盾构穿越管道腐蚀防护现状及应对策略

吴 斌

(中国石化青岛液化天然气有限责任公司,青岛 266499)

目前,长输油气管道共有10种常见的穿、跨越方式。穿越方式有大开挖、定向钻、盾构隧道、钻爆隧道、夯管、顶管等6种方式;跨越方式有桁架跨越、拱桥跨越、悬索跨越、斜拉锁跨越等4种方式[1-3]。其中,管道盾构隧道穿越作为一种机械自动化程度高、适用地层广泛、安全度较高的管道铺设方式,近年来应用越来越广泛[4-7]。盾构隧道是用盾构机在地面以下暗挖隧道,盾构机前方设有支撑和开挖装置,中段安装顶进所需的千斤顶,尾部可以拼装预制或现浇混凝土衬砌环,盾构机每推进一环距离,就在尾部支护或拼装一环衬砌,并向衬砌环外围的空隙中压注水泥浆,掘进完成后形成一条能够铺设管道的隧道[8-13]。

盾构穿越管道的结构包括始发井、接收井,S形热煨弯管、隧道内管道、钢支架结构等。盾构管道建成后,通过固定墩、混凝土支座和钢支架等保证管道稳固。管道投产后,盾构隧道一般会水封、土封或者泡沫混凝土浇筑密封[14-15]。

本工作通过对国内在役盾构穿越管道及附属设施进行现场调查,分析了隧道内管道防腐蚀层以及补口的有效性、管卡螺栓腐蚀与防腐蚀效果、隧道环片螺栓腐蚀、牺牲阳极系统腐蚀等常见问题,总结了防腐蚀失效的原因,并比较了目前管道腐蚀控制的技术方法,为今后盾构穿越管道的腐蚀防护设计和运营维护提供参考。

1 盾构穿越管道的腐蚀防护现状

管道A盾构穿越工程,管径为1 016 mm,穿越长度为2 200 m。运行5 a后进行检测。管道直管段采用3LPE防腐蚀层;热煨弯管采用双层FBE加聚丙烯胶黏带;管道补口采用黏弹体加聚丙烯胶黏带。隧道内管卡、管支墩、预埋螺栓、预埋钢板等钢结构,采用热镀锌进行防腐蚀处理,安装完成后采用黏弹体对暴露的螺栓、钢支座及预埋钢板焊接部分进行密封处理。管道建成后充水运行,无单独阴极保护系统。

管道B盾构穿越工程,管径为1 016 mm,穿越长度为2 800 m。运行5 a后进行检测。管道直管段采用3LPE防腐蚀层;热煨弯管采用双层FBE涂层;管道补口采用黏弹体加聚丙烯胶黏带。隧道内管卡、管支墩等钢结构,采用热镀锌进行防腐蚀处理,螺栓和螺母采用表面发蓝处理。管道建成后充水运行,无单独阴极保护系统。

管道C盾构穿越工程,管径为1 219 mm,设计压力为10 MPa,穿越长度为2 600 m。运行6 a后进行抽水检测。管道直管段采用3LPE防腐蚀层;热煨弯管采用双层FBE涂层;管道补口采用黏弹体加聚丙烯胶黏带。隧道内管卡、管支墩、预埋螺栓、预埋钢板等钢结构,采用热镀锌进行防腐蚀处理。管道充水运行,无独立阴极保护系统。

管道D盾构穿越工程,管径为1 016 mm,穿越长度为518 m。2003年6月投产,至今已水封近15 a。曾于2009年对管道进行检测,并完成了管道补口修复,2018年5月再次对管道进行检测。管道直管段采用3LPE防腐蚀层;热煨弯管采用双层FBE加聚丙烯胶黏带;管道补口采用热收缩带。管道充水运行,无单独阴极保护系统。

管道E盾构穿越工程,管径为813 mm,穿越长度为1 400 m。2004年投产,盾构隧道通过地下渗透水自然水封,2010年10月进行抽水检查。管道直管段采用双层FBE防腐蚀层;补口采用热收缩带。

对5条盾构穿越管道进行现场调查,调查情况及发现的主要问题如下:

1) 除管道E盾构穿越工程外,其余管道主体防腐蚀层都是采用3LPE,运行中防腐蚀效果良好。

2) 热煨弯管基本都采用双层FBE或再外缠聚丙烯带,现场调查发现弯管防腐蚀层磕碰损伤较为严重,尤其是竖井内弯管,部分防腐蚀层损伤后也没有修补,如图1所示。

图1 热煨弯防腐蚀层的磕碰损伤Fig.1 Bump damage of corrosion resistant coating on hot bend

3) 管道D和管道E盾构穿越工程最初都采用热收缩带进行补口,检查发现热缩带补口基本全部密封失效,如图2所示。这说明在材料和施工无法保证质量的情况下,热收缩带不适用于隧道内管道补口。

图2 热收缩带补口失效Fig.2 Failure of heat shrinkable tape field joint coating

4) 黏弹体加外缠带的补口结构,总体来说防腐蚀效果不错。但是管道C盾构工程的大部分黏弹体发生防腐蚀密封失效,如图3所示,初步判断是黏弹体质量不达标。

图3 不合格黏弹体导致的补口失效Fig.3 Failure of field joint coating caused by unqualified viscoelastic body

5) 部分隧道的管卡和螺栓采用牺牲阳极保护,总体来说当其完全浸泡在水中时腐蚀速率最慢,在潮湿空气中与半浸泡时腐蚀速率最快。没有进行防腐蚀处理的管卡和管片螺栓,普遍存在腐蚀问题,个别腐蚀情况较为严重。

6) 部分隧道的螺栓采用了黏弹体进行防腐蚀处理,防腐效果较好。

7) 隧道完全充水后,管道及钢构件所在水下环境稳定,氧气含量低,腐蚀速率慢,有利于管道、钢结构等防腐蚀。

2 盾构穿越管道腐蚀控制策略

2.1 直管段

盾构穿越直管段腐蚀控制主要使用阴极保护和防腐蚀层。一般情况下,盾构穿越管道的阴极保护与常规浅埋管道共用一套阴极保护系统,不单独针对盾构穿越管道设计阴极保护系统。

盾构穿越管道的防腐蚀层主要有三种类型,不同防腐蚀层的优缺点总结如表1所示。三种类型的防腐蚀层都可以作为埋地管道的防腐蚀层,对于盾构穿越管道来说,为了保持涂层的一致性,盾构穿越管道直管段一般使用与主体管道相同的加强级防腐蚀层。由于盾构穿越管道与主体管道无绝缘接头,并且建成后一般在隧道内充水密封,因此不为盾构穿越管道设计单独阴极保护系统也较为合理。

表1 直管段防腐蚀层类型及优缺点[16-17]Tab.1 Types of corrosion resistant coating and their advantages and disadvantages for straight pipe section

2.2 热煨弯管

现场调查发现竖井内热煨弯管防腐蚀层存在明显破损缺陷、严重损伤点及多处点状损伤漏点,从防腐蚀层损伤部位、形状、类型分析,损伤原因有以下四类:物料堕落损伤、附属管类冲插损伤、管道受力变形位移损伤和人为因素损伤。对热煨弯管防腐蚀层的优缺点进行总结,如表2所示。

表2 热煨弯管防腐蚀层类型及优缺点[18]Tab.2 Types of corrosion resistant coating and their advantages and disadvantages for hot bend

与其他类型防腐蚀层比,DPS防腐蚀层具有一定的抗冲击能力,但实际使用中,仍会在运输、弯管对接组焊以及下沟回填过程中由于磕碰、拖拽等原因受到损坏。对于大口径管道来说,防腐蚀层现场修补工程量大,如热煨弯管仅使用FBE涂层还会遇到以下问题:双层FBE属于薄脆涂层,易磕碰损坏;FBE防腐蚀层与3LPE防腐蚀层不匹配,阴极保护电流不一致;防腐蚀层现场检漏电压不一致,3LPE为15 kV,FBE为5 V/μm,现场经常出现同一检漏电压导致FBE击穿的情况,若不修补或者修补不合格,埋地后易出现鼓包、剥离等问题。总体来说,建议盾构穿越管道热煨弯管防腐蚀层使用FBE加聚烯烃胶黏带外护。

2.3 管道补口

管道补口是埋地管道腐蚀控制的重点和难点。现场调查发现,管道D和管道E盾构穿越工程中均使用了热收缩带补口,运行后它们基本全部密封失效。这与2009年延水关隧道和2010年红花套隧道的检查情况相符。GB/T 51241—2017《管道外防腐补口技术规范》规定:山岭隧道段管道覆土方式敷设时补口可选用黏弹体防腐蚀胶带加聚丙烯胶黏带和黏弹体防腐蚀胶带加压敏胶型热收缩材料;水域隧道穿越段管道补口可选用玛蹄脂型聚乙烯热收缩材料、压敏胶型热收缩材料、黏弹体胶带加聚合物胶黏带。中石油CDP文件《油气管道线路防腐层技术规定》(CDP-G-OGP-AC-009-2013-1)规定:水域隧道穿越段管道补口材料可选用黏弹体防腐蚀带加聚丙烯胶黏带、压敏胶型热收缩带。由此可见,在水域隧道内不推荐采用热收缩带。因此,隧道内管道补口最好采用黏弹体加压敏胶型热收缩带,并且强调黏弹体长效性能至关重要。

2.4 管道钢构件

盾构隧道内的钢构件包括混凝土固定支墩、支架、管卡、固定螺栓等,腐蚀控制的主要目的是维持附属金属设施达到设计运行年限。从现场调查结果来看,混凝土固定支墩状态良好,可持续有效使用。管道E盾构管卡与支撑墩有轻微腐蚀,螺栓主体表面腐蚀较重。对于管道固定螺栓,使用黏弹体能显著提升其防腐蚀质量,如果采用水封运行,水中氧含量低,将阻止螺栓氧化反应,再加上牺牲阳极块的正常运行,可提高阴极保护效果并控制锈蚀速率。

管道固定支座牺牲阳极检查时,未发现有明显的损耗,牺牲阳极对管道固定支座起到保护作用。采用牺牲阳极进行保护的盾构管道钢构件都是充水运行,牺牲阳极与被保护体均处在水中,防腐蚀效果好。

隧道内钢构件防腐蚀材料主要有黏弹体、自硫化液体橡胶和无溶剂液体环氧涂料,这三种材料的性能及优缺点如表3所示。

表3 钢构件防腐蚀材料的优缺点[19-20]Tab.3 Advantages and disadvantages of anti-corrosion materials for steel components

从现场调查结果及表3防腐蚀材料的优缺点给出盾构穿越管道钢构件腐蚀控制设计建议:

1) 隧道内螺栓采用黏弹体防护。自硫化橡胶需喷涂施工,对于螺栓等小构件施工不方便。

2) 隧道内管卡、预留轨道及钢结构采用无溶剂液态环氧涂料。隧道内所有钢结构在隧道外进行防腐蚀涂装,对于在安装过程中出现的涂层损伤、破损部位及焊接部位,在隧道内直接采用无溶剂环氧涂料进行修补,并进行防腐蚀层漏点检测,确保防腐蚀层无漏点。

3) 对于充水运行的盾构穿越管道钢结构，建议使用牺牲阳极进行保护。

3 总结与建议

关于盾构穿越管道的腐蚀与防护设计标准不多,目前只有SY/T 7023—2014《油气输送管道工程水域盾构法隧道穿越设计规范》提出了盾构穿越管道相关的腐蚀与防护要求,但是这些要求并不全面,还应结合现场实际情况,完善标准内容。

通过对盾构穿越管道腐蚀与防护现状进行调研,并根据调研情况查阅了相关规范和文献,针对盾构穿越管道的腐蚀控制应做好以下几点:

1) 基于内检测数据分析盾构穿越管道补口位置的腐蚀情况,及时修复补口失效。

2) 基于管道应力变化及隧道内钢结构的腐蚀情况,应定期对盾构隧道内设施进行全面检查。

3) 由于盾构穿越管道与干线管道共用阴极保护系统,应确保盾构穿越管道两侧的极化电位达到标准要求。

4) 新建盾构穿越管道时,应重点考虑隧道内管道补口、钢结构的腐蚀防护问题,热煨弯管防腐蚀设计应考虑防磕碰。