劉 敏，高觀玲，王拓明，馮志永

(北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100035)

0 前 言

近年來，天然氣作為一種優(yōu)質(zhì)、清潔的能源在城鎮(zhèn)區(qū)域普及范圍越來越廣，埋地燃?xì)夤芫W(wǎng)作為城市的生命線已經(jīng)分布于城鎮(zhèn)的各個(gè)社區(qū)[1，2]。隨著城市燃?xì)夤芫W(wǎng)服役時(shí)間的延長(zhǎng)及城市地下環(huán)境的日益復(fù)雜，埋地燃?xì)夤芫W(wǎng)的泄漏事件頻繁發(fā)生[3-5]。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)腐蝕泄漏點(diǎn)并不是均勻分布的，有些社區(qū)燃?xì)夤芫W(wǎng)腐蝕漏氣密度很高，最高每平方公里發(fā)生60 余次漏氣，而有些社區(qū)運(yùn)行多年未發(fā)生一起漏氣事故，即燃?xì)夤艿来嬖谝恍└哳l泄漏的腐蝕熱點(diǎn)位置，因此，有效識(shí)別社區(qū)燃?xì)夤艿栏g熱點(diǎn)區(qū)域，對(duì)于保障燃?xì)夤艿赖陌踩\(yùn)行至關(guān)重要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)埋地管道腐蝕領(lǐng)域開展了相關(guān)研究。Martinez 等[6]利用智能雜散電流檢測(cè)儀(SCM)測(cè)試管中電流，同步監(jiān)測(cè)管道沿線的管地電位、地電位梯度和探針電流，對(duì)比分析了雜散電流的干擾情況以及管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。李清等[7]先通過記錄不同時(shí)段用戶的用氣規(guī)律，得到用戶瞬時(shí)流量及正常情況下流量變化速率的取值范圍及變化規(guī)律，然后選取3.5，5.5，7.5，10.0 mm 泄漏孔徑進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，驗(yàn)證了裝置設(shè)置的準(zhǔn)確性，實(shí)現(xiàn)了流量監(jiān)測(cè)、泄漏識(shí)別、報(bào)警遠(yuǎn)傳、自動(dòng)關(guān)閥等功能。趙承等[8]為了明確杭州某小區(qū)埋地燃?xì)夤艿栏g原因，檢測(cè)了該段管道管地電位、通電電位、斷電電位、通斷電電位數(shù)據(jù)變化對(duì)比以及地電位梯度等數(shù)據(jù)，并進(jìn)行了分析，初步判斷該段管道腐蝕主要是受地鐵雜散電流影響，并據(jù)此提出了整改措施:在全面修復(fù)防腐層破損點(diǎn)的同時(shí)，擬通過在電流流入陽極處增加極性排流裝置以阻止地鐵雜散電流的流入，其次在電流流出區(qū)加裝犧牲陽極進(jìn)行排流。仉洪云等[9]介紹了雜散電流的產(chǎn)生、類型、腐蝕作用機(jī)理及檢測(cè)方法，并根據(jù)北京市城市軌道交通發(fā)展現(xiàn)狀，選取地鐵附近燃?xì)夤芏危M(jìn)行某點(diǎn)的埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿离s散電流干擾調(diào)查和測(cè)試，并提出了從控制雜散電流形成、排流防護(hù)措施及日常維護(hù)3 個(gè)方面進(jìn)行防護(hù)。Tian 等[10]針對(duì)天然氣管道的泄漏問題提出了一種基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器(EKF)的天然氣管道小泄漏檢測(cè)和定位方法，將該方法應(yīng)用于模擬及實(shí)驗(yàn)室案例，結(jié)果表明，該方法對(duì)管道小泄漏敏感，泄漏率和位置估計(jì)準(zhǔn)確，但是該算法僅適用于長(zhǎng)直管道，并不適用于復(fù)雜管線的燃?xì)夤芫W(wǎng)。以上研究主要是針對(duì)燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)、管道腐蝕原因及相關(guān)的管線防護(hù)措施展開的研究，上述研究并不能有效判斷和緩解社區(qū)燃?xì)夤艿栏吒g區(qū)域的泄露頻次問題，并且目前國(guó)內(nèi)外尚未對(duì)社區(qū)燃?xì)夤艿栏g熱點(diǎn)有效識(shí)別方法開展深入研究。

本工作通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與試驗(yàn)對(duì)A、B、C 3 個(gè)社區(qū)燃?xì)夤艿栏g熱點(diǎn)特征識(shí)別方法進(jìn)行研究。A 社區(qū)低壓主管道為聚乙烯(PE)管道，每個(gè)樓的樓前低壓管道為鋼管，于2004 年開始運(yùn)行，埋設(shè)深度為1 m，管徑為DN100 mm，防腐涂層為瀝青，未施加陰極保護(hù)；B 社區(qū)為低壓管道，管道為鋼管，于2008 年開始運(yùn)行，埋設(shè)深度為1 m，管徑為DN50 mm，防腐涂層為瀝青，未施加陰極保護(hù)；C 社區(qū)為中壓鋼質(zhì)管道，于2000 年開始運(yùn)行，埋設(shè)深度為1 m，管徑為DN100 mm，防腐涂層為瀝青，未施加陰極保護(hù)。近年來，上述社區(qū)多次發(fā)生腐蝕泄漏事故，嚴(yán)重威脅了社區(qū)燃?xì)夤艿赖陌踩\(yùn)行。為明確社區(qū)燃?xì)夤艿栏g熱點(diǎn)特征識(shí)別方法，開展了社區(qū)燃?xì)夤艿垃F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與管道腐蝕試驗(yàn)。

1 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與試驗(yàn)方法

為明確社區(qū)燃?xì)夤艿栏g熱點(diǎn)特征識(shí)別方法，在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了管道的通電電位、斷電電位、自腐蝕電位、電流密度、地電位梯度、試片電流密度以及土壤電阻率等參數(shù)，并進(jìn)行了腐蝕檢查片的埋設(shè)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)電連接性測(cè)試試驗(yàn)。測(cè)量方法均參照GB/T 21246-2007“埋地鋼制管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法”。

1.1 試片通電電位、斷電電位和自腐蝕電位測(cè)試

如圖1 所示，將試片埋入測(cè)試點(diǎn)附近土壤中，試片埋地面積為1 cm2，試片表面與土壤壓實(shí)，良好接觸；在與埋地燃?xì)夤艿来嬖陔娺B接的地上金屬結(jié)構(gòu)物如引入口處連接一根導(dǎo)線，引至試片附近并與試片電連接；將FLUCK 289 高阻抗電壓表調(diào)至直流電位檔，黑表筆接便攜式飽和硫酸銅(CSE)參比電極，紅表筆接試片線，讀取數(shù)據(jù)即為試片通電電位。然后將管道引入口導(dǎo)線與試片導(dǎo)線斷開連接，斷開瞬間迅速讀取電位數(shù)據(jù)，即為試片斷電電位。

圖1 試片通、斷電電位測(cè)試示意圖Fig.1 Test diagram of on/off potential of test piece

采用高阻抗電壓表測(cè)試自腐蝕試片的電位，將便攜式飽和硫酸銅參比電極插在自腐蝕試片附近，在參比電極與土壤接觸的部分澆適量水，使其與土壤充分接觸，然后將高阻抗電壓表的黑表筆連接飽和硫酸銅參比電極，紅表筆連接自腐蝕試片，讀取高阻抗電壓表數(shù)據(jù)，即可獲得自腐蝕電位。

1.2 管道穩(wěn)態(tài)直流電流密度測(cè)試

(1)方法一 測(cè)量方法參照GB/T 21246-2007“埋地鋼制管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法”。如圖2 所示，在管道旁埋設(shè)模擬防腐層破損點(diǎn)的腐蝕檢查片，極化檢查片與管道在測(cè)試樁內(nèi)進(jìn)行電連接，利用電流表測(cè)量試片與管道之間的電流大小和方向，其中紅表筆連接管道端，黑表筆接試片。

圖2 電流密度測(cè)試示意圖Fig.2 Test diagram of current density

(2)方法二 如圖3 所示，在埋地面積為1 cm2的試片與引入口導(dǎo)線之間串聯(lián)一個(gè)10 Ω 的定值電阻，將萬用表調(diào)至電位檔，紅表筆接電阻靠近引入口導(dǎo)線側(cè)位置，黑表筆接電阻靠近試片側(cè)位置，測(cè)試定值電阻兩端的電壓，記錄帶有符號(hào)的電壓讀數(shù)；用電壓值除以電阻阻值10 Ω 即可獲得電流，用電流值除以試片面積獲得電流密度。

圖3 電流密度測(cè)試示意圖Fig.3 Test diagram of current density

1.3 管道地電位梯度測(cè)試

地電位梯度測(cè)試如圖4 所示。地電位梯度主要分為地表垂直地電位梯度和近試片地電位梯度。利用垂直管道放置的2 支參比電極，對(duì)管道正上方地表垂直地電位梯度進(jìn)行測(cè)量。

圖4 地電位梯度測(cè)試示意圖Fig.4 Test diagram of ground potential gradient

1.4 現(xiàn)場(chǎng)土壤理化測(cè)試

(1)管道土壤電阻率測(cè)試 如圖5 所示，使用ZC-8 型土壤電阻率測(cè)量?jī)x，運(yùn)用Wenner 等距四極法在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量管道埋深處的土壤電阻率ρ。圖5 中ρ為土壤電阻率，a為電極間的距離，R為實(shí)測(cè)土壤電阻。

圖5 土壤電阻率測(cè)試示意圖Fig.5 Test diagram of soil resistivity

(2)土壤含鹽量及氯離子含量測(cè)試 土壤含鹽量按照LY/T 1251-1999[11]進(jìn)行測(cè)量，氯離子含量按照NY/T 1121.17-2006[12]進(jìn)行測(cè)量。

1.5 腐蝕檢查片埋設(shè)試驗(yàn)與參數(shù)測(cè)試

(1)腐蝕檢查片現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)試驗(yàn) 在該社區(qū)泄漏管段現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)了腐蝕檢查片，腐蝕檢查片用來模擬管道防腐層泄漏點(diǎn)，腐蝕檢查片分為自腐蝕檢查片和極化檢查片2 種，其中自腐蝕檢查片不與埋地管道相連，用來反映該管道附近土壤環(huán)境的腐蝕情況；極化檢查片與管道相連，用來反映管道腐蝕情況。

(2)檢查片腐蝕速率測(cè)試 在埋設(shè)檢查片前通過分析天平獲得檢查片的初始質(zhì)量，待埋設(shè)534 d 后取出，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理，實(shí)驗(yàn)室處理主要包括物理清洗和化學(xué)清洗。物理清洗主要是用水清除檢查片表面的泥土和沙子，即在超聲波清洗機(jī)中震蕩5 min 左右，將泥土和沙子清洗干凈；化學(xué)清洗主要是用酸洗液(500 mL 鹽酸，3.5 g 六次甲基四胺，500 mL 蒸餾水)清除腐蝕銹層，便于觀察檢查片的腐蝕形貌。酸洗后通過分析天平對(duì)腐蝕后的檢查片再次稱重，獲得腐蝕后的檢查片質(zhì)量，進(jìn)而計(jì)算失重，并利用式(1)計(jì)算腐蝕速率:

式中，v為腐蝕速率，mm/a；W0為試片初始質(zhì)量，g；W為腐蝕后試片質(zhì)量，g；S為試片工作面積，cm2；t為試驗(yàn)時(shí)間，h；ρ為試片密度，g/cm3。

(3)極化檢查片腐蝕產(chǎn)物測(cè)試 將埋設(shè)534 d 的極化檢查片取回實(shí)驗(yàn)室，收集檢查片的腐蝕產(chǎn)物，采用Smart Lab XRD 型X 射線衍射儀(XRD)對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)分析，電壓設(shè)置為45 kV，電流設(shè)置為200 mA，Cu Kα 射線，輻射角范圍為10° ～90°，掃描速率為2(°)/min。

1.6 電連接性測(cè)試

采用固定CSE 參比電極的電位法對(duì)該社區(qū)的燃?xì)夤艿琅c周圍鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行電連接性測(cè)試。將飽和硫酸銅參比電極保持在同一位置，利用高阻抗電壓表測(cè)量管地電位E管地和其他鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)電位E結(jié)構(gòu)物地，對(duì)比E管地和E結(jié)構(gòu)物地的大小及變化情況，進(jìn)而判斷二者是否存在電連接。

2 結(jié)果與分析

2.1 地表參數(shù)測(cè)試結(jié)果

A、B、C 3 個(gè)社區(qū)燃?xì)夤艿赖乇韰?shù)測(cè)試結(jié)果如表1 所示。由表1 可知，在社區(qū)腐蝕熱點(diǎn)區(qū)域管地電位明顯偏正，且與斷電電位正向偏移量均大于50 mV，表示有電流穩(wěn)定流出。

表1 3 個(gè)社區(qū)的燃?xì)夤艿赖乇韰?shù)測(cè)試結(jié)果Table 1 Surface parameter test results of gas pipelines in three communities

2.2 A 社區(qū)管道腐蝕檢查片測(cè)試結(jié)果

利用數(shù)據(jù)記錄儀對(duì)A 社區(qū)極化檢查片進(jìn)行了24 h監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖6 所示。由圖6 可知，有電流從管道穩(wěn)定流出。

圖6 極化檢查片流出的電流密度Fig.6 Current density flowing from polarization inspection coupon

觀察腐蝕檢查片埋地534 d 后的宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)剛從土壤中取出的自腐蝕檢查片的表面具有少量的泥土，觀察自腐蝕檢查片酸洗后的宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)自腐蝕檢查片發(fā)生的腐蝕較為均勻，腐蝕面較為光滑平整，腐蝕輕微；觀察剛從土壤中取出的極化檢查片的宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)其表面有少量泥土，且腐蝕情況相對(duì)嚴(yán)重；觀察極化檢查片酸洗后的宏觀形貌，發(fā)現(xiàn)極化檢查片表面有凹凸不平的腐蝕坑，腐蝕相對(duì)嚴(yán)重。比較自腐蝕檢查片和極化檢查片的宏觀形貌可知，極化檢查片發(fā)生的腐蝕比自腐蝕檢查片嚴(yán)重，主要是由于社區(qū)燃?xì)夤艿琅c極化檢查片連接到一起，可能受到了周圍雜散電流的干擾，加速了腐蝕。

為了更好地分析該社區(qū)燃?xì)夤艿赖母g情況，對(duì)極化檢查片的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XRD 分析，結(jié)果如圖7 所示，圖7 顯示其主要成分是Fe3O4、SiO2和Fe2MgO4，其中SiO2主要來自于極化檢查片表面的泥土。

圖7 A 社區(qū)燃?xì)夤艿罉O化檢查片腐蝕產(chǎn)物XRD 譜Fig.7 XRD spectra of corrosion products from polarization inspection coupon of gas pipeline in community A

腐蝕檢查片的失重試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2 所示。由表2可知，與管道相連接的極化檢查片的腐蝕速率比自腐蝕檢查片大1 個(gè)數(shù)量級(jí)，其較高的腐蝕速率與穩(wěn)定流出的電流密度密切相關(guān)。

表2 腐蝕檢查片失重試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Weight loss testresults of corrosion inspection coupon

2.3 A 社區(qū)燃?xì)夤艿琅c鋼結(jié)構(gòu)物電連接性測(cè)試

A 社區(qū)燃?xì)夤艿琅c周圍鋼結(jié)構(gòu)物地理位置見圖8。對(duì)燃?xì)夤艿琅c周圍樓房、電力設(shè)施等鋼結(jié)構(gòu)物進(jìn)行電連接性測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表3。由表3 可以看出，與其他鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)物相比，管道和電力設(shè)施電位偏正且大小相同，說明二者存在電連接；另外管道與周圍樓房電位大小也相同，說明二者也存在電連接。

表3 管道和鋼結(jié)構(gòu)物電連接性測(cè)試值Table 3 Test values of electrical connectivity of pipelines and steel structures

圖8 A 社區(qū)燃?xì)夤艿琅c周圍鋼結(jié)構(gòu)物地理位置Fig.8 Geographic location of gas pipeline and surrounding steel structure in community A

3 社區(qū)燃?xì)夤艿栏g原因及特征分析

社區(qū)燃?xì)夤艿栏g有以下特征:第一，管地電位明顯偏正，且與斷電電位正向偏移量大于50 mV；第二，A社區(qū)管道極化試片的管地電位為-0.336 V，其流出直流電流密度為0.5692 A/m2，具有穩(wěn)定的電流流出，且流出電流密度較大；第三，一般通電電位正于斷電電位，有電流穩(wěn)定流出；第四，由于A 社區(qū)附近電力設(shè)施接地和樓房接地相連，管道和接地相連，造成電力設(shè)施接地與管道相連，由于電力設(shè)施接地電位較正，其數(shù)值為-0.177V(vs CSE)，造成了管道加速腐蝕。

為了進(jìn)一步驗(yàn)證A 社區(qū)管道腐蝕特征，從A 社區(qū)現(xiàn)場(chǎng)取回土壤樣品(土壤電阻率為23.80 Ω·m)，以碳鋼為試樣在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試了極化曲線，結(jié)果如圖9 所示。由圖9 可知，當(dāng)電位在-0.336 V 左右時(shí)，其對(duì)應(yīng)的流出電流密度較大，其腐蝕情況也相對(duì)較為嚴(yán)重，因此在社區(qū)管道腐蝕熱點(diǎn)區(qū)域往往具有管地電位明顯偏正及有電流穩(wěn)定流出等特征。

圖9 極化曲線Fig.9 Polarization curve

4 結(jié) 論

通過對(duì)A、B、C 3 個(gè)社區(qū)燃?xì)夤艿肋M(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與試驗(yàn)，分析了社區(qū)燃?xì)夤艿栏g熱點(diǎn)特征，得出以下結(jié)論:

(1)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，腐蝕熱點(diǎn)區(qū)域的管地電位一般明顯偏正，且與斷電電位正向偏移量均大于50 mV，有電流穩(wěn)定流出；且土壤電阻率相對(duì)較小。

(2)在處理A 社區(qū)現(xiàn)場(chǎng)腐蝕檢查片時(shí)發(fā)現(xiàn)，自腐蝕檢查片的腐蝕輕微，而極化檢查片腐蝕嚴(yán)重，出現(xiàn)了凹凸不平的腐蝕坑；失重法計(jì)算得到與管道相連的極化檢查片的腐蝕速率為0.403 1 mm/a，比自腐蝕檢查片大1 個(gè)數(shù)量級(jí)。極化檢查片的腐蝕產(chǎn)物的主要成分是Fe3O4、SiO2和Fe2MgO4，其中SiO2主要來自于極化檢查片表面的泥土。

(3)A 社區(qū)現(xiàn)場(chǎng)電連接性測(cè)試表明，該區(qū)域燃?xì)夤艿琅c電力設(shè)施、周圍樓房等鋼結(jié)構(gòu)物電位變化一致，表明存在電連接，易形成電偶腐蝕，管道作為陽極，直流電流從管道流出，電位正移，腐蝕速率大幅增加。