王沂沛

国家管网集团储运技术发展有限公司

 

摘要：为有效控制长输管道补口带下微生物引起的金属腐蚀风险，探究微生物对长输管道腐蚀影响的规律，对管道腐蚀产物、防腐保温层和补口带下水采样后进行理化分析，对管道微生物腐蚀进行致因分析；基于内外检测数据对齐的外腐蚀缺陷辨识，结合杂散电流干扰和土壤环境腐蚀调查，对内检测发现的外部金属腐蚀与成因进行分析；开展多轮次管道漏磁内检测，对内检测量化尺寸进行多轮次内检测数据对齐分析，预测管道微生物腐蚀发展速度。结果表明，至少包含硫酸盐还原菌（SRB）和铁细菌（FB）两种以上微生物的共同作用，极大程度加速了管道腐蚀；部分管段存在杂散电流干扰，与SRB生物膜协同加速了管道表面的点蚀；管道受微生物影响形成的金属腐蚀多为凹坑、弧坑这样“类针孔”状缺陷，漏磁内检测对这类缺陷的技术局限性，存在低估管道腐蚀状况的风险；微生物腐蚀在腐蚀后期存在腐蚀加速的情况，增加管道内检测的频次，采用多轮次内检测数据比对方法可更准确预测管道微生物腐蚀发展状况。

关键词：微生物；腐蚀；管道内检测；检验

 

随着国内长输管道的快速建设和投运，管道运行面临的地理环境也越来越复杂。当管道敷设环境中存在多种腐蚀微生物时，管道防腐层一旦发生破损导致腐蚀微生物侵入，在适宜的环境下会快速繁殖和代谢，导致管道急剧腐蚀减薄，对管道本体安全带来严重挑战。

目前，国内对受微生物腐蚀影响的长输管道定期检验报道的案例较少，对微生物腐蚀影响规律还有待探究。本文通过理化检验对管道微生物腐蚀进行致因分析，通过多轮次内检测数据对齐分析预测管道微生物腐蚀发展速度，提出合理的管道维修策略，制定科学的再检验周期。

1  理化检验和腐蚀分析

1.1  定期检验管道概况

某长输管道长度为118 km，管材为X60钢材，管径为Φ457 mm，设计压力为8 MPa，采用密闭保温、加热输送，同时辅以原油综合热处理降凝工艺。管道补口防腐保温结构采用FBE涂层+防水帽+PE防腐层+PU保温层+PE热收缩套。

1.2  理化检验结果

对管道某腐蚀缺陷簇（集群）腐蚀产物、保温层和带下水采样后进行理化分析，包括腐蚀环境介质分析、腐蚀产物SEM形貌及元素分析。

（1）腐蚀环境介质分析。

针对地下水样进行理化性质分析，参照SY/T 0532―2012《油田注入水细菌分析方法 绝迹稀释法》附录Ⅲ采用测试瓶进行水样内硫酸盐还原菌（SRB）、铁细菌（FB）和腐生菌（TGB）的数目测定。测试结果如表 1所示，水样pH为7.8，呈弱碱性，含盐量较多。

表 1 水样测试结果

 

（2）腐蚀产物分析结果。

腐蚀产物形貌及元素分析。腐蚀产物宏观形貌如图 1所示，呈不规则球状，外壳为黑色，内部为棕黄色。腐蚀产物微观形貌及元素分析如图 2所示，可以看出腐蚀产物内部和外壳均存在杆状微生物细胞，内部附着较少，外壳附着较多。元素分析结果显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，腐蚀产物内部S元素含量为2.51 wt%，腐蚀产物外壳S元素含量为1.86 wt%，S元素的存在表明环境中存在SRB。

图 1 腐蚀产物宏观形貌和微观形貌图 

图 2 腐蚀产物EDS能谱图 

腐蚀产物成分分析。腐蚀产物XRD图谱如图 3所示，腐蚀产物主要由FeS和FeCO3组成。腐蚀产物的Raman光谱如图 4所示，内、外腐蚀产物Raman峰位置大体一致，强度略有不同。208和293 cm-1附近的峰为FeS对应的特征谱线；1084 cm-1附近峰为FeCO3；在669～750 cm-1附近出现Raman峰，说明有Fe（OH）2/Fe3O4产生。Raman分析表明腐蚀产物主要为铁氧化物、FeS和FeCO3。

图 3 腐蚀产物XRD图谱 

图 4 腐蚀产物Raman光谱 

（3）微生物腐蚀机理分析。

铁细菌腐蚀机理分析。铁细菌指的是一类可以通过铁元素的氧化过程获取生命活动所需能源的好氧性细菌[1]。铁细菌按下式进行生物氧化反应：

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

4FeCO3+6H2O+O2→4Fe(OH)3+ 4CO2+能量 （2）

氢氧化铁在管壁表面形成沉淀，积累到一定程度形成厌氧区为硫酸盐还原菌的生长繁殖提供了有利的环境。

硫酸盐还原菌腐蚀机理分析。硫酸盐还原菌是影响管道MIC的主要厌氧菌[2]。一般认为SRB的呼吸过程为硫酸盐呼吸，SRB以SO42-为电子受体氧化有机物，利用有机物作为碳源和电子供体维持其生命所必需的能量，通过分泌胞外聚合物（EPS）形成生物膜黏附于金属表面，加速材料的腐蚀。

2  数据对齐分析结果

2.1  多轮内检测数据对齐分析结果

采用数据对齐方法，以该管道2019年、2022年和2023年三轮次内检测数据对齐后的结果为基础进行了腐蚀增长评估。

三轮次内检测数据对齐后，匹配和未匹配（新增）的金属损失时间间隔、最大深度变化和计算最大腐蚀增长率分布情况如表 2所示。

表 2 金属损失最大深度变化量按对齐年份统计结果表

 

2.2  内、外检测数据对齐分析结果

基于内、外检测数据对齐的外腐蚀缺陷辨识可依据外检测中的杂散电流干扰、土壤环境腐蚀调查等数据，对内检测发现的外部金属损失类型与成因进行辨识和分析。

通过杂散电流测试发现管道存在6处干扰强度为“强”的杂散电流干扰，分别在66.6 km、83.5 km、85.5 km、95.3 km、113.8 km、117.8 km区域。通过与三轮次内检测数据对齐分析，发现存在杂散电流干扰区域内检测检出外部金属损失缺陷数量较多，且外部金属损失缺陷深度较深，尤其在83.5 km、85.5 km区域附近影响更为强烈。因此，杂散电流干扰加速了管道微生物腐蚀。

3  适用性评价结果和建议

3.1  基于剩余寿命预测的响应建议

按照GB/T 30582―2014《基于风险的埋地钢质管道外损伤检验与评价》的附录C.1和附录F.1要求，分别计算剩余强度和剩余寿命。TSG D7003―2022《压力管道定期检验规则—长输管道》中2.5.1（1）条款要求：检验周期最长不能超过预测的管道剩余寿命的一半。对2023年内检测报告的金属损失（补口异常）类缺陷，确定基于剩余寿命预测的建议响应准则：

①计算剩余寿命一半小于1年的（深度≥30% wt），立即响应；

②计算剩余寿命一半小于1年的（15% wt≤深度＜30% wt），计划响应。

③1年≤计算剩余寿命一半＜3年的（深度≥15% wt），计划响应，且原则上响应年限不超过计算剩余寿命的一半。

2023年内检测报告的深度≥15% wt的金属损失缺陷共匹配367处，深度存在腐蚀增长趋势的302处，深度存在增长趋势的内部金属损失11处，深度存在增长趋势的外部金属损失291处，该302处金属损失的计算最小剩余寿命为0.2年，其中计算剩余寿命的一半小于1年的有4处深度≥30% wt金属损失缺陷，建议对该4处金属损失缺陷进行立即响应。

3.2  基于腐蚀机理和腐蚀速率的建议

鉴于长输管道存在微生物腐蚀的特殊情况，国内外暂时没有其他可以参考的科学评价法规标准。三轮次内检测数据对齐后，匹配（增长）的金属损失最大腐蚀增长率为4.364 mm/a，未匹配（新增）的金属损失最大腐蚀增长率为2.244 mm/a。结合以往真实的金属损失腐蚀增长发生腐蚀微渗漏案例，金属损失的腐蚀增长率约为2.3 mm/a。理化分析和数据分析表明当铁细菌和硫酸盐还原菌共同作用时会极大地加速腐蚀过程。

根据以上研究成果，管道补口在腐蚀环境不变的情况下一旦补口失效发生微生物腐蚀，管道金属本体存在从完好到腐蚀穿孔的风险，为减缓管道这种腐蚀穿孔风险，建议适当缩短管道再检测周期。

4  结论

根据腐蚀产物、保温层、水样的理化分析结果，结合硫酸盐还原菌（SRB）、铁细菌（FB）的腐蚀机理分析，微生物腐蚀具备以下特点。

（1）至少包含硫酸盐还原菌和铁细菌等两种以上微生物的共同作用，铁细菌消耗氧气为硫酸盐还原菌形成了局部厌氧环境，极大程度地加速管道腐蚀。

（2）硫酸盐还原菌为厌氧细菌，铁细菌为好氧细菌，所以补口腐蚀区域并非完全有氧或厌氧环境，或者称为有氧和厌氧共存的微环境。半封闭状态有氧环境表明补口内部与外部存在基于水介质的物质流动或交换，也为微生物生长代谢提供碳源。

（3）Fe3O4为导磁性材料附着在管道金属腐蚀缺陷周围，是导致漏磁内检测腐蚀深度较真实值偏小的一个因素。

根据内检测开挖验证结果、多轮次内检测数据对齐分析结果、内外检测数据对齐分析结果、内检测信号的分类和详细比对结果，研究发现，部分补口区域防腐涂层和外部绝缘层不能有效阻止细菌侵入，部分补口位置底层环氧涂层受到机械切割而产生破坏，当补口位置受到外力挤压或受到地下水浸泡时防腐层系统失效的可能性更高，管道存在已维修套筒角焊缝区域因防腐层失效再次发生微生物腐蚀的情况。管道受微生物影响形成的金属腐蚀多为凹坑、弧坑这样“类针孔”状缺陷，漏磁内检测对这类缺陷存在技术局限性，存在低估管道腐蚀状况的风险。漏磁内检测技术在环焊缝、螺旋焊缝交角附近区域存在量化腐蚀深度偏低的情况，存在部分金属损失内检测信号易受环角缝影响导致漏报的情况。多轮次内检测数据对齐分析发现，管道发生微生物腐蚀的情况下最大腐蚀增长速率达4.364 mm/a，采用增加管道内检测的频次和多轮次内检测数据比对方法可更准确预测管道微生物腐蚀发展状况。

 

参考文献：

[1]伊学农，任群，王国华，等．给水排水管网优化工程设计与运行管理[M]．北京：化学工业出版社，2006.

[2]舒韵，闫茂成，魏英华，等.X80管线钢表面SRB生物膜特征及腐蚀行为[J].金属学报，2018，54(10)：1048-1016.

作者简介：王沂沛，1989年生，工程师，硕士毕业于沈阳化工大学控制工程领域专业，现从事管道检验检测与评价专业方向的研究工作。联系方式：13478887879，mwduan@126.com。