埋地燃氣鋼管腐蝕檢測及防腐對策

摘 要

摘要：闡述了埋地燃氣鋼管防腐的重要意義，通過對某管道燃氣公司埋地燃氣鋼管腐蝕檢測，分析了產(chǎn)生腐蝕的原因，提出了減緩腐蝕的方法與對策，對該公司的外加電流深井陽極陰極保護法的
摘要：闡述了埋地燃氣鋼管防腐的重要意義，通過對某管道燃氣公司埋地燃氣鋼管腐蝕檢測，分析了產(chǎn)生腐蝕的原因，提出了減緩腐蝕的方法與對策，對該公司的外加電流深井陽極陰極保護法的防腐實踐進行總結(jié)與探討。
關(guān)鍵詞：埋地鋼管；腐蝕檢測；防腐層；保護電位；陰極保護；深井陽極
Corrosion Inspection and Anticorrosion Countermeasures of Buffed Gas Steel Pipelines
Wenzhou Public Utilities Investment Group Co.，Ltd.Wang Liangjun
Wenzhou Municipal Gas Co.，Ltd.Hao Xingjun
Abstract：The great significance of corrosion prevention of buried gas steel pipelines is elahorated，corrosion causes discovered through corrosion inspection of buffed gas steel pipelines of a pipeline gas company are analyzed，solutions and countermeasures of slowing corrosion are suggested，the company’s corrosion prevention practice known as impressed current cathodic protection using deep well anode is summarized and discussed.
Keywords：buried steel pipeline；corrosion inspection；anticorrosive coating；protection potential；cathodic protection；deep well anode
1 前言
    腐蝕是金屬在周圍介質(zhì)的化學、電化學作用下所引起的一種破壞。土壤中存在各種酸堿性的腐蝕成分，埋設(shè)地下的燃氣鋼質(zhì)管道經(jīng)過長期使用會發(fā)生腐蝕、穿孔、斷裂等腐蝕現(xiàn)象，進而造成漏氣，引發(fā)火災、爆炸等嚴重后果，不僅破壞正常平穩(wěn)供氣，影響用戶生產(chǎn)和生活，而且嚴重威脅人民生命安全，給企業(yè)和社會造成很大的經(jīng)濟損失。
    提高埋地燃氣鋼管防腐施工質(zhì)量，加強對在役鋼管防腐能力監(jiān)測、保護和修復，確保埋地燃氣鋼管平穩(wěn)安全運行，是管道燃氣企業(yè)一項非常重要的工作。多項國家或行業(yè)規(guī)范對埋地燃氣管道防腐施工與運行要求進行了規(guī)定。
    按照CJJ95—2003《城鎮(zhèn)燃氣埋地鋼管腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》，“新建的高壓、次高壓、公稱直徑大于或等于100mm的中壓管道和公稱直徑大于或等于200mm的低壓管道必須采用防腐層輔以陰極保護的腐蝕控制系統(tǒng)。管道運行期間陰極保護不應間斷。”“僅有防腐層保護的高壓、次高壓和公稱直徑大于或等于150mm的中壓在役管道應逐步追加陰極保護系統(tǒng)。”
    溫州市公用事業(yè)投資集團有限公司(以下簡稱集團)下屬企業(yè)溫州市燃氣有限公司(前身為溫州市管道燃氣有限公司，以下簡稱公司)高度重視埋地燃氣鋼管的防腐工作，根據(jù)國家和行業(yè)相關(guān)規(guī)范要求，2007年底起對公司埋地鋼管進行了全面的防腐檢測及腐蝕點修復，2011年上半年對部分埋地鋼管集中區(qū)域增設(shè)了2座外加電流深井陽極陰極保護站，取得一定成效。通過防腐實踐，總結(jié)經(jīng)驗教訓，探討存在的問題，旨在拋磚引玉。
2 埋地鋼管腐蝕情況
    上世紀90年代初溫州市開始大規(guī)模的城市燃氣管道建設(shè)，在2000年以前基本上采用無縫鋼管作為輸送燃氣的市政和庭院管網(wǎng)管材，其后才出現(xiàn)PE管并逐步替代鋼管，因此，埋地鋼管基本上已有10年以上使用時間。公司埋地鋼管約為130km，其中市政管線(管徑DN100～DN300)約60km，庭院管線(管徑DN50～DN 100)約70km。2008年至2010年3年間分別發(fā)生12起、7起、9起埋地鋼管腐蝕泄漏事件，合計產(chǎn)生費用39.9萬元，腐蝕和損失情況嚴重。
3 防腐檢測
    埋地管道腐蝕檢測為分析腐蝕產(chǎn)生的原因、確定合適的防腐措施具有重要作用，在役檢測技術(shù)的進步為管道燃氣企業(yè)全面掌握鋼管的腐蝕狀況創(chuàng)造了條件。根據(jù)CJJ95—2003《城鎮(zhèn)燃氣埋地鋼管腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：“在役管道防腐層應定期檢測”，公司在2007年底首次對在役埋地鋼管進行了一次全面檢測。
3.1 檢測內(nèi)容和檢測方法
    主要進行防腐層絕緣電阻率和防腐層缺陷檢測，以及管道陰極保護電位檢測，同時對土壤特性進行檢測和調(diào)查，檢查內(nèi)容、方法等如表1所示。
3.2 檢測結(jié)果
3.2.1防腐層絕緣性能
    對埋地鋼管隨機抽樣進行防腐層絕緣電阻率檢測，將35個數(shù)據(jù)排序如圖1，根據(jù)SY/T 5919-2009《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)管理規(guī)程》對數(shù)據(jù)進行分類如表2所示。

表1 檢測項目和檢測方法
檢測內(nèi)容
檢測項目
檢測方法
檢測儀器
儀器型號
防腐層絕緣性能
防腐層絕緣電阻率
變頻選頻法
絕緣電阻測量儀
SL-AY508
防腐層缺陷位置檢測
防腐層破損點檢測及定位
人體電容法(皮爾遜法)
地下管道防腐層探測檢漏儀
SL-2088
陰極保護效果
陰極保護電位測試
地表參比法
數(shù)字萬用表
VC890D
土壤腐蝕性
土壤特性檢測(土壤電阻率、酸堿性、含水率、含鹽量等)
等距法等
土壤電阻率測定儀
ZC-8
表2 防腐層絕緣性能分類
防腐層面電阻/(Ω·m2)
技術(shù)等級
實測點數(shù)
所占比例(%)
采取的維修方式
＞10000
1
O
0
暫不維修
5000～10000
2
6
17.1
按規(guī)定進行檢漏和修補
3000～5000
3
18
51.4
按規(guī)定進行檢漏和修補
1000～3000
4
10
28.6
加密測點進行測試，對＜1000Ω·m2段進行維修
＜1000
5
1
2.9
大修
合計
35
100
 
    35個測點的防腐層電阻率從826Ω·m2～8218Ω·m2，管道的外防腐層電阻璋弓啷分在3000Ω·m2～5000Ω·m2，平均值為3996Ω·m2，說明管道防腐層等級基本上為“差”。
3.2.2防腐層缺陷檢測
    按照SY/T0087—95《鋼質(zhì)管道及儲罐腐蝕與防護調(diào)查方法標準》，破損缺陷≥8處/1Okm鋼質(zhì)管網(wǎng)評級為“差”。在公司長達130km埋地鋼質(zhì)管網(wǎng)中，共檢出防腐層破損缺陷303處，超過23處/km，顯然管道防腐層屬“差”的等級。開挖發(fā)現(xiàn)防腐層缺陷包括以下幾種形態(tài)：(1)施工時未防腐；(2)施工時創(chuàng)傷(包括點狀和帶狀)，此種情形占據(jù)了大部分，觸目驚心(見圖2)；(3)防腐層經(jīng)長時間浸水起泡；(4)管線彎又、三通、四通等部位防腐施工質(zhì)量差；(5)入戶管線出土處腐蝕較普遍。防腐層缺陷處管道本體腐蝕包括點狀腐蝕和面狀腐蝕，其中以點狀腐蝕危害為重，嚴重處已穿孔漏氣。
 

3.2.3陰極保護效果檢測
    對整體管道的自然電位測試和原犧牲陽極保護系統(tǒng)進行測試，大部分管道處在自然腐蝕電位狀態(tài)(-0.45v，Cu/CuS04參比電極)，所測的60處管地電位在-0.49V～-0.72V之間波動(見圖3)，其中正值占77%，最負值-0.49V，達不到管道陰極保護電位(即管/地界面極化電位)要求的-0.85V，即管道運行沒有處于陰極保護狀態(tài)。

3.2.4土壤腐蝕性
土壤腐蝕性主要通過測定土壤電阻率、酸堿性、含水率、含鹽量等來確定。檢測結(jié)果顯示，60個測點處土壤的電阻率在19.34～39.65之間，均值為29.32Ω·m2，為中等腐蝕性土壤(表3)。33個測試點中，土壤pH值在5.5～9之間，其中有15處pH值在5.5～7之間，對埋地鋼管有較強腐蝕性。
表3 土壤腐蝕性評價
腐蝕等級
強
中
弱
土壤電阻率/(Ω·m2)
＜20
20～50
＞50
3.3腐蝕評價
   公司在役埋地鋼管經(jīng)過10多年運行，防腐層絕緣質(zhì)量差，且破損嚴重，原有犧牲陽極保護已完全失效，土壤具有較強腐蝕性。
4 腐蝕原因分析
4.1 鐵的活潑性是鋼管腐蝕的內(nèi)因
    鐵是活潑的金屬元素，在空氣中會與氧氣發(fā)生緩慢化學反應而腐蝕，在潮濕空氣或土壤中腐蝕得更快。鋼管含有碳等元素，若外防腐層破損，埋地鋼管接觸土壤，鐵與碳組成原電池，發(fā)生如下電化學腐蝕，鐵變成了疏松的亞鐵離子化合物，形成管道腐蝕。
    陽極(鐵)：Fe-2e→Fe2+
    陰極(碳)：H20+1/202+2e→20H-
4.2 土壤的腐蝕性是鋼管腐蝕的外因
    土壤是由同、液、氣三相組成的不均一的復雜多相體系，其中水分、溶氧、微生物等使土壤成為特殊的腐蝕介質(zhì)，其腐蝕性強弱取決于土壤電阻率、溶解鹽含量、pH值、透氣性及微生物活動等多因素的共同作用。
    不僅上述土壤電阻率和pH數(shù)據(jù)體現(xiàn)土壤的較強腐蝕性，土壤含水率和含鹽量同樣顯示了強腐蝕性。某些路段由于地下水位變化，管道反復浸泡會大大增加管網(wǎng)的腐蝕程度。當土壤中含有大量可溶性鹽和水時，F(xiàn)e2+易與Cl-和S042-等離子結(jié)合，加速鋼管腐蝕。33處測試點土壤中Cl-和S042-總含量＞0.05%有20處，在0.01～0.05%有13處，這說明Cl-和S042-是公司管網(wǎng)腐蝕不可忽視的因素。
    綜合以上各種因素，溫州市土壤屬于腐蝕性較強土壤，鋼質(zhì)埋地管道的腐蝕是難以避免的。
4.3 防腐層破損是鋼管腐蝕的關(guān)鍵因素
    公司對防腐檢測中發(fā)現(xiàn)的303個腐蝕點逐處進行開挖并修復，開挖后發(fā)現(xiàn)絕大部分為防腐層膠帶存在問題，比如破損、剝離、松動浸水，甚至露鐵。防腐層是阻止鐵與腐蝕性介質(zhì)接觸的屏障，公司早期施工的埋地鋼管防腐層為環(huán)氧煤瀝青加PE保護層加強級防腐，鋼管防腐層在施工過程中尤其在下管溝時極易被管溝中未清理的石頭、磚塊所損傷，為日后腐蝕埋下隱患。尤其細小點狀損傷，若鋼管隱蔽前沒有進行電火花測試，難以發(fā)現(xiàn)，此種情形發(fā)生的點狀腐蝕速度較快，甚至很快會穿孔。有些在污水池周周的鋼管受污水長期浸潤，腐蝕特別嚴重，壽命大大縮短。
    開挖時還發(fā)現(xiàn)原犧牲陽極施工安裝數(shù)量嚴重不足、安裝不規(guī)范、庭院管道基本無保護等問題，導致一旦防腐層損傷，鋼管加速腐蝕。在凝水缸、閥門、三通、彎頭等不規(guī)則形狀部位防腐質(zhì)量不好，存在嚴重漏點，陰極保護電流損失很大，有限的犧牲陽極過早就消耗失效。
4.4 雜散電流與微生物腐蝕是不可忽視的因素
    由于各種用電設(shè)備接地和漏電以及高壓電力線在附近埋地鋼管上產(chǎn)生感應交流電等，管道與周同土壤產(chǎn)生幾伏甚至幾十伏的電位差，形成雜散電流，這是造成埋地鋼質(zhì)管腐蝕的另一個因素。
    土壤中微生物在新陳代謝過程中直接參與腐蝕作用，產(chǎn)生的酸性物質(zhì)形成了金屬表面易于腐蝕的環(huán)境，以硫酸鹽還原菌腐蝕較為普遍。
5 防腐對策
5.1 新埋設(shè)管道
    對新埋地中低壓管網(wǎng)，盡量使用耐蝕性能好、壽命長的PE管材。但對于車輛荷載大的特殊地段、高壓和次高壓管網(wǎng)還是需要埋設(shè)鋼管，應采用防腐性能更佳的3PE防腐輔以陰極保護。在防腐層施工過程中加強對已施工防腐層的保護，下管后進行完整性檢測，采取技術(shù)、經(jīng)濟、管理等措施，確保防腐層完好。
5.2 在役埋地鋼管
    2009年，公司對埋地鋼管腐蝕較為嚴重的西城路特陶小區(qū)進行全面改造，將埋地鋼管全部更換為PE管，至今平穩(wěn)安全運行，取得了很好的效果。但因費用較高、開挖困難，難以全面推廣。
    鑒于在役埋地鋼管的市政管網(wǎng)陰極保護系統(tǒng)失效以及庭院管網(wǎng)無陰極保護，對檢測發(fā)現(xiàn)的明顯腐蝕點進行修復是被動的治標辦法。埋地鋼質(zhì)管道不追加陰極保護不僅違反圍家相關(guān)規(guī)范要求，安全運行環(huán)境也得不到保障，需要經(jīng)常搶修，不僅浪費大量的人力物力，而且還要承擔較大風險，社會負面影響較大。GB/T 21448—2008《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，已建帶有防腐層的管道應限期補加陰極保護措施，勢在必行。
5.3 陰極保護方法的比選
    陰極保護是給被保護物體通以陰極電流，使之陰極極化減小或防止金屬腐蝕的方法，主要有犧牲陽極法和外加電流法(也稱強制電流法)兩種，兩者比較如表4。
表4 兩種陰極保護方法比較
保護方法
優(yōu)點
缺點
犧牲陽極
不需用外加電源，對臨近金屬構(gòu)筑物無干擾或干擾小，投產(chǎn)捌試后管理工作量少，工程越小越經(jīng)濟，保護電流分布均勻，利用率高，一般不會出現(xiàn)過保護，適用于需要局部保護的場合。
高電阻環(huán)境下不宜使用，產(chǎn)生的有效電位差及輸出電流量都是有限的，只適用于小電流的場合。調(diào)節(jié)電流困難，陽極消耗大，需要定期更換。
外加電流
輸出電流連續(xù)可凋，保護范圍大，不受環(huán)境電阻率限制，工程越大越經(jīng)濟，保護裝置壽命長。
需要有外部電源，維護工作量大，當附近有其他結(jié)構(gòu)時，可能產(chǎn)生干擾腐蝕，有可能出現(xiàn)過保護。
    外加電流深井陽極陰極保護法具有施工涉及區(qū)域小、覆蓋面積廣、施工速度快、開挖少等明顯優(yōu)勢。市區(qū)地下管線眾多，地下空間十分緊張，開挖審批流程繁瑣，施工協(xié)調(diào)難度大。經(jīng)過分析對比，以外加電流深井陽極陰極保護為主、犧牲陽極保護為輔的對策更符合公司對陰極保護工程經(jīng)濟性、可行性的要求。
5.4 公司外加電流陰極保護方法選擇
    根據(jù)現(xiàn)有市政和庭院埋地鋼管分布和腐蝕情況以及土壤情況等，對需保護鋼管劃分為3個區(qū)域。區(qū)域一(舊城區(qū))和區(qū)域二(南浦-車站大道區(qū))的埋地鋼管較為集中，采用深井陽極外加電流保護方式，強制電流系統(tǒng)設(shè)計壽命25年，保護電位-0.85V～-1.50V(相對飽和Cu/CuS04參比電極)；區(qū)域三的埋地鋼管較分散，采用犧牲陽極保護方式。
6 深井陽極電流保護實踐
6.1 設(shè)計與施工
    公司于2011年3月首先啟動了區(qū)域二的深井陽極電流保護工程。經(jīng)計算管道保護面積為19631m2，設(shè)計保護電流密度為1OmA/m2，保護總電流為196A，在南浦氣化站和位于車站大道的公用集團內(nèi)各設(shè)置1座深井陽極陰極保護站。每個站內(nèi)設(shè)100A/100V恒電位儀2臺，一開一備。在站內(nèi)距離管線50m～1OOm的低洼潮濕、土層較厚處鉆建直立式陽極地床，井深60m，井內(nèi)裝分段預制型陽極體7組，規(guī)格為Φ325×6000，內(nèi)裝Φ75×1500高硅鑄鐵陽極3支。將高硅鑄鐵陽極、高性能碳素填料，PVC排氣管，部分陽極引線電纜，井套管組合裝配為一體，便于運輸和安裝，并可保證裝配精度和質(zhì)量(圖4)。每500m左右設(shè)置一個測試樁或在原有閥門外內(nèi)設(shè)置測試點。對于平行或跨越管道按一定間距或在最接近處作均壓處理，使電位分布均衡。

6.2 保護電位測試及效果評價
    區(qū)域二兩座深井陽極安裝后，對管網(wǎng)進行了一段時間的極化，各測試點保護電位測試結(jié)果見表5，大多數(shù)檢測點的電位在-0.85V至-1.5V之間，達到了保護電位，但也有小部分電位在-0.85V以上達不到保護電位，個別在-1.5V以下，管網(wǎng)處于過保護狀態(tài)。
表5 部分管道保護電位實測值
測點編號
測試位置
管道保護電位實測值(V)
測點編號
測試位置
管道保護電位實測值(V)
1
車站-F-30
-0.98
10
車站-F-06
-0.85
2
站北南浦-F-01
-0.99
11
車站-F-05
-0.86
3
劃龍-N-12
-1.01
12
黎明中-F-03
-0.88
4
車站-N-09
-1.18
13
上陡門-F-O1
-0.88
5
車站-F-20
-1.59
14
錦繡-F-29
-0.87
6
橋頭
-1.41
15
錦繡-F-28
-1.01
7
車站-F-18
-1.35
16
上陡門九-F-01
-0.83
8
車站-N-O7
-1.25
17
上陡門九-N-05
-0.82
9
車站-F-15
-1.30
18
劃龍-N-11
-0.77
    深井陽極電流保護試運行半年以來，區(qū)域二內(nèi)未發(fā)生過一起因腐蝕導致的搶修事件，而暫未進行陽極保護的區(qū)域同期卻發(fā)生了4起腐蝕搶修事件，從一定程度上說明外加電流深井陽極起到了較好的保護作用。
7 結(jié)論與探討
    (1) 燃氣企業(yè)應對埋地鋼管進行定期腐蝕檢測，從鋼管防腐層電阻率、土壤電阻率、鋼管對地電位等檢測數(shù)據(jù)綜合判斷埋地鋼管的腐蝕、運行與環(huán)境情況，藉此確定防腐對策。當然還要根據(jù)企業(yè)實際情況，通過技術(shù)經(jīng)濟分析最終確定具體的防腐措施。
    (2) 隨著城市的發(fā)展和技術(shù)的進步，外加電流深井陽極陰極保護在埋地鋼管保護中凸顯其應用價值，管道燃氣企業(yè)可積極實踐與探索，認真做好設(shè)計與施工工作，使工程發(fā)揮應有的效用。
    (3) 過保護可能會導致防腐層析氫剝離。公司管道保護電位的下限暫定為-1.5V，這與新標準是不相吻合的。若長期在此電位運行下，原采用環(huán)氧煤瀝青加強級防腐PE保護層很可能會因防腐層浸潤而發(fā)生析氫，導致防腐層的剝離。所以，一方面公司需密切檢測監(jiān)視電位變化情況，另一方面在管道極化保護一段時間后應降低保護電壓至規(guī)定范同內(nèi)，這需與對管道進行絕緣、對薄弱部位增加犧牲陽極保護措施結(jié)合起來。
    (4) 未對保護管道進行絕緣會導致保護電流大量流失。事實證明對埋地鋼管進行絕緣可提高外加電流保護效果。盡管其工作量、難度及費用大，但不可或缺，尤其需對保護電流漏失嚴重的部位如閥門井、過街鋼套管、出地面立管、與自來水管搭接等部位進行絕緣，這樣可保證未端管道也能達到保護電位。
    (5) 外加電流陰極保護運行期間需定期進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)問題，不斷改進。對深井陽極站的輸入電壓電流值、各測試點的電位以及深井陽極運行情況要進行密切監(jiān)視與記錄。公司將大部分檢測點沒置在閥門井內(nèi)帶來日常檢測不便，需要增加路面測試樁數(shù)量。
8 結(jié)語
    開展埋地鋼管腐蝕檢測并采取有效防腐措施，既是規(guī)范要求，也是管道燃氣企業(yè)改善供氣環(huán)境、確保安全平穩(wěn)運行、延長管道壽命提高經(jīng)濟效益的內(nèi)在需求。溫州市燃氣有限公司在埋地鋼管的腐蝕檢測和深井陽極的防腐實踐中進行了積極的探索，其經(jīng)驗與教訓可供業(yè)內(nèi)借鑒探討。
參考文獻
1 張增斌，孫衛(wèi)紅，張輝等，唐山燃氣管道腐蝕狀況檢測與評價[J1.城市燃氣，2008；3：14-16
2 葉曉波，常力興，李琮.埋地燃氣管道腐蝕漏氣修復總結(jié)[J].城市燃氣，2006；7：3-6
3 金昌浩.埋地鋼質(zhì)燃氣管道腐蝕定期檢測與維修實踐[J]煤氣與熱力，2011；31(7)：B01-B04
4 張寶宏，叢文博，楊萍.金屬電化學腐蝕與防護[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005：8
5夏陽，張玉梅，阮金華.在役埋地鋼質(zhì)燃氣管道追加陰極保護系統(tǒng)的沒計[J].上海煤氣，2009；5：18-22
6 馬長福，楊印臣.犧牲陽極是否導致3PE防腐層陰極剝離的探討陰.煤氣與熱力，2010；30(8)：B01-B02
 
(本文作者：王良君1 郝興軍2 1.溫州市公用事業(yè)投資集團有限公司 325000；2.溫州市燃氣有限公司 325000)