分享：城镇燃气埋地钢质管道防腐蚀现状

“十三五”期间,我国天然气管道建设实现了飞速发展,已基本形成“全国一张网”,天然气消费总量持续增长,下游城市燃气事业发展迅速,以高、中、低三种压力级制为主的城市燃气管网,作为城市的能源生命线已经分布于城市的各个乡镇街道[1-4]。据统计我国现有约105万km的燃气管道,其中近8万km服役时间超过20 a[5]。由于我国燃气管道管理基础较为薄弱,标准制度大多按照长输管道“照方抓药”,加上许多城市燃气管道已进入“老年期”,按照“浴盆曲线”规律,服役时间较长的燃气管道已进入耗损故障期,燃气管道安全事故时有发生,造成了人员伤亡和重大财产损失[6]。 

在造成燃气管道安全事故的众多因素中,腐蚀是引起埋地钢质燃气管道壁厚减薄和失效的主要原因之一。以北京燃气为例,2014-2017年间,发生了1 075起腐蚀漏气事故。其中,低压管道约745起,占比75.4%,中压管道次之（196起）,次高压及高压管道分别为18起和20起,占比均约为2%。低压管道防腐蚀层质量普遍较差,同时未施加有效的阴极保护,成为了腐蚀漏气的高发区,部分中压管道施加了阴极保护,而次高压及高压管道由于有良好的防腐蚀层和阴极保护,腐蚀漏气事件相对较少[7]。埋地钢质燃气管道腐蚀漏气过程具有隐蔽性、延时性和突发性,随着管道服役时间的延长,管道腐蚀风险越大。通常管道腐蚀穿孔孔径较小,管道覆土层较厚,泄漏燃气会在土壤空隙或其他构筑物空间内形成“气藏”,在遇明火或静电打火条件下,极易发生爆燃甚至爆炸事故,造成严重的灾害后果。近年来,国内发生了多起由腐蚀引起的燃气泄漏爆炸事故,2021年6月13日,湖北十堰发生重大燃气爆炸事故,造成26死148伤,直接经济损失超过五千万元,其直接原因为中压燃气管道的腐蚀漏气；2021年10月24日,大连再次发生管道腐蚀漏气导致的燃气爆炸事故,造成2死7伤[8]。一系列燃气管道腐蚀爆炸事故引起了国务院安委会和各地政府的高度重视。客观认识城镇燃气埋地钢质管道腐蚀防护现状,并对腐蚀风险进行有效检测、评估与控制是确保燃气管道安全运行的重要保障。 

笔者阐述了城镇燃气埋地钢质管道防腐蚀现状与发展历史,总结分析了城镇燃气钢质管道腐蚀防护迫切需要解决的技术问题,以期为城镇燃气管网的安全运行提供参考。 

1.   防腐蚀层

防腐蚀层作为埋地钢质管道的第一道防线,其质量的优劣在一定程度上影响着阴极保护的效果和管道的使用寿命。早在20世纪40~70年代,石蜡、石油沥青、胶带、夹克等防腐蚀层相继被开发,基本上沥青类防腐蚀层占主导地位,后期出现了双层挤压聚乙烯防腐蚀层（2PE）、熔结环氧粉末（FBE）防腐蚀层和三层挤压聚乙烯（3PE）防腐蚀层[9]。城镇燃气埋地钢质管道采用的防腐蚀层,基本贯穿了国内防腐蚀层发展史,包括石油沥青、环氧煤沥青、煤焦油磁漆、FBE、3PE等,不同类型防腐蚀层在埋地钢质燃气管道上的应用历史如表1所示[10]。 

由表1可见,2000年以前,城镇燃气管道基本以沥青类防腐蚀层为主；2000年以后开始应用绝缘性能良好的环氧粉末和三层挤压聚乙烯防腐蚀层；2010年以后,主要采用三层挤压聚乙烯防腐蚀层；城镇燃气管道防腐蚀层的发展应用过程滞后于长输管道。 

由于建设年代不同,城镇燃气现役管道防腐蚀层种类较多,性能、质量参差不齐。基于材料性能原因,沥青类防腐蚀层容易产生老化现象,保护效果随着服役时间延长降低[11],研究表明,管道沥青防腐蚀层使用17~18 a就应该有计划进行大修更换[12],而服役20 a以上的老旧燃气管线大多采用沥青类防腐蚀层,随服役时间延长逐渐出现硬化、变脆及开裂现象,老化严重,整体绝缘性能较差,且大部分管道建设时未施加阴极保护,造成这些管道成为了燃气管网腐蚀漏气的重灾区[13]。相较于沥青类防腐蚀层,环氧粉末和三层挤压聚乙烯防腐蚀层的绝缘性能有了显著提高,但受到施工破坏和补口质量等因素的影响,环氧粉末和三层挤压聚乙烯防腐蚀层也存在局部的失效点,失效类型包括鼓泡[14],阴极屏蔽,防腐层破损或未补口[15]。其中阴极剥离是在较负的阴极保护电位条件下,防腐蚀层缺陷处累积氧和水,发生阴极电化学反应,使得缺陷处pH升高,造成防腐蚀层与管道基体剥离的现象,一般随着阴极保护电位负移,剥离距离增大[16]。 

防腐蚀层破损点的查找和防腐蚀层绝缘性能的检测是各大燃气公司日常生产运行的工作内容。由于燃气管道所处城市空间环境复杂,多位于柏油路面下,且与其他市政管道同沟敷设,开挖难度大,一般采用防腐蚀层地面检测仪进行防腐蚀层破损点与绝缘性能检测。国内燃气公司防腐蚀层地面检测主要采用人体电容法和多频管中电流衰减法[17-18]：人体电容法是利用人体作为检漏仪的感应原件,通过电位音频查找防腐蚀层破损点,该方法操作简单、设备价格便宜,抗干扰性强,能快速查找破损点,但无法对防腐蚀层整体情况进行评价。多频管中电流衰减法是采用特定信号收发技术,利用A字架查找防腐蚀层破损点,评估防腐蚀层整体绝缘情况,对于分支少的次高压及以上的燃气管线,其检测效果较好,但在检测庭院管线时,该方法的检测距离和检测效果并不理想[19-20]。 

综上可见,城镇燃气埋地钢制管道防腐蚀层种类繁多,性能、质量参差不齐,服役20 a的老旧管道以沥青类防腐蚀层为主,防腐蚀层老化导致整体绝缘性能较差；同时由于城镇燃气管道分布广、搭接多、受干扰大,防腐蚀层在进行地面检测时易受电磁干扰,现有的防腐蚀层检测方法,检测信号存在屏蔽区域,检测效率较低,评估准确性有待提升。 

2.   阴极保护

阴极保护作为埋地钢质管道腐蚀防护的有效技术已经在国内外长输管道上得到了全面的应用。在城镇燃气领域,阴极保护的应用滞后于长输管道,阴极保护技术在城镇燃气的应用发展历史如表2所示。 

由表2可见：城镇燃气自20世纪80年代开始应用阴极保护,由于城市地下管网复杂,城镇燃气阴极保护的形式主要以牺牲阳极为主,外加电流为辅。随着阴极保护技术的推广应用,2003年住建部推出了行业标准CJJ95-2003《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》,规程明确规定城镇燃气埋地钢质管道必须采用防腐蚀层进行外保护,新建的高压、次高压、公称直径大于或等于100 mm的中压管道和公称直径大于或等于200 mm的低压管道必须采用防腐蚀层辅以阴极保护的腐蚀控制系统。2014年修订CJJ95标准时,规定新建管道应采用防腐蚀层辅以阴极保护的腐蚀控制系统。 

由于早期没有标准规范约束,服役20 a以上的燃气管道,除了高压力级燃气管道参照长输管线设计了防腐蚀层辅以阴极保护的防腐措施外,大部分中低压燃气管道均未设计阴极保护,仅依靠防腐蚀层进行防护。随着服役时间增长,防腐蚀层老化严重,绝缘性能变差,再加上地下金属结构物搭接混乱,大量无阴极保护的中低压管道成为了腐蚀漏气的重灾区[2-23]。由于管道无阴极保护和测试装置,腐蚀漏气风险查找难度大,燃气管理单位无法进行科学精准的预防、维护和改造,只能被动进行漏气巡查和抢修,这增大了管道运维成本和腐蚀风险,如何处置这部分使用沥青类防腐蚀层且无阴极保护的老旧管道是迫切需要解决的问题。各地燃气公司也在积极研究探索,目前主要的解决措施有以下四种。①更换塑料管。如上海燃气公司在不开挖或少开挖条件下对黄浦区西藏路腐蚀严重的中压燃气管道实施PE管内插处理,解决了老龄“超期服役”燃气管道严重腐蚀泄漏问题[24]。②追加区域阴极保护。北京燃气公司采用外加电流阴极保护技术对老旧燃气管线追加阴极保护,在一定程度上解决了未知支线多、绝缘不彻底造成的阴保电流流失、阳极干扰及地床电阻等问题[25]。③改造绝缘设施并追加阴极保护。昆明燃气公司通过改造绝缘设施,并在防腐蚀层破损点处追加牺牲阳极302组,使昆明地下燃气管道阴极保护达标率从2019年的37.4%提升至2020年的40.9%[26]。④实施防腐蚀层修复,并追加阴极保护。杭州燃气公司引进微孔开挖技术,在2010-2013年间,修复防腐蚀层破损点785个,阀门漏电点105个,追加牺牲阳极923支,提升管道腐蚀与防护完整性管理水平[27]。 

综上可见,在城镇燃气行业,还存在大量没有阴极保护的老旧中低压燃气管道,由于这些管道大多分布在地下环境复杂的社区,管道防腐蚀层较差,电连接点多,电流漏失大。针对这些管道,如何追加阴极保护,选用什么阴极保护方法,按照怎样的标准化实施及施加条件等问题,是目前燃气行业的研究热点。 

3.   杂散电流

随着经济建设的快速发展,城市公共设施走廊被严重压缩,燃气管道与输电设施、轨道交通、公交电车及各类用电设施交织在一起,燃气管道受杂散电流干扰日益严重。在国外,美国、加拿大和俄罗斯等国均发现钢质天然气管道受地铁杂散电流和高压输电线杂散电流干扰腐蚀的案例,我国城市燃气管网受交、直流杂散电流干扰也屡见不鲜,尤其是北京、上海、深圳等大城市的城市燃气管网[28-32]。2017年,北京燃气公司对管网63个疑似杂散电流干扰点进行检测,发现48个疑似点处于强干扰,占比达76%[33]。上海燃气曾发现其天然气主干网管道遭到严重杂散电流干扰而发生腐蚀,最大腐蚀坑深达到5.1 mm,为其原始壁厚的53.7%[34]。广州地铁开通后,广州燃气公司统计发现其中压管网的腐蚀抢修量激增,且一直受地铁动态杂散电流干扰而处于高发状态[35]。2009年3月,深圳燃气公司投诉深圳地铁,由于地铁杂散电流的影响,燃气管道腐蚀穿孔多处,索赔2 100万[36]。无锡华润燃气管道受高压输电线路（550和220 kV）干扰,交流电流密度103.891 A/m2,电气化铁路干扰管道交流电流密度高达312.84 A/m2[27]。可见,杂散电流是造成城镇燃气管道腐蚀的重要影响因素,城镇燃气常见的杂散电流干扰形式及主要干扰源见表3。 

如表3所示,城镇燃气管道上常见的杂散电流形式主要有动态直流干扰、稳态直流干扰和交流干扰[38]。其中,动态直流干扰的干扰源主要为采用直流供电的城市轨道交通（地铁、轻轨）和有轨电车[39],稳态直流干扰的干扰源主要为与埋地燃气管道存在搭接的电力接地体、基础钢筋等[40],交流干扰的干扰源主要为高压交流输电线路和高铁等交流电气化铁路[41]。次高压以上燃气管道由于管线较长,防腐蚀层质量较好,多与地铁和输电线路交叉并行,主要受动态直流干扰和交流干扰影响；低压管道多位于小区内,且管段容易被绝缘接头和塑料管分割成小单元,受动态杂散电流干扰较弱,但由于社区内地下金属结构物种类繁多,包括建筑物避雷接地体、供水管道、排水管道、供热管道、地下车库、通信照明设施、充电桩等,低压燃气管道极易与其他地下金属结构物搭接或受到稳态杂散电流干扰而加速腐蚀,造成社区内低压管网出现高频腐蚀泄漏[42]。中压燃气管道多位于城市道路下方,经常与地铁线和电力电缆交叉并行,同时,由于中低压调压箱出入端极少设置绝缘装置,中低压管道电连接在一起,因此,中压管道除了受动态直流杂散电流干扰和交流干扰外,部分管道由于与低压管道电连接,还受到稳态直流干扰,特别是无阴极保护或阴极保护失效的中压管道成为了杂散电流干扰腐蚀的重灾区。 

在城镇燃气管道所受杂散电流干扰日益严峻情况下,如何对不同形式的杂散电流干扰进行有效检测、评判和防治是各大燃气公司面临的棘手问题。针对城镇燃气杂散电流干扰,国内有燃气公司采用了CDEGS[43]、MATLAB[44]、COMSOL Multiphysics[45]、BEASY[46]等软件对交直流杂散电流干扰进行数值模拟,应用uDL2数据记录仪进行现场测试。另外,深圳燃气、苏州燃气等公司通过内检测技术,对高压、次高压管线在不停输状态定量检测出大量杂散电流腐蚀缺陷,然而由于中、低压燃气管道管径小、压力低、分支多,目前尚无成熟的内检测技术可用于中低压管道的管体缺陷检测[47]。城镇燃气管道受直流干扰时,可参考的标准有CJJ95-2013《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》、GB50991-2014《埋地钢质管道直流干扰防护技术标准》,上海燃气和北京燃气相继对动态直流干扰出具了各自的企标；行业内对于无阴极保护管道的杂散电流评判指标及动态干扰评判指标存在争议。城镇燃气管道受交流干扰可参考的标准有SY/T 0087.6-2021《钢质管道及储罐腐蚀评价标准——第6部分：埋地钢质管道交流干扰腐蚀评价》及GB/T 40377-2021《金属和合金的腐蚀——交流腐蚀的测定　防护准则》,以上标准中给出了稳态交流干扰的评估指标,但缺乏对于交流电气化铁路动态交流干扰的评判指标。 

在杂散电流防治方面,同样存在诸多困难。一方面,电力设施和轨道交通等工程在设计初,只能通过模拟、预判等技术手段评估杂散电流干扰影响,无法准确掌握实际投运后的杂散电流排放大小,造成燃气方追加杂散电流排流技术方案、经费和权责等问题均滞后。地下城市空间结构物的隶属和权责不同,造成燃气方难以有效预防和消除杂散电流干扰对燃气管道的腐蚀,目前主要是依靠燃气方单方面采取排流防护来缓解干扰问题,但其面临排流难度大、防护效率低、排流成本高等难题。另一方面,社区低压燃气管道易与户内管道及其他金属结构物发生搭接现象,在很多情况下难以实现社区低压燃气管道电绝缘单独隔离,从而为阴极保护的设计和有效实施带来较大的挑战。 

综上可见,城镇燃气管道除了受到来自电力设施和轨道交通的杂散电流干扰外,还存在由于和社区地下金属结构物搭接造成的稳态直流干扰；如何针对城镇地区地下服役环境特点及管道分布区域特点,建立适用于不同干扰条件下的有效测试、评价及防护方法,从而降低杂散电流干扰风险,保证燃气管道的安全运行,已成为燃气腐蚀控制管理工作的重要内容。 

4.   结束语

基于现有燃气管道腐蚀防护现状及存在的问题,为了提高腐蚀控制管理水平,降低腐蚀危害,建议从以下几个方面开展相关工作。 

（1）防治技术方面：①基于城镇燃气管道防腐蚀层种类繁多,开发适合城市燃气管道防腐层检测评估技术,按周期检测防腐层绝缘性能和定位防腐层破损点；②针对无阴保老旧燃气管道,研究检测评估方法,追加经济可行的技术改造措施,形成中低压燃气管网腐蚀风险管控技术；③结合城市复杂工况环境,探索多种杂散电流干扰混合作用下的有效检测、评估和防治技术；④针对城镇燃气管网结构、压力及环境等特点,研发适用于城镇燃气管道的内检测技术；⑤在燃气管网腐蚀监检测、预警及防护等方面开展系统和持续研究,构建城市燃气管网腐蚀风险管控技术体系,牵引大型城市燃气管网安全保障水平的稳步提升。 

（2）标准体系及研发方面：燃气行业针对燃气管网的腐蚀原因及特点,细化标准要求,完善相关标准,特别需要关注老旧中低压管道的腐蚀检测评价标准及社区庭院管道绝缘与阴极保护技术要求；同时建立并完善企业腐蚀控制运行管理制度,投入相应的人力、物力和财力用于燃气管道腐蚀与防护工作,消除燃气管道腐蚀隐患,开展腐蚀风险检测、评估和改造相关课题的科研攻关。 

（3）协调机制方面：构建燃气管网-轨道交通等多方协调联动机制。实现燃气管道腐蚀防护的本质安全,贯穿燃气管道全生命周期,不能单单依靠燃气行业和燃气企业,更需要政府的支持引导、各类市政公用设施的统筹协调和社会大众的参与配合。针对涉及燃气管网、轨道交通、电力设施等多方的杂散电流腐蚀干扰问题与安全隐患,由政府引导,相关部门牵头,组建由管道、地铁等主管单位、运营单位、科研单位共同参加的联合工作组,建立沟通协商和联合工作机制,各负其责,推进“源头控制,共同治理”理念,开展杂散电流干扰联合测试与防护,共同解决公共安全隐患。 

（4）安全管控方面：全面排查城镇燃气管网腐蚀风险,提升整个燃气管网安全防护水平。全面准确采集城镇燃气管网基础参数、运行历史、服役工况、检测维修、防护措施、故障抢修等数据,建立相应城镇燃气管网全生命周期服役安全数据库；结合大数据技术,构建故障诊断、风险评判方法和系统,实现对管道服役安全风险的智能评判和高风险区域的精准管理,实现管网安全风险的全面、智能管控。

文章来源——材料与测试网