張玉星

(北京市燃氣集團研究院，北京100011)

1 概述

通過對北京市燃氣集團(以下簡稱北京燃氣)2014—2017年間管道腐蝕泄漏情況進行統(tǒng)計[1]，得出低壓管網(wǎng)泄漏次數(shù)占比約75.4%，中壓泄漏次數(shù)占比約18.8%。分析其原因，首先低壓管網(wǎng)在北京燃氣埋地鋼質(zhì)管道中占比較高，約為63.6%，管道長度較長，所以相應地發(fā)生泄漏事故量較大；另外，低壓管網(wǎng)約73.2%沒有采取陰極保護措施，陰極保護有效性對于管道腐蝕控制極為關鍵；除此之外，低壓管網(wǎng)服役環(huán)境復雜，比如地鐵雜散電流干擾、與其他管線搭接引起的電偶腐蝕等一系列問題均縮短了腐蝕穿孔時間。

王慶余等人[1]對防腐層類型與泄漏事故量做了統(tǒng)計，得出瀝青防腐層泄漏次數(shù)占比約84.5%，3PE占比約4.3%，F(xiàn)BE及煤焦油瓷漆占比約1.9%。分析其原因，首先，瀝青類防腐層應用占比較高，約為63.3%；其次，由于瀝青類防腐層服役年限較長，且瀝青材料的絕緣性能較差，隨時間推移老化加速，導致防腐層破損點越來越多，管體腐蝕風險加大；另外，管道防腐層老化，陰極保護電流需求變大，但陰極保護卻沒有及時補加，導致腐蝕速率加大。

北京燃氣意識到管道腐蝕控制是燃氣管道可靠運行的關鍵，近20 a分別針對陰極保護有效性、防腐層完整性、雜散電流干擾防護、陰極保護系統(tǒng)的補加與修復等方向開展一系列課題研究，形成相當一部分成果用于示范應用，推動適用于城鎮(zhèn)燃氣的腐蝕控制技術(shù)發(fā)展。

2 陰極保護系統(tǒng)問題分析

2.1 北京燃氣陰極保護現(xiàn)狀

北京燃氣于1987年開始應用犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)[2]，CJJ 95—2003《城鎮(zhèn)燃氣埋地鋼質(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》要求低壓DN 200 mm及以上新建管道加裝陰極保護系統(tǒng)，CJJ 95—2013《城鎮(zhèn)燃氣埋地鋼質(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》要求對所有新建管道全面加裝陰極保護系統(tǒng)。目前北京燃氣中低壓管網(wǎng)陰極保護多采用鎂犧牲陽極；部分次高壓及以上管網(wǎng)采用外加電流方式，地床類型包括淺埋陽極、深井陽極，同時于1998年在衙門口—良鄉(xiāng)管道引入國產(chǎn)柔性陽極，同時于2004年在新敷設的高壓燃氣管道上使用柔性陽極外加電流方式[3]。

2.2 低壓管網(wǎng)陰極保護系統(tǒng)

① 問題分析

目前低壓管網(wǎng)腐蝕問題在社區(qū)內(nèi)較為嚴重，陰極保護系統(tǒng)不完善是造成腐蝕泄漏事故的根本原因。根據(jù)北京燃氣近年來低壓管網(wǎng)腐蝕事故分析，發(fā)生腐蝕泄漏的主要原因分為以下幾類：

a.引入管的搭接問題[4]。目前絕大部分引入管在出地面之前未施加絕緣措施，燃氣管道入戶之后，極有可能與電器的接地極、熱力管道等發(fā)生搭接，由于相互的電位差從而造成電偶腐蝕。

b.雜散電流干擾問題。由于目前地鐵沿線上的社區(qū)較多，所以地鐵干擾對于社區(qū)鋼質(zhì)管道影響較大。

c.管道處于積水環(huán)境下引起的腐蝕問題。胡義勇等人[5]發(fā)現(xiàn)某小區(qū)地下車庫附近的燃氣管道發(fā)生腐蝕，分析其原因為管道埋設于地下車庫防水層以上，由于雨季發(fā)生積水，使得管道長期處于潮濕環(huán)境下，導致防腐層剝離從而造成穿孔。

d.遺留凝水缸發(fā)生的腐蝕問題。由于部分管道還未完全廢除凝水缸且缸內(nèi)長期存水，導致內(nèi)腐蝕穿孔從而發(fā)生泄漏事故[6]。

② 研究進展

目前北京燃氣針對社區(qū)的腐蝕控制問題已經(jīng)逐漸開展工作，根據(jù)小區(qū)特點結(jié)合不同的陰極保護方式，比如鎂犧牲陽極，以及不同陽極地床(柔性陽極、深井陽極、淺埋陽極)的外加電流陰極保護，通過饋電實驗確定陰極保護電流需求，結(jié)合數(shù)值模擬軟件Beasy，對不同的陰極保護方式及地床或陽極位置進行研究，綜合考慮選取最優(yōu)方式。

2.3 中壓及以上管網(wǎng)陰極保護系統(tǒng)

① 問題分析

針對中壓及以上管道腐蝕泄漏事故，除了雜散電流引起的陰極保護系統(tǒng)失效以外，還主要集中在以下原因：

a.測試樁不足的問題。測試樁數(shù)量不足，導致對于管道陰極保護是否有效難以評估。

b.管道欠保護的問題。對于犧牲陽極系統(tǒng)而言，陽極設計壽命一般為25 a，目前部分陽極服役已經(jīng)超過25 a，進而失效，欠保護的問題逐漸顯現(xiàn)。

c.管道過保護導致的涂層剝離問題。對于FBE及3PE防腐層而言，管道電流需求較小，此時如果陰極保護電位過負，使得管道土壤環(huán)境偏堿性，OH-及H的產(chǎn)生都會造成涂層剝離問題，隨著剝離區(qū)域加大，會形成電流屏蔽。

② 研究進展

北京燃氣通過科研課題，針對中壓及以上管網(wǎng)比較關注的犧牲陽極系統(tǒng)有效性及壽命預測，提出了系統(tǒng)的方法。針對犧牲陽極有效性評價方面，通過饋電實驗或者理論計算得出某管段的陰極保護電流密度，結(jié)合管道信息得出最小保護電流，通過犧牲陽極數(shù)量推算出陽極組或者單支陽極臨界接地電阻，最終通過對比在役犧牲陽極及計算值確定犧牲陽極的有效性；針對犧牲陽極的壽命預測，主要通過計算得到的陽極臨界接地電阻值，及測量的在役犧牲陽極實際接地電阻值，并根據(jù)陽極臨界接地電阻值及在役陽極實際接地電阻值，分別計算陽極等效直徑，根據(jù)等效直徑算出各自對應的陽極質(zhì)量，結(jié)合陽極利用系數(shù)、陽極消耗率等計算犧牲陽極系統(tǒng)的剩余壽命[7]。

2.4 調(diào)壓站陰極保護系統(tǒng)

① 存在問題

對于調(diào)壓站而言，陰極保護的不完善是目前腐蝕的主要原因。其中，某公司門站的區(qū)域陰極保護系統(tǒng)對鄰近的北京燃氣門站埋地管道的干擾，是腐蝕原因之一；另外調(diào)壓站地上管與埋地管交界處，干濕交替及氧氣濃度差也是腐蝕風險之一。

② 研究進展

北京燃氣通過科研課題研究了區(qū)域陰極保護技術(shù)在城鎮(zhèn)燃氣的使用[8]，具體思路如下：

a.首先，對廠站概況進行調(diào)研，包括站內(nèi)埋地管道、接地等數(shù)量、分布位置、尺寸、埋深、防腐層情況，為后續(xù)陰極保護設計提供基礎資料。

b.通過饋電實驗摸清管道的極化特性，并在饋電實驗的基礎上對陽極地床進行優(yōu)化設計。

針對調(diào)壓站地上管與埋地管交界處，由于地面潮濕導致不同程度的腐蝕現(xiàn)象，采用噴砂除銹后使用黏彈體的腐蝕防護方法。

3 管道防腐層問題分析

① 北京燃氣防腐層現(xiàn)狀

目前北京燃氣在役防腐層種類較多，其中包括石油瀝青、環(huán)氧煤瀝青、塑化瀝青防蝕帶、FBE防腐層、3PE防腐層等，20世紀80年代前后，北京燃氣以石油瀝青防腐層為主，到90年代前后，逐漸使用環(huán)氧煤瀝青、塑化瀝青防蝕帶，直到2000年以后，才開始使用FBE、3PE等防腐層，目前新建鋼質(zhì)管道以3PE防腐層為主。

② 管道防腐層及破損點

a.存在問題

針對管道防腐層及破損點的問題，目前主要集中在以下2點：首先，隨著管道服役年限增長，防腐層受土壤環(huán)境、陰極保護、雜散電流干擾等影響，涂層本身老化，進而陰極保護電流需求變大，對管道的保護效能降低；另外，目前管道的破損點過多，由于陰極保護的作用是使得防腐層破損點電位負移從而不被腐蝕，所以并不是全部破損點都需要修復，破損點分級及修復次序變得尤為重要。

氣象站所在地的地貌為戈壁、綠洲相間的平緩沙丘，地形起伏較小、開闊。圖1為半徑40 km范圍的地形情況，總體上以北開始有起伏山地出現(xiàn)，在半徑40 km范圍最大地形高差達500～600 m。

b.研究進展

目前北京燃氣已經(jīng)開展防腐層退化規(guī)律及保護效能的課題，初步形成了基于面電阻率檢測結(jié)果的防腐層退化規(guī)律，為防腐層的壽命預測及保護效能分析奠定基礎。同時也逐漸開展防腐層破損點的修復工作，為管道安全運營提供保障。

③ 防腐層檢測與補口

a.存在問題

針對防腐層檢測與補口的問題，目前主要集中在以下兩點：首先，對于防腐層檢測周期問題，CJJ 95—2013規(guī)定高壓、次高壓管道每3 a不得少于1次，中壓管道每5 a不得少于1次，低壓管道每8 a不得少于1次，但目前受諸多條件限制，對于該周期的執(zhí)行暫時存在問題，從而導致對于管道防腐層性能無法及時獲?。涣硗?，對于防腐層補口問題，應該更加關注施工質(zhì)量，尤其焊縫處的補口補傷，對于管體的清潔度、錨紋深度等表面處理及后期檢驗都應該重視。

b.研究進展

目前北京燃氣已研發(fā)了針對管道補口補傷的防腐層剝除技術(shù)，通過無明火的熱風作為加熱源，加熱軟化防腐層的同時用剝刀風嘴進行防腐層剝除，該裝置不引發(fā)明火，安全性高，能夠更加高效、便捷地完成補口補傷工作[9]。

4 雜散電流干擾問題分析

① 北京燃氣雜散電流干擾現(xiàn)狀

隨著能源和交通運輸行業(yè)的快速發(fā)展，燃氣管網(wǎng)與地鐵、高壓輸電線路、電氣化鐵路平行或交叉的情況越來越多，鋼質(zhì)管道受到雜散電流干擾日益嚴重。到2020年，北京地鐵將有30條地鐵線路，運營總長達到1 177 km；另外，北京是全國最大的鐵路樞紐，有京廣線、京滬線、京九線、京包線、京通線等眾多鐵路干線呈輻射狀通向全國各地，龐大的軌道交通及電力網(wǎng)絡與燃氣管網(wǎng)密集地分布在北京地區(qū)。

② 地鐵直流干擾

a.存在問題

地鐵直流雜散電流的問題目前主要集中在以下幾點：首先，需進一步加強24 h監(jiān)測力度，全面排查地鐵直流干擾風險，有針對性地采取干擾防護措施；其次，目前針對地鐵動態(tài)直流干擾的評價標準尚不完善，一般參照澳大利亞標準AS 2832.1—2015《金屬的陰極保護 管道及電纜》(Cathodic protection of metals - pipes and cables，以下簡稱AS 2832.1—2015)，對于該標準的適用性還有待探討；另外，干擾環(huán)境下的陰極保護電位會頻繁變化，所以對于陰極保護的評價有一定難度。

b.研究進展

針對地鐵直流干擾對埋地管道的影響問題，北京燃氣通過課題研究形成了腐蝕速率與干擾規(guī)律之間的對應關系，基于AS 2832.1—2015建立了腐蝕風險等級判據(jù)。結(jié)合示范應用，通過現(xiàn)場實驗，對比鎂犧牲陽極及強制排流兩種類型的排流效果，隨后通過饋電實驗確定最終排流方案。

③ 高壓線交流干擾

a.存在問題

針對高壓線交流干擾的問題，目前集中在以下幾點：首先，由于城鎮(zhèn)燃氣開挖難度大、地域限制條件多，在排流設計及施工中均存在難點，對于長輸管道常用的水平鋅帶地床在城鎮(zhèn)燃氣中受開挖條件限制無法完全適用，需要進一步根據(jù)管道周邊環(huán)境探討多種地床形式相結(jié)合的防護方案；其次，采取交流干擾防護措施的管道沒有制定效能評價的相關規(guī)定。

b.研究進展

目前針對高壓管道的交流干擾問題已經(jīng)開展了評估及緩解技術(shù)，主要以阜石路高壓燃氣管道為例。干擾防護方案的設計主要通過CDEGS軟件根據(jù)實際位置關系建立管道與高壓管道模型，并分別通過使用水平鋅帶地床、分布式犧牲陽極地床、深井陽極地床等方式相結(jié)合進行優(yōu)化設計，最終綜合管道周邊的地理環(huán)境合理選擇干擾緩解地床形式[10]。

5 埋地管道的維修維護問題分析

① 北京燃氣管道維修維護現(xiàn)狀

北京燃氣埋地管道的維修維護主要集中在犧牲陽極更新及防腐層修復，目前一般采用大面積開挖的方式，缺點是占地面積大、施工時間較長、路面恢復難度大等。尤其在市政道路的燃氣施工受到諸多限制，大多需在凌晨進行，人力、財力消耗均較大。

② 存在問題

針對城鎮(zhèn)燃氣特點及埋地管道的服役情況，目前的問題主要是隨著犧牲陽極服役壽命臨近及防腐層破損點持續(xù)增多，對于城鎮(zhèn)燃氣而言，后期對于埋地管道的維修維護將占據(jù)絕大部分工作，因此急需開發(fā)一種可快速開挖、修復的設備。

③ 研究進展

為解決犧牲陽極的檢測及后期補裝問題，通過調(diào)研分析，設計了一種避免重復開挖的裝置——可更換陽極池。北京燃氣通過設計不同類型的材料結(jié)構(gòu)，比如預制或現(xiàn)澆的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)等，并研究了陽極池內(nèi)填料，最終形成了適用于不同服役環(huán)境的陽極池方案。

埋地管道的開挖及修復一直是困擾城鎮(zhèn)燃氣的難題，北京燃氣通過設計、研究微孔開挖設備，通過切割路面、真空挖掘，然后配合研發(fā)的防腐層修復工具、犧牲陽極安裝工具及監(jiān)控系統(tǒng)完成埋地管道的維修維護工作，目前該套設備適用于埋深小于2 m，管徑小于DN 600 mm的管道破損點修復及犧牲陽極安裝等工作[11]。

6 下一步工作建議

① 針對社區(qū)的腐蝕控制問題，建議首先依據(jù)社區(qū)腐蝕泄漏事故量進行腐蝕風險分級，其次結(jié)合社區(qū)特點(社區(qū)規(guī)模、施工空間及難易程度等)、管道基本信息(服役年限、防腐層類型等)對社區(qū)進行分類；最后，對社區(qū)埋地管道的陰極保護電流需求值、雜散電流干擾程度做出評價，通過Beasy數(shù)值模擬軟件及現(xiàn)場實驗，設計犧牲陽極或外加電流陰極保護方案，并優(yōu)化形成某一類社區(qū)的標準化陰極保護設計流程。

② 針對中壓及以上的埋地管道，建議重點關注非開挖穿越管段的腐蝕風險，比如定向鉆管道的陰極保護及防腐層有效性評級、頂管穿越管道受雜散電流干擾的腐蝕規(guī)律及風險評價方法等，并制定合理的風險防控方案，實現(xiàn)管網(wǎng)關鍵節(jié)點的精細化控制。

③ 針對調(diào)壓站埋地管道腐蝕問題，建議對未施加區(qū)域陰極保護的調(diào)壓站展開腐蝕數(shù)據(jù)收集，包括雜散電流干擾、土壤腐蝕、腐蝕速率等，對調(diào)壓站腐蝕風險系統(tǒng)評估，腐蝕風險較大的調(diào)壓站及時設計并實施區(qū)域陰極保護。

④ 針對防腐層性能退化問題，建議收集不同服役年限的管道防腐層，進行電阻率、針入度、延伸度、抗?jié)B透性等多個指標的檢測，歸納防腐層自身的性能變化規(guī)律。針對3PE、FBE防腐層，建議重點考慮局部破損點的剝離造成的電流屏蔽問題。

⑤ 針對防腐層破損點的修復問題，建議對破損點修復次序分級，具體可結(jié)合破損點的服役環(huán)境，建議考慮不同服役環(huán)境對應的腐蝕速率作為分級的重要參數(shù)，制定合理的破損點修復順序方案。

⑥ 針對雜散電流干擾問題，建議對于新建管道需提前進行干擾風險評估，盡可能規(guī)避干擾線路，并做好排流措施；通過收集同一測試點的干擾情況、腐蝕速率等數(shù)據(jù)，隨著數(shù)據(jù)量的不斷積累，逐步將干擾規(guī)律與腐蝕速率之間建立聯(lián)系，形成更加直觀的腐蝕風險評估方法；充分利用24 h雜散電流監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析高鐵電氣化鐵路的干擾規(guī)律、腐蝕規(guī)律、腐蝕機理等，并制定適用于城鎮(zhèn)燃氣的腐蝕判別指標及干擾防護措施。

⑦ 針對城鎮(zhèn)燃氣開挖困難的特點，繼續(xù)開展以微孔開挖為代表的新技術(shù)的深入研究，持續(xù)跟蹤、探索適用于城鎮(zhèn)燃氣的犧牲陽極快速補加更換、防腐層破損點修復等技術(shù)，為管道維修提供技術(shù)支撐和保障。