本發(fā)明屬于城市埋地管網(wǎng)安全性檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域,尤其是涉及一種地鐵線附近雜散電流引起埋地金屬燃?xì)夤艿栏g的綜合判定方法。
背景技術(shù):
隨著近些年全球能源消耗與環(huán)境污染等問(wèn)題日益凸顯,我國(guó)正不斷進(jìn)行能源結(jié)構(gòu)調(diào)整,以天然氣為主的清潔燃?xì)饽茉丛絹?lái)越受到重視與應(yīng)用。而埋地燃?xì)夤艿雷鳛檩斔腿細(xì)獾闹匾d體,不僅在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有重要的戰(zhàn)略地位,同時(shí)也是保障城市正常運(yùn)行的生命線,對(duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著極其重要的意義。但是隨著城市化進(jìn)程的加快,城市埋地燃?xì)夤艿朗艿罔F等軌道交通線路的不良影響而導(dǎo)致異常泄漏事故頻發(fā),其運(yùn)行的安全穩(wěn)定性面臨著一系列挑戰(zhàn)。
上海市早期建設(shè)的埋地燃?xì)夤艿酪越饘黉撡|(zhì)為主且多為大口徑,管網(wǎng)鋪設(shè)范圍廣泛,在多處交通樞紐以及重要的地鐵線附近分布較為集中。其中,位于上海市內(nèi)一路段的一條直徑為1m的埋地大口徑燃?xì)夤艿涝陔s散電流的作用下發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕穿孔泄漏,管道底部存在著大量的孔洞。按照管道建設(shè)時(shí)期的工程設(shè)計(jì)要求,該路段管道的正常使用壽命為30年,但是運(yùn)行了20年就如此頻繁的發(fā)生管道泄漏事故,且事故程度愈演愈烈,這嚴(yán)重影響了整個(gè)城市埋地燃?xì)夤芫W(wǎng)系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行,給社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)了重大的安全隱患。
城市埋地金屬燃?xì)夤艿佬孤┦У陌咐m然在國(guó)內(nèi)外已有報(bào)道,對(duì)雜散電流引起的管道腐蝕研究也正逐步深入,但是本發(fā)明方法所涉及到的新雜散電流復(fù)合腐蝕機(jī)理、特殊的雜散電流腐蝕形貌以及系統(tǒng)的綜合判定方法在目前國(guó)內(nèi)外都沒(méi)有對(duì)其進(jìn)行研究或報(bào)道過(guò)。該判定方法中所研究的新的復(fù)合腐蝕機(jī)理以及管道發(fā)生異常泄漏的根本原因?qū)τ谖磥?lái)城市埋地燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全性檢測(cè)和燃?xì)夤艿赖恼7€(wěn)定運(yùn)行有著重要意義。目前國(guó)內(nèi)外尚沒(méi)有系統(tǒng)的關(guān)于此類(lèi)地鐵線附近雜散電流引起埋地金屬管道腐蝕綜合失效分析判定方法,很難對(duì)管道的異常腐蝕泄漏進(jìn)行準(zhǔn)確分析。所以對(duì)其開(kāi)展系統(tǒng)的表征分析,可以為快速、正確、有效地解決此類(lèi)金屬管道的過(guò)早失效提供重要的依據(jù)。研究成果不僅有利于其他工況條件下的埋地金屬燃?xì)夤艿赖氖J胶蜋C(jī)理的判定,而且對(duì)各類(lèi)油氣輸送管線以及不同環(huán)境、口徑、型號(hào)、材質(zhì)的管道的失效分析都有著重要的參考意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
本發(fā)明針對(duì)背景技術(shù)中存在的問(wèn)題,提出了一種可以快速、準(zhǔn)確、有效地判斷地鐵線附近雜散電流引起埋地金屬管道腐蝕的綜合判定方法。
本發(fā)明提出的一種地鐵線附近雜散電流引起埋地金屬燃?xì)夤艿栏g的綜合判定方法,具體步驟如下:
(1):背景概況整理與分析,通過(guò)對(duì)管道的地理位置、周?chē)ㄖO(shè)施、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行工況和雜散電流分布情況進(jìn)行整理與分析,確定管道發(fā)生腐蝕泄漏失效的背景概況;
(2):檢驗(yàn)與試驗(yàn)分析,通過(guò)利用設(shè)備和理化檢驗(yàn)方法對(duì)管道進(jìn)行外觀檢驗(yàn)與取樣、材質(zhì)檢驗(yàn)、宏觀形貌觀察以及微區(qū)分析,得到分析測(cè)試結(jié)果;所述理化檢驗(yàn)方法包括外觀檢查、形貌判別、切割取樣、腐蝕產(chǎn)物化學(xué)成分分析試驗(yàn)、夾雜物分析試驗(yàn)、金相組織分析試驗(yàn)、顯微硬度分析試驗(yàn)、力學(xué)性能分析試驗(yàn)、腐蝕產(chǎn)物成分分析試驗(yàn)、雜散電流檢測(cè)分析試驗(yàn)、宏觀形貌分析試驗(yàn)、三維體視顯微鏡分析試驗(yàn)、掃描電鏡與能譜分析試驗(yàn)以及有限元模擬計(jì)算分析;
(3):綜合討論分析判定,得出結(jié)論并給出具體的解決措施,具體為:結(jié)合步驟(1)的背景概況整理與分析和步驟(2)得到的各項(xiàng)分析測(cè)試結(jié)果,通過(guò)對(duì)腐蝕泄漏影響因素進(jìn)行綜合分析,討論雜散電流引起管道腐蝕的作用機(jī)理以及造成的典型腐蝕形貌特征,并研究均勻腐蝕、局部腐蝕和雜散電流腐蝕間的相關(guān)關(guān)系,從而準(zhǔn)確判定管道發(fā)生腐蝕泄漏失效的原因,給出具體的結(jié)論,并針對(duì)性的提出行之有效的解決措施。
本發(fā)明中,所述步驟(1)所述管道的地理位置包括管道準(zhǔn)確的位置命名、設(shè)計(jì)圖紙的工程編號(hào)、周?chē)恿骱捶植记闆r、地質(zhì)情況和相對(duì)深度;所述管道的周?chē)ㄖO(shè)施包括管道周?chē)娜藶榻ㄖ臉蛄?、隧道、樓宇和周?chē)硇袖佋O(shè)管道的地上、地下建筑設(shè)施;所述管道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括以管道工程設(shè)計(jì)圖紙為參考的實(shí)際管道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),所述管道的運(yùn)行工況包括管道內(nèi)部輸送介質(zhì)的種類(lèi)成分和管道輸送壓力;所述管道的雜散電流分布情況包括以往雜散電流的測(cè)試情況和雜散電流對(duì)管道造成的腐蝕情況。
本發(fā)明中,步驟(2)中所述外觀檢查的具體實(shí)驗(yàn)步驟為:
(1)對(duì)管道的外防腐絕緣層進(jìn)行觀察檢驗(yàn);
(2)對(duì)管道的腐蝕物形貌進(jìn)行觀察檢驗(yàn);
(3)對(duì)管道的腐蝕發(fā)生位置進(jìn)行觀察檢驗(yàn);
(4)對(duì)管道的上、下位置進(jìn)行觀察檢驗(yàn)。
本發(fā)明中,步驟(2)中所述形貌判別的具體實(shí)驗(yàn)步驟為:
(1)觀察腐蝕凹坑、孔洞的外觀形貌;
(2)觀察腐蝕凹坑、孔洞的聚集形態(tài)與分布規(guī)律;
(3)與雜散電流腐蝕形貌進(jìn)行對(duì)比,觀察異同點(diǎn);
(4)以管道圓周最上方為0°位置,管道圓周的最下方為180°位置,按照順時(shí)針為正方向的方法對(duì)管道進(jìn)行周向標(biāo)記,即通過(guò)0°到360°周向分區(qū)命名;
(5)對(duì)腐蝕程度較為嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)劃分和標(biāo)記。
本發(fā)明中,步驟(2)中所述切割取樣的具體實(shí)驗(yàn)步驟為:
(1)將失效管道按照腐蝕程度不同進(jìn)行分區(qū)劃分;
(2)在無(wú)明顯的腐蝕凹坑和穿孔,腐蝕程度略輕,銹層分布均勻的區(qū)域內(nèi)選取一處進(jìn)行切割取樣;
(3)將大量凹坑或穿孔存在且管壁發(fā)生嚴(yán)重腐蝕減薄的區(qū)域再進(jìn)行細(xì)分標(biāo)定并切割分區(qū);
(4)將切割分區(qū)后的各個(gè)區(qū)域試樣再根據(jù)典型的形貌特征進(jìn)行切割;
(5)根據(jù)凹坑、穿孔的形貌和分布特點(diǎn),每個(gè)部分切割成尺寸為30mm*30mm的幾塊正方形試樣。
本發(fā)明中,步驟(2)中所述腐蝕產(chǎn)物化學(xué)成分分析試驗(yàn)的具體實(shí)驗(yàn)步驟為:
(1)收集管道內(nèi)不同顏色和形貌特征的腐蝕產(chǎn)物;
(2)將腐蝕產(chǎn)物放在研缽中研磨成均勻的細(xì)小粉末;
(3)利用x-射線衍射分析儀和熱重分析儀對(duì)其成分進(jìn)行分析。
本發(fā)明中,步驟(2)中所述宏觀形貌分析試驗(yàn)的具體實(shí)驗(yàn)步驟為:
(1)被挖掘出的泄漏管道經(jīng)縱向切割分為上下兩部分,分別對(duì)管道內(nèi)外形貌進(jìn)行觀察;
(2)對(duì)局部腐蝕缺陷處利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行具體觀察;
(3)對(duì)腐蝕產(chǎn)物脫落處利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行具體觀察;
(4)對(duì)外防腐絕緣層的完整性進(jìn)行觀察檢測(cè);
(5)對(duì)管壁厚度進(jìn)行宏觀觀測(cè),并利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行具體觀察。
本發(fā)明中,步驟(2)中所述三維體視顯微鏡分析試驗(yàn)的具體實(shí)驗(yàn)步驟為:
(1)將切割好的失效管道試樣分別在無(wú)水乙醇和丙酮中進(jìn)行超聲波清洗;
(2)調(diào)整三維體視顯微鏡的光圈、焦距、成像模式,在最小倍率下對(duì)試樣表面形貌進(jìn)行觀察,觀察試樣表面的顏色、腐蝕凹坑和孔洞的分布情況,并測(cè)量試樣壁厚;
(3)逐步放大倍率,對(duì)腐蝕凹坑區(qū)域進(jìn)行形貌觀察,利用3d建模的功能對(duì)部分凹坑或大景深區(qū)域進(jìn)行觀察,并測(cè)量深度、高度和寬度;
(4)逐步放大倍率,對(duì)腐蝕孔洞域進(jìn)行形貌觀察,利用3d建模的功能對(duì)部分孔洞或大景深區(qū)域進(jìn)行觀察,并測(cè)量深度、高度和寬度;
(5)逐步放大倍率,對(duì)表層腐蝕產(chǎn)物區(qū)域進(jìn)行形貌觀察,利用3d建模的功能對(duì)部分腐蝕產(chǎn)物或大景深區(qū)域進(jìn)行顏色形貌觀察,并總結(jié)歸納其特征;
(6)更換不同觀察角度,在不同視角下對(duì)失效管道試樣的形貌進(jìn)行觀察,對(duì)腐蝕凹坑、孔洞以及腐蝕產(chǎn)物區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)觀察分析,為后續(xù)掃描電子顯微鏡的觀察提供參考。
本發(fā)明中,步驟(2)中所述的掃描電鏡與能譜分析試驗(yàn)具體實(shí)驗(yàn)步驟為:
(1)將失效管道試樣分別在無(wú)水乙醇和丙酮中進(jìn)行超聲波清洗;
(2)利用掃面電子顯微鏡在低倍率的觀察視場(chǎng)下,分別對(duì)清洗后的各區(qū)域樣品的形貌進(jìn)行觀察,分辨腐蝕凹坑、孔洞以及表面腐蝕產(chǎn)物特征區(qū)域的位置;
(3)按照宏觀到微觀的方式,逐步放大觀察倍率,對(duì)腐蝕凹坑區(qū)域進(jìn)行形貌觀察,觀察凹坑內(nèi)部、外部的形貌特征,并結(jié)合能譜分析對(duì)特征點(diǎn)或面進(jìn)行化學(xué)成分的測(cè)定,判定腐蝕產(chǎn)物元素的種類(lèi)與含量并確定其來(lái)源;
(4)按照宏觀到微觀的方式,逐步放大觀察倍率,對(duì)腐蝕孔洞區(qū)域進(jìn)行形貌觀察,觀察腐蝕孔洞表面和邊緣區(qū)域形貌特征,并結(jié)合能譜分析對(duì)特征點(diǎn)或面進(jìn)行化學(xué)成分的測(cè)定,判定腐蝕產(chǎn)物元素的種類(lèi)與含量并確定其來(lái)源;
(5)按照宏觀到微觀的方式,逐步放大觀察倍率,對(duì)表面腐蝕產(chǎn)物區(qū)域進(jìn)行形貌觀察,觀察腐蝕產(chǎn)物的形貌特征,并結(jié)合能譜分析對(duì)特征點(diǎn)或面進(jìn)行化學(xué)成分的測(cè)定,判定腐蝕產(chǎn)物元素的種類(lèi)與含量并確定其來(lái)源。
本發(fā)明中,步驟(2)中化學(xué)成分分析試驗(yàn)具體為:采用兩種不同型號(hào)的直讀光譜儀(oes)對(duì)管道材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)成分分析,采用碳硫分析儀對(duì)測(cè)定材質(zhì)中的c、s元素含量分別進(jìn)行測(cè)定,測(cè)試結(jié)果取每次測(cè)量三組數(shù)據(jù)的平均值;
夾雜物分析試驗(yàn)具體為:通過(guò)縱向切割獲取失效管道試樣,拋光態(tài)下利用金相顯微鏡在100倍視場(chǎng)下觀察夾雜物分布情況,并選取代表性區(qū)域,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)判定其種類(lèi)和評(píng)級(jí);
金相組織分析試驗(yàn)具體為:將失效管道縱向試樣利用鑲嵌料制成分析試樣,經(jīng)磨拋、腐蝕后在金相顯微鏡下觀察試樣的金相顯微組織,并在不同的放大倍率下對(duì)不同視場(chǎng)的金相組織進(jìn)行觀察,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)判定其種類(lèi);
顯微硬度試驗(yàn)具體為:將試樣的橫截面研磨拋光后利用鑲嵌料制成分析試樣,采用顯微硬度計(jì)在試驗(yàn)載荷980.7mn(hv0.1)、保持時(shí)間為10秒的試驗(yàn)條件下,對(duì)試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,并根據(jù)不同區(qū)域統(tǒng)計(jì)其維氏顯微硬度分布情況;
力學(xué)性能試驗(yàn)具體為:將失效管道制成標(biāo)準(zhǔn)試樣后,根據(jù)需要進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn);
雜散電流檢測(cè)分析試驗(yàn)具體為:利用scm雜散電流測(cè)繪儀、cips管道密間距電位檢測(cè)系統(tǒng)等對(duì)土壤電位梯度、管地電位、管道內(nèi)電流流動(dòng)情況、雜散電流變化情況進(jìn)行檢測(cè)。
本發(fā)明中,步驟(3)中所述綜合討論分析判定,具體為:
(3.1)管道失效影響因素,通過(guò)利用設(shè)備和理化檢驗(yàn)方法對(duì)管道進(jìn)行外觀檢驗(yàn)與取樣、材質(zhì)檢驗(yàn)、宏觀形貌觀察以及微區(qū)分析確定管道腐蝕失效的來(lái)源,并通過(guò)分析管道材質(zhì)、內(nèi)部輸送介質(zhì)、外部環(huán)境等因素對(duì)管道失效影響因素進(jìn)行綜合討論;
(3.2)失效模式與機(jī)理,通過(guò)外觀檢查、形貌判別、切割取樣、化學(xué)成分分析試驗(yàn)、夾雜物分析試驗(yàn)、金相組織分析試驗(yàn)、顯微硬度分析試驗(yàn)、力學(xué)性能分析試驗(yàn)、腐蝕產(chǎn)物成分分析試驗(yàn)、雜散電流檢測(cè)分析試驗(yàn)、宏觀形貌分析試驗(yàn)、三維體視顯微鏡分析試驗(yàn)、掃描電鏡與能譜分析試驗(yàn)以及有限元模擬計(jì)算分析等對(duì)管道的腐蝕失效模式進(jìn)行再次確認(rèn),并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析各腐蝕機(jī)理的相互作用與相互關(guān)系;
(3.3)結(jié)論與解決對(duì)策,通過(guò)理化檢驗(yàn)方法表征結(jié)果和綜合討論分析,確定了管道發(fā)生過(guò)早失效的根本原因,給出相應(yīng)的結(jié)論并對(duì)應(yīng)的提出了如下行之有效的解決對(duì)策,為未來(lái)城市埋地金屬燃?xì)夤艿赖姆雷o(hù)和檢測(cè)以及城市管網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有效借鑒。
本發(fā)明的有益效果在于:
1、本方法綜合利用了多種現(xiàn)代檢驗(yàn)檢測(cè)儀器和多種表征分析手段,發(fā)現(xiàn)了區(qū)別于常見(jiàn)雜散電流腐蝕的特殊復(fù)合腐蝕形貌和機(jī)理,可以準(zhǔn)確判斷出地鐵線附近雜散電流引起埋地金屬燃?xì)夤艿栏g的失效機(jī)理。
2、本方法可以快速、有效地判定地鐵線附近雜散電流引起埋地金屬燃?xì)夤艿栏g失效的原因,從而提出針對(duì)性的解決措施,為未來(lái)城市埋地金屬燃?xì)夤艿赖姆雷o(hù)和檢測(cè)以及城市管網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供了有效的借鑒。
3、本方法對(duì)石油、化工、電力等其他工業(yè)的埋地金屬管道的正確防護(hù)也具有實(shí)用參考價(jià)值,給國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展帶來(lái)極大的經(jīng)濟(jì)效益,給社會(huì)的安全穩(wěn)定發(fā)展帶來(lái)重要的保障。
附圖說(shuō)明
圖1為管道位置結(jié)構(gòu)示意圖。其中,(a)管道位置示意圖,(b)管道結(jié)構(gòu)示意圖,(c)現(xiàn)場(chǎng)情況,(d)工作井勘查情況。
圖2為管道外觀檢查。其中,(a)外部防腐絕緣層,(b)底部區(qū)域腐蝕情況,(c)不同角度分區(qū),(d)區(qū)域標(biāo)定,(e)切割取樣。
圖3為材質(zhì)檢驗(yàn)。其中,(a)夾雜物分析,(b)金相組織分析,(c)顯微硬度分析,(d)腐蝕產(chǎn)物成分分析。
圖4為三維體視顯微鏡分析試驗(yàn)。其中,(a)表面形貌,(b)腐蝕凹坑,(c)背面形貌,(d)3d形貌,(e)彩色深度圖,(f)厚度測(cè)量。
圖5為掃描電鏡與能譜分析試驗(yàn)。其中,(a)孔洞形貌,(b)上半部分微區(qū)分析,(c)下半部分微區(qū)分析。
圖6為典型的失效管道試樣外觀形貌特征。其中(a)切割后方形試樣外觀形貌,(b)切割后部分管道典型外觀形貌特征。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合具體實(shí)施例,進(jìn)一步闡述本發(fā)明。應(yīng)理解,這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍。此外應(yīng)理解,在閱讀了本發(fā)明講授的內(nèi)容之后,本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明作各種改動(dòng)或修改,這些等價(jià)形式同樣落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求書(shū)所限定的范圍。
實(shí)施例1:具體步驟如下:
(一)背景概況整理與分析,包括對(duì)管道的地理位置、周?chē)ㄖO(shè)施、設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行工況、雜散電流分布情況等進(jìn)行整理與分析,確定管道發(fā)生腐蝕泄漏失效的背景概況,主要內(nèi)容包括:
①管道的地理位置包括管道準(zhǔn)確的位置命名、設(shè)計(jì)圖紙的工程編號(hào)、周?chē)恿骱捶植记闆r、地質(zhì)情況、相對(duì)深度等。圖1(a)所示為管道位置示意圖,該段管道位于上海市閘北區(qū)共和新路路段下方,作為一條燃?xì)廨斉涔艿?,其主要作用是將燃?xì)廨斔椭琳{(diào)壓站,然后經(jīng)過(guò)調(diào)壓后再供給到居民用戶(hù)。管道于1996年5月正式運(yùn)行,起初管道內(nèi)的輸送介質(zhì)為水煤氣,現(xiàn)在為天然氣。從圖中可以看出,共和新路與交通路和地鐵3號(hào)線垂直相交,地鐵3號(hào)線則與交通路平行,以高架軌道線路的形式架設(shè)于路面上方。失效管道位于共和新路下方,即圖中的ab段,共和新路上方建設(shè)有南北高架路。圖中ab段管道于地下橫穿過(guò)交通路和地鐵3號(hào)線,a點(diǎn)到b點(diǎn)管道地下穿越段的長(zhǎng)度約為97.4m。
②管道的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)包括以管道工程設(shè)計(jì)圖紙為參考的實(shí)際管道設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),如管道自身材質(zhì)、走向設(shè)計(jì)、埋深設(shè)計(jì)、管配件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、保護(hù)措施設(shè)計(jì)等。管道走向設(shè)計(jì)為“u”形下穿式的鋪設(shè)方式,如圖1(b)。管道橫穿段距路面約為4.7m到4.8m,直徑為1m,外部保護(hù)套管直徑為2m。管道兩端放置兩個(gè)三角鐵支墩來(lái)支撐管道。兩個(gè)鐵支墩直接與管道底部焊接固定,鐵支墩直接固定接地,未采取任何的防腐絕緣措施。在管道南側(cè)外保護(hù)套管外設(shè)置有三口水井,用來(lái)在對(duì)管道進(jìn)行維修和檢測(cè)時(shí)排出管道內(nèi)部的積水。圖1(c)中可以發(fā)現(xiàn),管道位于路面下方,疾馳而過(guò)的地鐵3號(hào)線從管道上方經(jīng)過(guò)。圖1(d)可以清晰的觀察到管道彎曲處的形貌,鋪設(shè)在地下的管道直接裸露在工作井內(nèi)的積水當(dāng)中。
③管道的運(yùn)行工況包括管道內(nèi)部輸送介質(zhì)的種類(lèi)成分、管道輸送壓力等技術(shù)參數(shù)。管道型號(hào)為dn1000,口徑為1000mm,厚度為10mm,管道鋼牌號(hào)為20,運(yùn)行壓力0.5mpa,壓力等級(jí)為中壓b級(jí)。管道外部被“瀝青—玻璃布”防腐絕緣層包裹,管道沿線有鎂合金犧牲陽(yáng)極保護(hù)等雜散電流保護(hù)措施等,設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)為普通管線每隔1公里設(shè)置3組保護(hù)裝置,在管道加強(qiáng)防護(hù)段每隔1公里設(shè)置4組保護(hù)裝置。
(二)檢驗(yàn)與試驗(yàn)分析,通過(guò)利用設(shè)備和理化檢驗(yàn)方法對(duì)管道進(jìn)行外觀檢驗(yàn)與取樣、材質(zhì)檢驗(yàn)、宏觀形貌觀察以及微區(qū)分析,所述理化檢驗(yàn)方法包括外觀檢查、形貌判別、切割取樣、化學(xué)成分分析試驗(yàn)、夾雜物分析試驗(yàn)、金相組織分析試驗(yàn)、顯微硬度分析試驗(yàn)、力學(xué)性能分析試驗(yàn)、腐蝕產(chǎn)物成分分析試驗(yàn)、雜散電流檢測(cè)分析試驗(yàn)、宏觀形貌分析試驗(yàn)、三維體視顯微鏡分析試驗(yàn)、掃描電鏡與能譜分析試驗(yàn)以及有限元模擬計(jì)算分析等十四個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目,每個(gè)試驗(yàn)項(xiàng)目的具體內(nèi)容為:
①外觀檢查,包括管道腐蝕形貌的基本觀察、確定腐蝕起始位置、外防腐絕緣層完好性檢查、腐蝕物形貌檢查、區(qū)分管道為上半部分和下半部分,具體包括的實(shí)驗(yàn)步驟為:
(1)對(duì)管道的外防腐絕緣層進(jìn)行觀察檢驗(yàn);
(2)對(duì)管道的腐蝕物形貌進(jìn)行觀察檢驗(yàn);
(3)對(duì)管道的腐蝕發(fā)生位置進(jìn)行觀察檢驗(yàn);
(4)對(duì)管道上下位置進(jìn)行觀察檢驗(yàn)。
圖2(a)所示管道外部防腐絕緣層出現(xiàn)部分缺失損壞現(xiàn)象,并且表面存在皺折、氣泡等質(zhì)量問(wèn)題,并且存在著大量的腐蝕穿孔。特別是在管道底部,集中出現(xiàn)了一連串的與雜散電流腐蝕形貌相似的圓形光滑孔洞。
②形貌判別,包括腐蝕形貌的規(guī)律分類(lèi)、特征歸納、雜散電流腐蝕形貌對(duì)比、按不同角度進(jìn)行周向命名、針對(duì)典型的腐蝕特征區(qū)域進(jìn)行分區(qū)命名,具體包括的實(shí)驗(yàn)步驟為:
(1)觀察腐蝕凹坑、孔洞的外觀形貌;
(2)觀察腐蝕凹坑、孔洞的聚集形態(tài)與分布規(guī)律;
(3)與雜散電流腐蝕形貌進(jìn)行對(duì)比,觀察異同點(diǎn);
(4)以管道圓周最上方為0°位置,管道圓周的最下方為180°位置,按照順時(shí)針為正方向的方法對(duì)管道進(jìn)行周向標(biāo)記,即通過(guò)0°到360°周向分區(qū)命名。
(5)對(duì)腐蝕程度較為嚴(yán)重的區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)劃分和標(biāo)記。
圖2(b)可以看出底部180°附近的區(qū)域腐蝕情況最為嚴(yán)重,孔狀、蜂窩狀的圓形腐蝕凹坑分布密集,并且該位置附近存在較多的腐蝕穿孔。并且通過(guò)觀察可以發(fā)展凹坑、孔洞等在內(nèi)表面直徑較大,隨著深度的增加直徑減小,因此可以判斷是從管道內(nèi)表面形成,向外表面逐漸延伸。為了便于對(duì)管道各區(qū)域進(jìn)行綜合比較分析,將管道按不同角度進(jìn)行命名。如圖2(c)所示,以管道圓周最上方為0°位置,管道圓周的最下方為180°位置(,按照順時(shí)針為正方向的方法對(duì)管道進(jìn)行周向標(biāo)記。上半部分對(duì)應(yīng)的順時(shí)針?lè)较驗(yàn)?70°-0°-90°區(qū)域,下半部分對(duì)應(yīng)的順時(shí)針?lè)较驗(yàn)?0°-180°-270°區(qū)域。
③切割取樣,包括根據(jù)標(biāo)定的不同區(qū)域進(jìn)行切割取樣,命名為1-6號(hào),各區(qū)域再分別進(jìn)行切割,取正方形試樣,具體包括的實(shí)驗(yàn)步驟為:
(1)將失效管道按照腐蝕程度不同進(jìn)行分區(qū)劃分;
(2)在無(wú)明顯的腐蝕凹坑和穿孔,腐蝕程度略輕,銹層分布均勻的區(qū)域內(nèi)選取一處進(jìn)行切割取樣;
(3)將大量凹坑或穿孔存在且管壁發(fā)生嚴(yán)重腐蝕減薄區(qū)域再進(jìn)行細(xì)分標(biāo)定并切割分區(qū);
(4)將切割分區(qū)后的各個(gè)區(qū)域試樣再根據(jù)典型的形貌特征進(jìn)行切割;
(5)根據(jù)凹坑、穿孔的形貌和分布特點(diǎn),每個(gè)部分取1-3塊切割成尺寸約為30mm*30mm的正方形試樣。
分別在0°、90°和150°-210°三個(gè)區(qū)域進(jìn)行切割取樣。由于在0°和90°區(qū)域內(nèi)無(wú)明顯的腐蝕凹坑和穿孔,腐蝕程度略輕,銹層分布均勻,因此在該區(qū)域內(nèi)各選取一處進(jìn)行切割取樣。如圖2(d)所示,將150°-210°區(qū)域切割下來(lái)的試樣再次按照凹坑和穿孔的分布情況分為六個(gè)區(qū)域進(jìn)行切割。接下來(lái)從切割下來(lái)的六個(gè)部分以及0°和90°試樣中,根據(jù)凹坑、穿孔的形貌和分布特點(diǎn),每個(gè)部分取1-3塊切割成尺寸約為30mm*30mm的正方形試樣,如圖2(e)。
④化學(xué)成分分析試驗(yàn),采用兩種不同型號(hào)的直讀光譜儀(oes)對(duì)管道材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)成分分析,采用碳硫分析儀對(duì)測(cè)定材質(zhì)中的c、s元素含量分別進(jìn)行測(cè)定,測(cè)試結(jié)果取每次測(cè)量三組數(shù)據(jù)的平均值。根據(jù)gb/t699-1999《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》進(jìn)行成分比對(duì),確認(rèn)該管道鋼對(duì)應(yīng)的牌號(hào)。
⑤夾雜物分析試驗(yàn),通過(guò)縱向切割獲取失效管道試樣,拋光態(tài)下利用金相顯微鏡在100倍視場(chǎng)下觀察夾雜物分布情況,并選取代表性區(qū)域,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)判定其種類(lèi)和評(píng)級(jí)。利用金相顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行觀察,如圖3(a)所示,試樣中所含有夾雜物的數(shù)量極其微少。根據(jù)gb/t10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》,對(duì)夾雜物的種類(lèi)和數(shù)量進(jìn)行評(píng)定,最終確定為b類(lèi)夾雜物,級(jí)別小于0.5級(jí)。
⑥金相組織分析試驗(yàn),將失效管道縱向試樣利用鑲嵌料制成分析試樣,經(jīng)磨拋、腐蝕后在金相顯微鏡下觀察試樣的金相顯微組織,并在不同的放大倍率下對(duì)不同視場(chǎng)的金相組織進(jìn)行觀察,根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)判定其種類(lèi)。如圖3(b)所示,在放大500倍的觀察條件下,可以清晰的看到塊狀和片狀的晶粒。其中白色晶粒細(xì)小而均勻?yàn)殍F素體,晶界處的黑色塊狀組織為片狀珠光體,分布較為均勻。通過(guò)查閱《金屬材料金相圖譜》并結(jié)合對(duì)失效管道試樣金相顯微組織的觀察,可以得知失效管道材質(zhì)的金相顯微組織正常,符合20號(hào)低碳碳素鋼的熱處理工藝,有著較好的塑韌性。
⑦顯微硬度試驗(yàn),將試樣的橫截面研磨拋光后利用鑲嵌料制成分析試樣,采用顯微硬度計(jì)在試驗(yàn)載荷980.7mn(hv0.1)、保持時(shí)間為10秒的試驗(yàn)條件下,對(duì)試樣進(jìn)行顯微硬度測(cè)試,并根據(jù)不同區(qū)域統(tǒng)計(jì)其維氏顯微硬度分布情況。如圖3(c)所示,根據(jù)gb/t699-1999《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》,20號(hào)鋼的維氏硬度應(yīng)不大于165mpa。通過(guò)測(cè)量結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),失效管道所采用鋼的材質(zhì)的硬度平均值為144mpa,符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
⑧力學(xué)性能試驗(yàn),將失效管道制成標(biāo)準(zhǔn)試樣后,根據(jù)需要進(jìn)行拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)。
⑨腐蝕產(chǎn)物成分分析試驗(yàn),對(duì)不同位置不同顏色的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行x-射線衍射分析(xrd)以及熱重分析(tga),分析不同腐蝕產(chǎn)物的物相結(jié)構(gòu)和主要化學(xué)成分組成,具體包括的實(shí)驗(yàn)步驟為:
(1)收集管道內(nèi)不同顏色和形貌特征的腐蝕產(chǎn)物;
(2)將腐蝕產(chǎn)物放在研缽中研磨成均勻的細(xì)小粉末;
(3)利用x-射線衍射分析儀和熱重分析儀對(duì)其成分進(jìn)行分析。
管壁表面的腐蝕產(chǎn)物主要有黃色、黃褐色、黑褐色三種不同的顏色,如圖3(d)所示。為了查明不同顏色以及不同位置的腐蝕產(chǎn)物的物相結(jié)構(gòu)與化學(xué)組成的差別,我們分別針對(duì)三種不同顏色的腐蝕產(chǎn)物分別進(jìn)行取樣,并進(jìn)行x-射線衍射分析(xrd)以及熱重分析(tga),分析結(jié)果表明表面腐蝕物的成分主要為鐵的硫酸鹽,證明管道內(nèi)部含有較多的硫元素,且含量超標(biāo)嚴(yán)重;并且水合物組成較多,與管道內(nèi)部存在積水的情況相匹配。
⑩雜散電流檢測(cè)分析試驗(yàn),利用scm雜散電流測(cè)繪儀、cips管道密間距電位檢測(cè)系統(tǒng)等對(duì)土壤電位梯度、管地電位、管道內(nèi)電流流動(dòng)情況、雜散電流變化情況進(jìn)行檢測(cè)。
?宏觀形貌分析試驗(yàn),通過(guò)肉眼觀察和相機(jī)拍攝觀察,對(duì)失效管道進(jìn)行宏觀形貌分析,并分別切割后的不同區(qū)域的試樣進(jìn)行形貌觀察分析,具體包括的實(shí)驗(yàn)步驟為:
(1)被挖掘出的泄漏管道經(jīng)縱向切割分為上下兩部分,分別對(duì)管道內(nèi)外形貌進(jìn)行觀察;
(2)對(duì)局部腐蝕缺陷處利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行具體觀察;
(3)對(duì)腐蝕產(chǎn)物脫落處利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行具體觀察;
(4)對(duì)外防腐絕緣層的完整性進(jìn)行觀察檢測(cè);
(5)對(duì)管壁厚度進(jìn)行宏觀觀測(cè),并利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行具體觀察。
(1)將切割好的失效管道試樣分別在無(wú)水乙醇和丙酮中進(jìn)行超聲波清洗;
(2)調(diào)整三維體視顯微鏡的光圈、焦距、成像模式,在最小倍率下對(duì)試樣表面形貌進(jìn)行觀察,觀察試樣表面的顏色、腐蝕凹坑、孔洞的分布情況等,并測(cè)量試樣壁厚;
(3)逐步放大倍率,對(duì)腐蝕凹坑區(qū)域進(jìn)行形貌觀察,利用3d建模的功能對(duì)部分凹坑或大景深區(qū)域進(jìn)行觀察,并測(cè)量深度、高度和寬度;
(4)逐步放大倍率,對(duì)腐蝕孔洞域進(jìn)行形貌觀察,利用3d建模的功能對(duì)部分孔洞或大景深區(qū)域進(jìn)行觀察,并測(cè)量深度、高度和寬度;
(5)逐步放大倍率,對(duì)表層腐蝕產(chǎn)物區(qū)域進(jìn)行形貌觀察,利用3d建模的功能對(duì)部分腐蝕產(chǎn)物或大景深區(qū)域進(jìn)行顏色形貌觀察,并總結(jié)歸納其特征;
(6)更換不同觀察角度,在不同視角下對(duì)失效管道試樣的形貌進(jìn)行觀察,對(duì)腐蝕凹坑、孔洞以及腐蝕產(chǎn)物區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)觀察分析,為后續(xù)掃描電子顯微鏡的觀察提供參考。
圖4(a)為0°試樣的外觀形貌,可以看出試樣表面被一層銹層以及腐蝕產(chǎn)物覆蓋,呈現(xiàn)黃褐色,表面較為粗糙,附著有很多翹起的腐蝕產(chǎn)物等。并且表面腐蝕產(chǎn)物顏色深淺不一,有黑褐色物質(zhì)附著在其表面,為焦油與腐蝕物結(jié)合的產(chǎn)物。放大觀察,如圖4(b)所示,可以看到纖維狀雜質(zhì)以及開(kāi)裂腐蝕層。對(duì)背面進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn),由于涂布了環(huán)氧瀝青漆,呈現(xiàn)出灰黑色,表面較為平整,無(wú)嚴(yán)重腐蝕痕跡,如圖4(c)所示。對(duì)試樣內(nèi)表面其他部位繼續(xù)進(jìn)行局部放大觀察,發(fā)現(xiàn)一個(gè)內(nèi)部較為光滑的微小凹坑,如圖4(d)所示,凹坑周?chē)植贾S色和深褐色的腐蝕產(chǎn)物。凹坑的深度可以用顏色來(lái)表示,圖4(e)中,藍(lán)色越深則證明凹坑的深度越深。將試樣側(cè)面向上豎起放置,對(duì)管壁厚度進(jìn)行測(cè)量和觀察,如圖4(f),分別選取5個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量,結(jié)果取平均值。同樣的,對(duì)其他各試樣分別進(jìn)行三維體視顯微鏡分析試驗(yàn)。
(1)將失效管道試樣分別在無(wú)水乙醇和丙酮中進(jìn)行超聲波清洗;
(2)利用掃面電子顯微鏡在低倍率的觀察視場(chǎng)下,分別對(duì)清洗后的各區(qū)域樣品的形貌進(jìn)行觀察,分辨腐蝕凹坑、孔洞以及表面腐蝕產(chǎn)物等特征區(qū)域的位置;
(3)按照宏觀到微觀的方式,逐步放大觀察倍率,對(duì)腐蝕凹坑區(qū)域進(jìn)行形貌觀察,觀察凹坑內(nèi)部、外部的形貌特征,并結(jié)合能譜分析對(duì)特征點(diǎn)或面進(jìn)行化學(xué)成分的測(cè)定,判定腐蝕產(chǎn)物元素的種類(lèi)與含量并確定其來(lái)源;
(4)按照宏觀到微觀的方式,逐步放大觀察倍率,對(duì)腐蝕孔洞區(qū)域進(jìn)行形貌觀察,觀察腐蝕孔洞表面和邊緣等區(qū)域形貌特征,并結(jié)合能譜分析對(duì)特征點(diǎn)或面進(jìn)行化學(xué)成分的測(cè)定,判定腐蝕產(chǎn)物元素的種類(lèi)與含量并確定其來(lái)源;
(5)按照宏觀到微觀的方式,逐步放大觀察倍率,對(duì)表面腐蝕產(chǎn)物區(qū)域進(jìn)行形貌觀察,觀察腐蝕產(chǎn)物的形貌特征,并結(jié)合能譜分析對(duì)特征點(diǎn)或面進(jìn)行化學(xué)成分的測(cè)定,判定腐蝕產(chǎn)物元素的種類(lèi)與含量并確定其來(lái)源。
首先對(duì)試樣進(jìn)行清洗,然后采用掃描電鏡(sem)和能譜分析(eds)對(duì)試樣進(jìn)行觀察和分析。圖5(a)為某一試樣中間的孔洞,孔洞四周的邊緣比較清晰,周?chē)街幸恍╊伾^亮的顆粒狀物質(zhì)。然后按照上下兩個(gè)半圓的順序進(jìn)行觀察分析,首先對(duì)上半部分進(jìn)行微區(qū)分析,如圖5(b)所示。深色微區(qū)1的成分主要為fe、o、c、s,其中s含量高達(dá)到了1.96%,證明s元素是導(dǎo)致管道發(fā)生嚴(yán)重腐蝕穿孔的重要原因;凸起狀微區(qū)2的成分組成與1相同,但c、o比例偏高,同樣有s的存在;微區(qū)3和顆粒狀微區(qū)4中也都檢測(cè)到了s元素。在如此多的選區(qū)內(nèi)檢測(cè)到s,足以說(shuō)明s在管道發(fā)生腐蝕作用的過(guò)程中以及凹坑、孔洞形成的過(guò)程中產(chǎn)生了重要影響。接下來(lái)對(duì)下半部分進(jìn)行觀察和eds分析,如圖5(c)所示。顆粒狀微區(qū)5含有較高含量的s元素;微區(qū)6和7中除了普遍存在的fe、o、c、s外,還有較高含量的cl元素,部分區(qū)域含量甚至超過(guò)了s元素;深色微區(qū)8中僅僅檢測(cè)到了較高含量的s元素,未發(fā)現(xiàn)cl元素;微區(qū)9中有極其微量的cl元素,這也與在微區(qū)6、7兩個(gè)地方均檢測(cè)出較高含量的cl元素是相匹配的。類(lèi)似地,對(duì)其他各試樣分別進(jìn)行掃描電鏡與能譜分析試驗(yàn)。
(三)綜合討論分析判定,得出結(jié)論并給出具體的解決措施,結(jié)合步驟一的背景概況信息和步驟二的各項(xiàng)分析測(cè)試結(jié)果,通過(guò)對(duì)各影響因素進(jìn)行綜合分析,討論雜散電流引起管道腐蝕的作用機(jī)理以及造成的典型腐蝕形貌特征,并梳理均勻腐蝕、局部腐蝕、雜散電流腐蝕等各種腐蝕機(jī)理間的相關(guān)關(guān)系,從而準(zhǔn)確判定管道發(fā)生腐蝕泄漏失效的原因,給出具體的結(jié)論,并針對(duì)性的提出行之有效的解決措施,主要內(nèi)容包括:
①管道失效影響因素,通過(guò)利用設(shè)備和理化檢驗(yàn)方法對(duì)管道進(jìn)行外觀檢驗(yàn)與取樣、材質(zhì)檢驗(yàn)、宏觀形貌觀察以及微區(qū)分析確定管道腐蝕失效的來(lái)源,并通過(guò)分析管道材質(zhì)、內(nèi)部輸送介質(zhì)、外部環(huán)境等因素對(duì)管道失效影響因素進(jìn)行綜合討論。
②失效模式與機(jī)理,通過(guò)外觀檢查、形貌判別、切割取樣、化學(xué)成分分析試驗(yàn)、夾雜物分析試驗(yàn)、金相組織分析試驗(yàn)、顯微硬度分析試驗(yàn)、力學(xué)性能分析試驗(yàn)、腐蝕產(chǎn)物成分分析試驗(yàn)、雜散電流檢測(cè)分析試驗(yàn)、宏觀形貌分析試驗(yàn)、三維體視顯微鏡分析試驗(yàn)、掃描電鏡與能譜分析試驗(yàn)以及有限元模擬計(jì)算分析等對(duì)管道的腐蝕失效模式進(jìn)行再次確認(rèn),并結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果分析各腐蝕機(jī)理的相互作用與相互關(guān)系。
通過(guò)一系列宏觀形貌觀察和微觀分析,可以判定管道的失效模式為腐蝕失效模式。但是在此腐蝕模式下,管道的失效是在雜散電流腐蝕為主結(jié)合均勻腐蝕、局部腐蝕等腐蝕機(jī)理的綜合作用下發(fā)生的,是多種機(jī)理交互作用下的復(fù)合腐蝕。因此,從雜散電流腐蝕機(jī)理的角度來(lái)看,管道內(nèi)壁表面堆積的雜質(zhì)積水層等同于腐蝕反應(yīng)所需的電解質(zhì),因此在該界面既存在雜散電流腐蝕的陽(yáng)極區(qū),又存在雜散電流腐蝕的陰極區(qū),內(nèi)壁表面在雜散電流的作用下會(huì)迅速產(chǎn)生腐蝕凹坑、穿孔的現(xiàn)象,如圖6。從局部腐蝕的角度來(lái)看,雜散電流充當(dāng)了外加電流的角色,雜質(zhì)積水層與管道內(nèi)壁界面上的fe相當(dāng)于電解池的陽(yáng)極,電流對(duì)fe的溶解作用一方面直接促進(jìn)了局部腐蝕的陽(yáng)極反應(yīng),另外一方面又起到提供電子的作用,加速了陰極反應(yīng)。因此,發(fā)生在此失效管道上雜散電流腐蝕的反應(yīng)機(jī)理在本質(zhì)上與一般的外壁雜散電流腐蝕是相一致的,但是由于管道內(nèi)部環(huán)境的特殊性,以及在與局部腐蝕的交互作用下,在管道底部發(fā)生特殊的內(nèi)壁雜散電流腐蝕現(xiàn)象。
③結(jié)論與解決對(duì)策,通過(guò)一系列表征結(jié)果和綜合討論分析,確定了管道發(fā)生過(guò)早失效的根本原因,給出相應(yīng)的結(jié)論并對(duì)應(yīng)的提出了如下行之有效的解決對(duì)策,為未來(lái)城市埋地金屬燃?xì)夤艿赖姆雷o(hù)和檢測(cè)以及城市管網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行提供有效借鑒。