文| 路民旭 杜艷霞 北京科技大學腐蝕與防護中心 李夏喜 孫健民 北京燃氣集團有限責任公司

 

　　近年來燃氣泄漏爆炸事故頻發。2014 年7 月臺灣高雄發生燃氣爆炸事故，造成21 人死亡，輕重傷270 人。2013 年國內因燃氣泄漏引發的爆炸事件達到220 余起，死傷1000 余人，經濟損失達8.5 億元。這些事故的發生為全國的燃氣管網安全敲響了警鐘。天然氣的普及給公共生活帶來了方便，減少了城市污染，提高了生活質量；但同時天然氣也是潛在的“危險品”.天然氣高度易燃易爆，一旦泄漏，處理不及時就可能引發爆炸，給公共安全造成極大的威脅，為城市安全埋下了巨大的隱患。因此要保證人民生命財產的安全，燃氣管網的安全問題應引起管理者、使用者及政府部門的高度重視。

 

　　近年來隨著我國城市建設的高速發展，城區規模日趨擴大，燃氣管網也在快速延伸。以北京燃氣管網為例，截至2013 年，北京市燃氣管道的總長度已達1.95 萬公里，并且還在以每年10% 左右的速度擴展。與此同時，其他基礎設施如城市軌道交通、高壓電網、高速鐵路的建設也在飛速發展。據統計，2015 年北京軌道交通運營總里程將達到666 公里。地鐵軌道交通系統和市政電力設施會對埋地燃氣管道造成嚴重的交直流干擾，引起雜散電流腐蝕等安全事故。埋地燃氣管網面臨的服役環境日益復雜，腐蝕風險逐年加大。北京燃氣管網的腐蝕調查中已經發現大量的雜散電流腐蝕案例，據統計， 2001-2010 年，北京市燃氣事故搶修2300 多起中管道腐蝕泄漏約占35%.在腐蝕風險日益加大的當下，有效的腐蝕控制技術對于保障北京市燃氣管網的服役安全至關重要。

 

　　筆者帶領研究團隊與北京市燃氣集團有限責任公司合作，圍繞城市燃氣管網陰極保護及交直流干擾防護技術開展了系統研究， 主要涉及燃氣管網犧牲陽極服役行為及有效判據研究、燃氣管網外加電流陰極保護數值預測與優化技術研究、交、直流干擾檢測及防護技術研究以及陰極保護數據遠程監測技術研究，下面將從以上幾個方面來介紹我們的主要工作進展。

 

　　燃氣管網犧牲陽極服役行為及有效判據研究

 

　　國內埋地燃氣管道外腐蝕控制普遍采用外防腐涂層和陰極保護聯合保護技術，犧牲陽極陰極保護因具有無需外部電源、對外界干擾少、安裝維護費用低等優點而在城鎮燃氣管網中廣泛應用。北京燃氣集團自1987 年對高壓燃氣管道逐步追加犧牲陽極陰極保護技術以來，目前犧牲陽極陰極保護系統服役時間達到10 年及以上的管道長度超過500km,這些系統都已臨近或超出設計壽命。而對于這些系統的工作狀態及保護效果，尚沒有全面掌握；對于犧牲陽極的服役行為及消耗情況缺乏系統的測試分析；此外隨著犧牲陽極服役環境的變化，其設計、檢測及評估技術也亟待提高。

 

　　筆者帶領研究團隊與北京市燃氣集團高壓公司技術人員組成聯合項目組，通過現場檢測、開挖取樣及實驗室測試分析，掌握了犧牲陽極材料的消耗情況、陰極保護效果以及存在的問題；并針對犧牲陽極陰保系統保護電位有效測試方法、不同防腐層管道犧牲陽極合理設置間距、陽極腐蝕形貌影響因素及犧牲陽極系統有效性判據等內容開展了系統的研究。

 

　　犧牲陽極陰極保護系統陽極材料消耗情況研究

 

　　通過系統調研與分類，根據陰極保護系統的運行年限、管道涂層種類、壓力等級及開挖條件，在北京燃氣管網中選取了具有代表性的24 個犧牲陽極陰極保護系統（約300km 管線），其分布位置如圖1 所示。其中服役10 年以上15 個，10 年以下的9 個； 高壓（包括高壓B 和次高壓A）8 處，中壓16 處；涉及了6 種涂層類型，其中FBE 涂層7 處，PE 涂層7 處，石油瀝青7 處，塑化瀝青膠帶1 處，環氧煤瀝青1 處，煤焦油瓷漆1 處。

 

　　開展了詳細的現場檢測及實驗室測試，其中現場測試內容包括管線位置、外防腐層狀況及犧牲陽極定位檢測，犧牲陽極服役參數測試如犧牲陽極開/ 閉路電位、輸出電流、接地電阻及管道陰極保護通、斷電電位測試等。實驗室測試包括犧牲陽極的外觀測試、失重測試、腐蝕速率計算、腐蝕形貌測試、腐蝕產物測試、極化特性測試、合金成分測試以及土壤腐蝕性測試等。

 

　　通過對現場測試和實驗室測試數據進行分析，得到了中壓和高壓兩種管道鎂合金犧牲陽極的消耗情況，如圖2 所示。

 

　　由圖2 可見，與高壓管道相比，中壓管道鎂合金犧牲陽極的消耗速率明顯增大。高壓管道鎂陽極消耗速率普遍在0.2 千克/ 年（kg/a）左右，而中壓管線的消耗速率則普遍超過0.2kg/a,最大的可達0.8kg/a.分析其原因，主要為不同壓力等級的管道涂層存在較大差異。通常情況下，高壓管線的涂層較好，如大多為FBE 涂層，保護電流需求小；而中壓管線的涂層較差，一般為瀝青涂層， 保護電流需求大，但是目前犧牲陽極的設計數量和間距并沒有根據涂層類型進行調整。故而中壓管線陽極消耗速率要明顯高于高壓管線的陽極的消耗速率。

 

　　不同涂層條件下犧牲陽極合理設置間距研究

 

　　現場測試結果顯示，高壓、中壓管道犧牲陽極陰極保護效果存在較大差異，分析其原因主要為二者涂層絕緣性能不同，管道保護電流需求存在較大差異，而目前犧牲陽極的設計數量和間距并沒有根據涂層類型進行調整，仍然采用每300-500 米設置一組犧牲陽級的方式。

 

　　采用陰極保護電位分布數值模擬計算技術研究了管道涂層對犧牲陽極組設置間距的影響。選取的管道長度為100km,管徑為1016mm,主要考慮了石油瀝青和3PE 兩種涂層，對于3PE 涂層，計算了8 種（500m、2km、5km、7km、8km、10km、20km 以及50km） 犧牲陽極組間距下的管道電位分布；對于石油瀝青涂層，計算了4 種（300m、500m、60mm 以及1km）犧牲陽極組間距下的電位分布，計算中土壤電阻率為50Ω·m,計算結果如圖3~4 所示。

 

　　圖3 顯示了土壤電阻率為50Ω·m 時，犧牲陽極組間距對3PE 涂層管道電位分布的影響。不難看出，隨著陽極組間距的逐漸增大，管道電位逐漸正向偏移。當陽極組間距較小時，管道存在明顯的過度保護風險，如陽極組間距為500m 時，管道極化電位分布在-1410mV~-1440mV（CSE），負于標準要求的-1200mV （CSE）。當陽極組間距逐漸增大到2km 時，管道電位則分布在-1200 Mv（CSE）附近。隨著陽極組間距進一步增大，管道電位進一步正向偏移。當陽極組間距增大到7km 時，管道電位分布在-900mV （CSE）左右。若進一步增大陽極組的間距，管道出現了欠保護的現象，如當陽極組間距分別達到10km、20km 以及50km 時，管道電位正向偏移至-800mV（CSE）、-700mV（CSE）以及-650mV （CSE）。因此，根據計算結果可以得到對于3PE 涂層3PE,在土壤電阻率50Ω·m 情況下，比較合理的犧牲陽極組間距為2~7km, 遠遠大于目前采用的300~500m 犧牲陽極組間距。

 

　　圖4 顯示了土壤電阻率為50Ω·m 時犧牲陽極組間距對石油瀝青涂層管道電位分布的影響。在目前常用的300m 犧牲陽極組間距以及較新的石油瀝青涂層條件下，管道電位分布在-1020mV~-1075mV（CSE）。若將犧牲陽極組間距增大到600m,管道電位則出現了正向偏移，但仍滿足-850mV 的陰保準則要求。若將犧牲陽極組間距進一步增大，則管道出現了欠保護現象。因此，在這種情況下（土壤電阻率為50Ω·m,管道涂層為石油瀝青涂層），較為合理的犧牲陽極組間距為300~600m, 遠小于3PE 涂層的犧牲陽極組合理設置間距。

 

　　以上研究結果說明城市燃氣管網犧牲陽極設置間距需要根據防腐層絕緣性能及土壤環境進行合理選取。

 

　　鎂合金犧牲陽極腐蝕形貌影響因素研究

 

　　犧牲陽極現場取樣發現，來自不同廠家的同一型號犧牲陽極產品，腐蝕形貌存在很大差異，如圖5 所示。可以看出，2# 陽極表面出現了明顯的局部腐蝕坑，蝕坑小而深，坑徑最大為10mm, 而坑深最深高達18mm.10# 陽極表面腐蝕相對均勻。為了研究犧牲陽極材料腐蝕形貌的影響因素，進行了合金成分測試和微觀組織結構的測試與分析。結果顯示，鎂合金犧牲陽極的腐蝕形貌與其微觀組織結構有著密切的關系，晶粒的形狀、尺寸大小以及第二相粒子的相分布等對鎂合金的腐蝕形貌均有著較大的影響。以圖5 所示的2# 及10# 犧牲陽極為例，其微觀組織結構照片如圖6 所示。

 

　　由圖可見，2# 陽極的微觀組織晶粒尺寸較小，而第二相粒子異常的多，且分布極不均勻，晶界和晶粒內部均有較多的第二相粒子。由于第二相粒子屬于陰極相，晶粒內部第二相粒子的存在會加速其周圍鎂的腐蝕，而晶界上的第二相粒子會在晶界上形成一片阻擋層，阻礙腐蝕沿著晶界進行，如此腐蝕只能在第二相粒子周圍沿著縱向發展，從而形成了較深的腐蝕坑。由于晶粒尺寸較小，腐蝕坑的直徑也較小，故而出現了小而深的局部腐蝕形貌。與2# 陽極相似，10# 陽極的晶粒尺寸較小，但其第二相粒子也較少，且主要分布在晶粒內部，晶界上第二相粒子較少。雖然晶粒內部第二相粒子的存在會加速鎂陽極的腐蝕，但由于其晶界上第二相粒子較少，不會形成一層阻擋層，從而會使得腐蝕沿著晶界發展。由于晶粒尺寸較小，故而出現了相對均勻的腐蝕相貌。

 

　　由于鎂合金的微觀組織結構與其成型方式（如鑄造成型、擠壓成型等）、熱處理工藝等密切相關，因此為了獲得更好的服役性能，需要采用合適的成型工藝及合理的熱處理工藝。

 

　　犧牲陽極陰極保護系統極化電位測試方法研究

 

　　在進行犧牲陽極陰極保護系統保護電位測試過程中，由于很難將系統中所有有貢獻的犧牲陽極同時斷開，所以要想準確測得管道的極化電位，難度很大。然而，對于一個犧牲陽極陰保系統， 若不能準確測得管道的極化電位，按照傳統的陰保評價準則，則無法直接評價犧牲陽極陰保系統的有效性。鑒于此，我們將密間隔電位測試和陰極保護極化探頭測試技術相結合，提出了一種適用于犧牲陽極陰極保護系統極化電位測量的密間隔極化探頭測試方法，其測量原理如圖7 所示。即在管道附近密間隔安裝便攜式極化探頭，并將極化探頭上的極化試片通過導線與犧牲陽極陰極保護系統電連接，進行陰極極化，待極化探頭試片充分極化后， 測量密間隔分布的極化探頭通斷電電位，用極化探頭試片斷電電位來表示管道的極化電位，進而得到犧牲陽極陰極保護系統極化電位的分布情況。值得注意的是，為了測試數據的準確性，對于不同涂層的管道，極化探頭需要選取不同面積的試片。

 

　　犧牲陽極陰極保護系統有效性判據研究

 

　　由于城鎮燃氣管道大多位于繁華的城區，管道上方常為建筑物或道路，常常無法直接進行密間隔極化電位的測試。在這種情況下，如何來判斷犧牲陽極陰極保護系統的有效性呢？本部分結合犧牲陽極的工作原理和服役參數隨時間的變化，提出了基于極限接地電阻的燃氣管網犧牲陽極有效性判據。由于犧牲陽極的消耗及表面狀態的改變，都可以直接體現在其接地電阻變化上，同時該參數在實際生產中便于測量，因此對于不便于直接測量極化電位分布的情況，可以用來了判斷犧牲陽極陰極保護系統有效性。所提出的犧牲陽極陰保系統有效性判據應用流程圖如圖8 所示。
 

 

　　由圖8 可見，對于具備密間隔極化電位測量條件的犧牲陽極陰保系統，可以通過直接測量極化電位分布來對系統有效性進行評估，如保護距離達標，則該陰保系統有效，反之無效。對于不具備密間隔極化電位測量條件的系統，則需分別測量該陽極組組內單支陽極接地電阻Rd 及整組陽極接地電阻Rz.根據該陰極保護系統相關參數，通過理論計算得出組內單支陽極及整組陽極的臨界接地電阻Rd 臨界及Rz 臨界，將實際測量值與臨界值進行對比，若Rz<Rz 臨界，則陽極組有效；若Rz>Rz 臨界，則陽極組失效。同理，若Rd<Rd 臨界，則此支陽極有效；若Rd>Rd 臨界，則此支陽極失效。Rd 臨界及Rz 臨界是以上判據應用的關鍵參數，對于特定的犧牲陽極陰極保護系統，該臨界接地電阻可根據保護距離、保護電流需求及土壤環境確定。

 

　　以上基于極限接地電阻的燃氣管網犧牲陽極有效性判據，已在北京燃氣管網8 個示范點進行了應用，應用結果顯示該判據可以滿足實際生產的要求，具備推廣應用價值。

詳情請見腐蝕防護之友2015年04月第二期雜志