葉佳鳳

上海市金山區(qū)特種設(shè)備監(jiān)督檢驗所（上海 201500）

《上海市能源發(fā)展“十三五”規(guī)劃》表明，“十二五”期間新建成高壓天然氣管道超過750 km。天然氣作為一種新型能源廣泛應(yīng)用于工業(yè)、商業(yè)和居民生活，對于城市發(fā)展起著極其重要的作用。天然氣主要成分為甲烷，危險貨物編號為21007，屬甲類氣體，爆炸極限為5%～15%。燃?xì)夤艿来蠖鄶?shù)敷設(shè)于地下，受到土壤和內(nèi)部介質(zhì)等影響容易發(fā)生泄漏事故。2017年7月4日13時23分，松原市廣發(fā)建設(shè)有限公司對松原市市政公用基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項目繁華路道路進行改造，旋噴樁機將吉林浩源燃?xì)庥邢薰驹谠撀范温裨O(shè)的燃?xì)夤艿镭炌ㄐ糟@漏，造成燃?xì)獯罅啃孤?，最后發(fā)生爆炸，事故共造成7人死亡，85人受傷，直接經(jīng)濟損失4 419萬元[1]。2021年6月13日6時42分許，位于湖北省十堰市的集貿(mào)市場發(fā)生重大燃?xì)獗ㄊ鹿?，造?6人死亡，138人受傷，其中重傷37人，直接經(jīng)濟損失約5395.411萬元[2]?？梢?，燃?xì)夤艿赖陌踩\行對于提高城市居民的生活質(zhì)量、改善城市環(huán)境、提高能源利用率，具有十分重要的意義。城市燃?xì)夤艿赖陌踩c否直接關(guān)系到城市的公共安全及社會穩(wěn)定，因此必須對燃?xì)廨斉湎到y(tǒng)的安全給予高度重視。

1 天然氣管道腐蝕機理

1.1 內(nèi)腐蝕

內(nèi)腐蝕包括二氧化碳腐蝕和硫化氫腐蝕。天然氣介質(zhì)主要是二氧化碳和硫化氫。二氧化碳腐蝕的主要因素有壓力、溫度、含水量。硫化氫、二氧化碳在水溶液中，對鋼質(zhì)管道產(chǎn)生內(nèi)腐蝕的反應(yīng)式如（1）～（3）所示。

反應(yīng)式（1）中，F(xiàn)exSy為硫化鐵的通式，隨溶液中硫化氫含量及pH不斷變化，F(xiàn)exSy對腐蝕的影響程度也不同。

1.2 外腐蝕

1.2.1 土壤環(huán)境腐蝕

土壤中的水與可溶性鹽相結(jié)合形成腐蝕環(huán)境。影響土壤腐蝕的因素有土壤電阻率、含水量、含鹽量、pH等。含鹽量越高，腐蝕越嚴(yán)重；水中氧氣越多，腐蝕越嚴(yán)重；pH越低，腐蝕越快。當(dāng)土壤中有硫酸鹽還原菌存在時，它們會消耗金屬表面的氫，在鐵表面生成黑色的硫化亞鐵，加速管道的腐蝕。

1.2.2 雜散電流腐蝕

大地中的雜散電流會對埋地燃?xì)夤艿喇a(chǎn)生嚴(yán)重的腐蝕，其主要來源于電氣化鐵路、有軌電車、地下電纜、高壓變電所等的漏電，分為交流和直流雜散電流。直流雜散電流的腐蝕原理與電解原理一致，電流流入金屬管道的區(qū)域為陰極區(qū)，電流流出的破損位置為陽極區(qū)[3]。雜散電流腐蝕多集中在外防腐層破損的局部位置，并可能在短時間內(nèi)造成管道穿孔。上海地區(qū)密集的地鐵線路對沿線天然氣管道造成了嚴(yán)重的雜散電流干擾，在2008年之前，地鐵2號線世紀(jì)大道沿線地下的DN300 mm燃?xì)怃摴芤寻l(fā)生近10次腐蝕泄漏事故[4]。雜散電流干擾主要體現(xiàn)在管地電位正向偏移或異常波動。現(xiàn)場檢測時，利用雜散電流測試儀連續(xù)監(jiān)測管道的直流雜散電流、交流雜散電流，判斷雜散電流干擾源的特性。

2 檢驗案例分析

根據(jù)TSGD7004—2010《壓力管道定期檢驗規(guī)則——公用管道》，對某燃?xì)夤镜奶烊粴夤艿肋M行定期檢驗。該管道設(shè)計壓力為1.6 MPa，材料為20#鋼，屬于GB1-Ⅲ級次高壓燃?xì)夤艿?，由于管道分支較多且分布較為復(fù)雜，不具備內(nèi)檢測實施條件。該燃?xì)夤艿纼?nèi)為凈化后的天然氣，內(nèi)腐蝕失效概率較低；該管道主要受防腐層自然老化、植物根系侵蝕、地鐵以及高壓線雜散電流的影響。因此，危害管道結(jié)構(gòu)完整性的潛在危險主要為外腐蝕。根據(jù)風(fēng)險識別結(jié)果制定的檢驗流程如圖1所示。

圖1 天然氣管道檢驗流程

2.1 宏觀檢驗

宏觀檢驗的對象主要包括地面裝置和架空段管道。檢查項目包括管道泄漏檢查、管道位置和埋深檢查，地面標(biāo)志檢查，管道沿線地表環(huán)境調(diào)查，穿跨越管段檢查，凝水缸檢查，以及閥門、法蘭、補償器等管道元件的檢查。宏觀檢驗中發(fā)現(xiàn)部分閥井存在積水或輕微泄漏現(xiàn)象，放散閥門缺少法蘭蓋，部分輛牲陽極測試井被施工填埋，部分地面標(biāo)識被覆蓋，個別架空管道補償器發(fā)生變形等現(xiàn)象。

2.2 外防腐層檢測與評價

計算埋地管道的電流衰減率，根據(jù)GB/T 19285—2014《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護工程檢驗》附錄E計算外防腐層電阻率Rg，對管道防腐層整體質(zhì)量等級進行評價統(tǒng)計，評價結(jié)果如表1所示。所檢測管道總長度約為78203.7 m，其中實際可評價的管道總長度為75 184.2 m（3 019.5 m是支線，距離太短不作評估）。經(jīng)評估（結(jié)果見表1），1級管段占比為42.9%，2級管段比例為9.36%，3級管段比例為6.97%，4級管段比例為40.77%。從整體上來看，3，4級管段占受檢可評價管道的47.74%。結(jié)合現(xiàn)場檢測情況，防腐層等級為3，4級，是因為除防腐層異常點外，支線、閥井、測試樁也會導(dǎo)致檢測信號的電流流失，最終軟件評價時引起防腐層等級下降。

表1 埋地管道外防腐層評價分級

埋地管道破損點檢測一般采用交流電位梯度法（ACVG）。ACVG是通過檢測施加在管道上的交流電流泄漏引起土壤電位的梯度變化來確定破損點的位置，其原理如圖2所示。本檢驗項目有效檢測管段范圍內(nèi)，共發(fā)現(xiàn)79處防腐層信號破損點，外防腐層破損點密度約為每100 m0.101個。當(dāng)燃?xì)夤艿来┰浇^緣水泥套管或涵洞時，套管內(nèi)的破損點可能會發(fā)生漏檢。

圖2 ACVG檢測原理

2.3 陰極保護有效性檢測與評價

陰極保護裝置檢查采用密間隔電位（CIPS）測量法。該燃?xì)夤艿赖年帢O保護采用犧牲陽極與管道直接焊接的方式，無法將所有犧牲陽極進行同步通斷，全線只能測出ON電位，無法測出OFF電位，通、斷點電位原理如圖3所示。通過對檢測數(shù)據(jù)繪制管道ON電位變化圖，判斷該管道是否處于保護狀態(tài)。陰極保護裝置檢查中僅發(fā)現(xiàn)個別管段的保護電位未達到要求，其余均達到有效保護，保護率為98.78%；建議對未達到陰極有效保護的管道加裝犧牲陽極。對于雜散電流干擾嚴(yán)重的區(qū)域以及犧牲陽極難以拆除的區(qū)域，也可以采用陰極保護檢查片或采用極化探頭測試斷電電位來消除IR降（陰極保護回路中所有電流與回路電阻的乘積）的影響。

圖3 通、斷電的電位與時間關(guān)系曲線

2.4 環(huán)境腐蝕性檢測與評價

敷設(shè)環(huán)境調(diào)查主要包括大氣腐蝕環(huán)境調(diào)查、土壤腐蝕性調(diào)查和雜散電流檢測。管道的雜散電流檢測是通過檢測管道的管地電位在一定時間內(nèi)的波動情況，分析該處雜散電流的干擾強度，判斷是否需要采取雜散電流排流保護或其他措施。該燃?xì)夤艿啦糠治挥谏虡I(yè)和交通發(fā)達的區(qū)域，受高壓電線、地鐵及鐵路的影響較大。以50#測試樁雜散電流檢測為例：該測試點位于地鐵某線路南側(cè)，檢測結(jié)果如圖4所示，直流電位波動范圍為-2 103～-991 mV，平均電位為-1 540.4 mV，管地電位波動差值為1 125.2 mV。參照GB/T 19285—2014《埋地鋼質(zhì)管道腐蝕防護工程檢驗》中直流干擾程度的判斷指標(biāo)，該測試處直流電流干擾強度為強，需進行雜散電流排流保護。

圖4 50#測試樁處管地直流電位雜散電流曲線圖

2.5 埋地管道開挖（直接）檢測

綜合考慮防腐層破損、腐蝕活性、陰極保護有效性、雜散電流及土壤腐蝕性等因素，對可能存在外腐蝕損傷的位置進行排序，優(yōu)先選擇外腐蝕概率較高的位置進行開挖。通過開挖直接檢測并用肉眼直接觀察管道的腐蝕狀況，一般需要測量并記錄管道的腐蝕形狀及面積、埋深、位置、管道剩余壁厚、最大腐蝕凹陷、管地保護電位、防腐層厚度，必要時需要對現(xiàn)場的土壤以及腐蝕產(chǎn)物進行取樣分析，也可以在開挖處采用低頻導(dǎo)波對套管內(nèi)的管道進行檢測。某埋地管道開挖檢測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 某開挖處檢測數(shù)據(jù)表

2.6 合于使用評價

合于使用評價包括剩余強度評價、剩余壽命預(yù)測、材料適用性評價。

含缺陷管道剩余強度評價是在缺陷檢測的基礎(chǔ)上依據(jù)SY/T0087.1—2020《鋼制管道及儲罐腐蝕評價標(biāo)準(zhǔn)埋地鋼質(zhì)管道外腐蝕直接評價》進行評價。預(yù)測管道基于腐蝕狀況下的剩余壽命，其實就是預(yù)測管道的腐蝕發(fā)展趨勢。腐蝕剩余壽命預(yù)測可以利用公式（4）計算[5]。對材質(zhì)不明可能發(fā)生硫化氫等應(yīng)力腐蝕，或者使用年限已經(jīng)超過15年并且發(fā)生過與應(yīng)力腐蝕、焊接缺陷有關(guān)的修理改造的管道，還應(yīng)當(dāng)進行管道材料適用性評價。

式中：RL為腐蝕壽命，年；C為年校正系數(shù)；pf為計算失效壓力，MPa；MAOP為最大允許工作壓力，MPa；pyield為屈服壓力，MPa；GR為腐蝕速率，mm/a；t為名義厚度，mm。

對多處開挖的管道進行壁厚測定，未發(fā)現(xiàn)內(nèi)、外腐蝕，據(jù)此計算得到管道剩余強度約為269.5 MPa；對于被評價管道，缺少實際腐蝕速率，按0.4 mm/a的推薦腐蝕速率進行評價，管道剩余壽命預(yù)測約為15年。本項目中的燃?xì)夤艿啦捎?0#鋼，沒有發(fā)生應(yīng)力腐蝕等缺陷，不進行材料適用性評價。

3 結(jié)語

管道的檢測與評價是城市燃?xì)夤艿劳暾怨芾淼闹匾ぷ?，本研究提出了城市燃?xì)夤艿赖臋z驗流程，并以某燃?xì)夤竟艿罏槔榻B了具有針對性的檢驗技術(shù)，在一定程度上提高了缺陷的檢出率，保證了管道安全。燃?xì)夤艿朗褂脝挝粦?yīng)當(dāng)建立健全管道巡查制度和安全生產(chǎn)責(zé)任制度，定期對天然氣管道沿線環(huán)境進行重點隱患排查，建議每年合理制定防腐層修復(fù)計劃，并對高風(fēng)險區(qū)域進行重點監(jiān)控。