度≥15% wt），計劃響應，且原則上響應年限不超過(guò)計算剩余壽命的一半。

2023年內檢測報告的深度≥15% wt的金屬損失缺陷共匹配367處，深度存在腐蝕增長(cháng)趨勢的302處，深度存在增長(cháng)趨勢的內部金屬損失11處，深度存在增長(cháng)趨勢的外部金屬損失291處，該302處金屬損失的計算最小剩余壽命為0.2年，其中計算剩余壽命的一半小于1年的有4處深度≥30% wt金屬損失缺陷，建議對該4處金屬損失缺陷進(jìn)行立即響應。

3.2  基于腐蝕機理和腐蝕速率的建議

鑒于長(cháng)輸管道存在微生物腐蝕的特殊情況，國內外暫時(shí)沒(méi)有其他可以參考的科學(xué)評價(jià)法規標準。三輪次內檢測數據對齊后，匹配（增長(cháng)）的金屬損失最大腐蝕增長(cháng)率為4.364 mm/a，未匹配（新增）的金屬損失最大腐蝕增長(cháng)率為2.244 mm/a。結合以往真實(shí)的金屬損失腐蝕增長(cháng)發(fā)生腐蝕微滲漏案例，金屬損失的腐蝕增長(cháng)率約為2.3 mm/a。理化分析和數據分析表明當鐵細菌和硫酸鹽還原菌共同作用時(shí)會(huì )極大地加速腐蝕過(guò)程。

根據以上研究成果，管道補口在腐蝕環(huán)境不變的情況下一旦補口失效發(fā)生微生物腐蝕，管道金屬本體存在從完好到腐蝕穿孔的風(fēng)險，為減緩管道這種腐蝕穿孔風(fēng)險，建議適當縮短管道再檢測周期。

4  結論

根據腐蝕產(chǎn)物、保溫層、水樣的理化分析結果，結合硫酸鹽還原菌（SRB）、鐵細菌（FB）的腐蝕機理分析，微生物腐蝕具備以下特點(diǎn)。

（1）至少包含硫酸鹽還原菌和鐵細菌等兩種以上微生物的共同作用，鐵細菌消耗氧氣為硫酸鹽還原菌形成了局部厭氧環(huán)境，極大程度地加速管道腐蝕。

（2）硫酸鹽還原菌為厭氧細菌，鐵細菌為好氧細菌，所以補口腐蝕區域并非完全有氧或厭氧環(huán)境，或者稱(chēng)為有氧和厭氧共存的微環(huán)境。半封閉狀態(tài)有氧環(huán)境表明補口內部與外部存在基于水介質(zhì)的物質(zhì)流動(dòng)或交換，也為微生物生長(cháng)代謝提供碳源。

（3）Fe3O4為導磁性材料附著(zhù)在管道金屬腐蝕缺陷周?chē)�，是導致漏磁內檢測腐蝕深度較真實(shí)值偏小的一個(gè)因素。

根據內檢測開(kāi)挖驗證結果、多輪次內檢測數據對齊分析結果、內外檢測數據對齊分析結果、內檢測信號的分類(lèi)和詳細比對結果，研究發(fā)現，部分補口區域防腐涂層和外部絕緣層不能有效阻止細菌侵入，部分補口位置底層環(huán)氧涂層受到機械切割而產(chǎn)生破壞，當補口位置受到外力擠壓或受到地下水浸泡時(shí)防腐層系統失效的可能性更高，管道存在已維修套筒角焊縫區域因防腐層失效再次發(fā)生微生物腐蝕的情況。管道受微生物影響形成的金屬腐蝕多為凹坑、弧坑這樣“類(lèi)針孔”狀缺陷，漏磁內檢測對這類(lèi)缺陷存在技術(shù)局限性，存在低估管道腐蝕狀況的風(fēng)險。漏磁內檢測技術(shù)在環(huán)焊縫、螺旋焊縫交角附近區域存在量化腐蝕深度偏低的情況，存在部分金屬損失內檢測信號易受環(huán)角縫影響導致漏報的情況。多輪次內檢測數據對齊分析發(fā)現，管道發(fā)生微生物腐蝕的情況下最大腐蝕增長(cháng)速率達4.364 mm/a，采用增加管道內檢測的頻次和多輪次內檢測數據比對方法可更準確預測管道微生物腐蝕發(fā)展狀況。

 

參考文獻：

[1]伊學(xué)農，任群，王國華，等．給水排水管網(wǎng)優(yōu)化工程設計與運行管理[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

[2]舒韻，閆茂成，魏英華，等.X80管線(xiàn)鋼表面SRB生物膜特征及腐蝕行為[J].金屬學(xué)報，2018，54(10)：1048-1016.

作者簡(jiǎn)介：王沂沛，1989年生，工程師，碩士畢業(yè)于沈陽(yáng)化工大學(xué)控制工程領(lǐng)域專(zhuān)業(yè)，現從事管道檢驗檢測與評價(jià)專(zhuān)業(yè)方向的研究工作。聯(lián)系方式：13478887879，mwduan@126.com。