曾传海 石焕 熊凡玖 朱燕林 胡积熙

国家管网集团西气东输南昌输气分公司

 

摘要：针对管道环焊缝开挖验证中发现的补口位置锈蚀问题，结合不同地貌土壤环境特征，深入分析了在阴极保护电位达标情况下依然发生腐蚀的内在机理。研究确认，补口失效是阴极保护屏蔽效应、土壤环境差异及施工质量因素共同作用的结果。基于对35道环焊缝开挖样本的定量分析，系统阐述了补口失效的主要模式及其与腐蚀程度的关联性，进而提出了优化补口材料、改进施工工艺、强化阴极保护监测及实施差异化防护策略等综合性管理措施，为提升在役管道完整性管理提供技术依据。

关键词：管道补口；腐蚀机理；土壤环境；阴极保护；管理措施

 

长输天然气管道补口是管道防腐的薄弱环节，其失效会直接诱发管体局部腐蚀，严重威胁管道完整性与运行安全。近年来，环焊缝开挖验证工作中屡屡发现，即便所在管段的阴极保护电位监测值符合规范要求，补口材料剥离后的管道本体表面仍存在不同程度的锈蚀。这一现象表明，常规的阴极保护电位监测手段难以有效监测与评价补口层下的真实腐蚀状态。目前，现场补口多采用辐射交联聚乙烯热收缩带（套），其施工涵盖表面处理、底漆涂覆与热收缩带烘烤等多道工序。受制于野外施工条件、环境因素及人工作业差异，补口质量往往存在偏差。本文从补口锈蚀机理剖析入手，结合现场开挖调查的定量数据与不同地貌土壤环境特征，提出有针对性的管控措施，旨在为管道长期安全运行提供实践范本。

1  问题与风险分析

1.1  补口腐蚀机理分析

（1）补口失效模式。管道补口失效主要表现为两种形式：一是热收缩带与管体三层聚乙烯防腐层搭接部位密封失效，呈现剥离状态；二是热收缩带与补口部位的管体、PE局部黏结差，导致热收缩带可从管体上轻松剥离。这些失效模式使得水分和腐蚀性物质得以侵入管道表面，引起腐蚀。

（2）阴极保护屏蔽效应。热收缩带属于高绝缘且非渗透性材料，对阴极保护电流具有屏蔽作用，因此热收缩带的补口失效具有隐蔽性和高危险性。即使在阴极保护电位达标情况下，补口层下仍可能发生腐蚀，这主要是由于阴极保护电流无法有效穿透到剥离的补口层下方。研究表明对于存在开口缺陷的热收缩带补口试样，阴极保护的效果会随着时间推移而显著降低。在干燥土壤中，阴极保护尚能有效作用于破损处；然而，在潮湿或饱和水分的土壤中，电解质的充分存在会加剧屏蔽效应。随着时间延长，阴极保护电流甚至可能通过电化学作用加速涂层剥离和缝隙内的腐蚀进程[1]。

通过电化学测试发现，在饱和水分的土壤中，带有破损并剥离的热收缩带试样，其阴极保护效果在实验后期基本失效，且腐蚀程度加剧。

对于热收缩带开口补口试样，阴极保护效果随时间延长而逐渐减弱，阴极保护电流的影响甚至会加速管体腐蚀（表 1）。

表 1 不同热收缩带状态下的阴极保护效果对比 

（3）施工质量因素。补口失效主要由于施工人员责任心不强、技能水平较低（如底漆漏刷、烘烤不足等）及现场监管不到位等原因导致。热收缩带施工为手工烘烤，加热不均匀导致热熔胶局部未熔融处形成空鼓；原有结构为湿膜法施工，安装热收缩带时底漆已固化，热熔胶与固化后的底漆表面黏结效果差所导致的剥离等。

1.2  土壤环境对补口腐蚀的影响分析

（1）土壤电阻率与腐蚀特性。土壤电阻率是影响腐蚀过程的重要参数，直接决定了电化学腐蚀的速率和阴极保护效果。朱加祥等[2]研究表明高土壤电阻率会直接阻碍阴极保护系统的正常运作，其案例分析中就发现因阳极埋设点土壤干燥致使土壤电阻率较高，增大了系统回路电阻，导致阴极保护系统失效，随着土壤电阻率的增大，阴极保护电位升高（正向移动），法兰和防腐层破损区域管道的腐蚀加剧。不同土壤类型的电阻率差异显著，直接影响补口腐蚀的速度和形式。

①砂质土壤：通常具有高电阻率，腐蚀速率较低，但阴极保护效果较差；②黏土土壤：电阻率较低，保持水分能力强，腐蚀风险较高；③盐碱土壤：含有高浓度盐分，电阻率极低，腐蚀性极强；④混合土壤：腐蚀特性取决于组成成分和含水量。

（2）土壤含水量与腐蚀关系。土壤含水量是影响腐蚀过程的另一个关键因素，它通过改变土壤电阻率和影响氧扩散速率来影响腐蚀过程。曾冬冬[3]的研究表明在不同湿度条件下，补口腐蚀行为表现出显著差异，其核心结论揭示了土壤湿度、补口状态和阴极保护三者互相影响，并最终决定了补口的腐蚀行为。

①高含水量土壤（饱和湿度）：阴极保护在前期对涂层已破损并剥离和只发生破损未剥离的试样有保护效果，但随着时间延长，充足的电解质溶液和阴极保护会加快涂层的剥离，并由此产生严重的局部腐蚀；②中等含水量土壤：破损涂层试样能够得到完全的阴极保护，而破损剥离涂层试样在剥离处会进一步产生更严重的剥离，导致试样的严重腐蚀；③低含水量土壤：所有涂层在短期内都不会发生腐蚀；④干湿交替环境：破损涂层试样腐蚀最为严重，随着时间延长，其涂层会出现新的剥离和破损，剥离涂层下发生严重的局部腐蚀。

（3）不同地貌环境的腐蚀风险。天然气长输管道经过多种地貌环境，包括沙漠地区、黄土高原、山区丘陵和水网地带等，每种地貌具有独特的土壤特性和腐蚀风险（表 2）。

表 2 不同地貌土壤环境中的补口腐蚀形式和风险

 

对比分析表明，补口结构缺陷对腐蚀的影响通常大于土壤类型的影响。存在缺陷的补口试样在腐蚀性强的盐渍土和砂石土中更易发展为危害更大的点腐蚀，相较于黄黏土中的均匀腐蚀，风险显著升高。

2  现场调查与定量分析

为准确评估在役管道补口的整体状况与失效风险，本研究以开挖的35道环焊缝为样本进行详细勘察。被调查管道运行年限10年以上，补口类型主要为热收缩带（套）。

2.1  补口失效模式的定量统计

详细记录35个开挖点样本的状况并分类统计，结果如表 3所示。

表 3 补口主要失效模式统计 

数据显示，阴极保护屏蔽现象最为普遍（71.4%），表明即便补口外观完好，其结构也可能使管体处于阴极保护的“盲区”。黏结失效（62.9%）与密封失效（51.4%）是导致腐蚀介质侵入的直接原因，构成了补口失效的核心要素

2.2  补口下钢管腐蚀状况统计

根据开挖后钢管表面的实际情况，我们将腐蚀程度分为四个等级并进行统计，结果如图 1所示。典型补口失效与腐蚀类型现场示例如图 2所示。

图 1 补口下钢管腐蚀程度分布情况 

图 2 补口失效与腐蚀类型现场 

分析表明，存在可观测腐蚀（C2至C4级）的样本占比高达85.7%，其中中度至严重腐蚀（C3+C4）的样本合计占比62.9%，证明了当前补口系统的可靠性不足，失效风险极高。

2.3  失效原因与腐蚀程度的关联性分析

我们将补口失效模式与钢管腐蚀程度进行关联分析发现：

（1）所有C4级（严重腐蚀）样本均同时存在黏结失效和密封失效。

（2）阴极保护屏蔽在C3和C4级腐蚀样本中普遍存在，它加剧了在防腐层破损处的腐蚀速率。

（3）在仅有热收缩带破损但未发生黏结/密封失效的样本中，腐蚀程度多为C1或C2级，说明只要底层黏结良好，阴极保护系统仍能在一定程度上发挥作用。

可见，“密封与黏结失效”是诱发补口下钢管严重腐蚀的必要条件，而“阴极保护屏蔽”效应则极大地提升了此风险，使得局部腐蚀在缺乏有效电化学保护下加速进行。

3  管理措施建议

3.1  补口材料优化

针对不同区段环境特征，宜选用性能更优的补口材料体系。

（1）粘弹体胶带+压敏胶型热收缩带。该组合具有良好的综合性能，包括优异的防腐绝缘性、耐阴极剥离性、抗水渗透性及机械性能，与3PE层黏结密封可靠，长期稳定性好，且对表面处理要求相对宽松，施工便捷。

（2）无溶剂环氧涂料+压敏胶型热收缩带。该体系性能稳定，黏结强度高，但对管体表面处理要求极为严格，施工工艺复杂。

工程实践表明，“粘弹体+压敏胶型热收缩带”体系与3PE防腐层匹配性佳，已在近年管道修复中验证其性能达标。

3.2  施工工艺改进

严格控制施工环节是保障补口具备长期良好性能的关键。

（1）表面处理。确保补口施工与表面处理间隔不超过2小时；若出现返锈、污染须重新处理；除锈等级应达ST3级。

（2）预热温度控制。使用火焰加热器均匀预热补口部位至规定温度。

（3）施工环境控制。环境湿度>85%或雨雪天气时，禁止施工。

（4）过程监控。每个补口均需经15 kV电火花检漏，确保无针孔。

3.3  检测与评估技术提升

构建多层次检测评估体系。

（1）内检测技术。定期开展漏磁内检测工作，识别潜在补口失效及管体缺陷问题。

（2）阴极保护有效性评估。关注阴极保护电流分布，识别屏蔽区域。

（3）定期开挖验证。按照计划开展环焊缝及补口质量验证。

（4）数据分析与应用。整合历史开挖数据，深入分析管道本体运行情况。

3.4  差异化防护策略

依据管道途经地貌的腐蚀风险等级，实施差异化管控策略。

（1）高腐蚀风险区（水网地带、盐碱地）。提升检测频次，采用高性能防腐材料，考虑增设CP增强系统。

（2）中等腐蚀风险区（黄土高原、山区丘陵）。应用优良补口材料，强化施工质量控制与定期监测。

（3）低腐蚀风险区（沙漠地区）。执行标准防护与常规监测维护。

3.5  维护与修复措施

针对已发生腐蚀的补口，需规范实施以下修复措施。

（1）表面处理。彻底清除补口区污物并喷砂除锈至要求等级。

（2）修复材料选择。优先选用“粘弹体胶带+压敏胶型热收缩带”体系。

（3）修复质量控制。修复后须进行严格的外观检查、电火花检漏（15 kV）及黏结强度测试。

4  结论与展望

本文通过现场调查与定量分析，结合土壤环境特征，得出以下主要结论。

（1）补口位置锈蚀是阴极保护屏蔽、土壤环境侵蚀与施工质量缺陷共同作用的结果。定量数据显示，85.7%的受检样本存在腐蚀，62.9%已达中至严重程度，证实即便阴极保护电位达标，补口层下腐蚀风险依然严峻。

（2）定量分析明确，黏结失效（62.9%）与密封失效（51.4%） 是导致严重腐蚀的直接诱因，而阴极保护屏蔽（71.4%）的广泛存在显著加剧了此风险。土壤电阻率、含水量与离子含量是主要环境影响因素，需依据地貌风险实施差异化防护策略。

（3）通过系统化的材料优化、工艺改进、检测强化与防护策略差异化，可有效管控补口腐蚀问题，提升管道完整性水平。

未来研究可聚焦于以下几个方面：开发长效耐久的新型补口材料与技术；深化阴极保护电流在复杂土壤环境中分布规律研究，提升保护有效性；利用大数据与人工智能技术，构建管道腐蚀智能监测与预警系统。

 

参考文献：

[1]王芷涵，李晓刚，杜艳霞，等. 不同土壤湿度下热收缩带补口阴极保护屏蔽效应研究[J]. 中国腐蚀与防护学报，2022，42(01)：149-155.

[2]朱加祥，贾光猛，尚增辉，等.某大型站场强制电流阴极保护失效的原因[J].腐蚀与防护，2021，42(05)：70-73+77.

[3]曾冬冬.阴极保护条件下3PE防腐层埋地管道补口腐蚀行为研究[D].湖南大学，2014.DOI:10.27135/d.cnki.ghudu.2014.000033.

作者简介：曾传海，南昌输气分公司工程师，主要从事腐蚀控制、第三施工管理等方面的工作，联系方式：18079165260，164195311@qq.com。