隨著能源結構的改變，城市燃氣管網越來越密，這給人們的生活和環保帶來好處的同時， 也給安全帶來了隱患，本文從腐蝕與防護角度上對城市燃氣管道陰極保護技術的重要性和可操作性進行了簡單的介紹，以求引起人們的重視。

 

    文| 胡士信　徐　快　中國石油天然氣管道局　徐昌學　張　鵬　中國石油天然氣管道科學研究院

 

    城市燃氣管道腐蝕的特點

 

    城市的地下布滿了各種管道，為人們提供著生活用水、天然氣及供熱，排放污水，對于北京上海這樣的特大都市，地下都布設有數千公里管網，如北京的一條主要干線道路的人行道下面就敷設有上水、下水、供熱、燃氣、電力及電信電纜等7、8 條之多， 而且間距很小，有時不得不分層敷設，相對長輸管道，城市管網腐蝕更具特殊性，加上地鐵和廠礦企業的用電設備雜散電流干擾， 又增加了復雜性。城市的管網安全關系到國計民生和政治影響， 做好腐蝕控制是我們腐蝕工作者義不容辭的任務。

 

    城市管網的主要腐蝕環境是土壤，土壤是由固相、氣相和液相三相構成的不均一多相體系，其影響因素多，相互關系復雜， 腐蝕的類型主要有電偶腐蝕、濃差電池腐蝕、細菌腐蝕和雜散電流干擾腐蝕，評價土壤腐蝕性存在著不確定性。

 

    土壤環境中金屬構筑物的腐蝕屬電化學范疇，腐蝕原電池是最基本的形式，因此能夠促進構成腐蝕電池的、影響腐蝕電池的土壤的理化性能都能影響土壤腐蝕，所以許多學者研究了單項指標與土壤腐蝕性的關系，并將這些參數進行加權處理，力求得到一個綜合的評價指標，如美國ANSI A21.5 和德國DIN 50929 標準。

 

    腐蝕電池有三個要素，即存在著不同電極電位的陰、陽兩個電極；兩電極同處在一個電解質體系中；兩電極之間有電子連接通路。除了第3 要素（兩電極之間的電連接就是依靠管道金屬材料本身）無法克服外，管道防腐蝕通常采用絕緣覆蓋層（將管道和電解質隔絕，破壞第2 要素）和施加陰極保護（消除陰、陽極之間的電位差，破壞第1 要素），相輔相成，經濟合理，已獲世界范圍內的公認，當前國內外的長輸管道均采用了這些措施。

 

    對于城市管網及構筑物，腐蝕具有下面的特點：

 

    --材質多樣，有鋼、鑄鐵、混凝土，可能還存在著早期的鉛皮和鋁皮電纜等；

 

    --結構復雜，有的有防腐層、保溫層或者鎧裝；

 

    --構筑物間構成網狀，相互電接觸；

 

    --環境復雜，層次土壤性能不一致，易形成原電池；

 

    --雜散電流各自為政，干擾問題不能統籌考慮；

 

    --管網建設年代跨度太大，有的幾十年，無任何檔案可追朔。

 

    城市燃氣管道陰極保護的必要性和可行性

 

    在城市的諸多管道中，燃氣管道的危險性最大，也是城市管道防護的重點對象，從輸氣管道的構成來說，城市管網屬配氣， 接受長輸管道的來氣，然后分配到千家萬戶中，可以說管網分散在城市的每條街道下，通到每座樓，加上復雜的地下環境，給我們腐蝕工作者帶來不小的挑戰，辯證法告訴人們，有挑戰就有機遇， 雖說復雜，人們還是可以把長輸管道的防腐蝕技術用在城市管網上，也就是說管網采用的也是防腐層技術、陰極保護技術和排流技術。

 

    防腐層是最早用在管道防腐上的措施，部分煤焦油瓷漆已成功應用了100 多年，是目前經過實際考驗的壽命最長防腐層，目前各種新型防腐層在城市管網中都有應用，如3LPE 和FBE，本文不作論述，僅就陰極保護和干擾問題加以討論。

 

    根據腐蝕電池的原理，將電池陰極和陽極間的電位差消除掉，就可使腐蝕電池停止作用，減輕腐蝕，由于管道上的腐蝕電池是微觀的，數量是無限的，所以作為腐蝕的一極--陽極的電位也是高低不等的，通常管道的自然電位在-0.55V（CSE） 左右，施加一個陰極電流后，按照電化學的原理電極就要極化（圖1），電位向負向偏移，偏移到一定值后，就可以把所有的腐蝕電池的陽極都覆蓋上了，這個值就是最小保護電位，標準上給出為-0.85V（CSE）。在極化曲線中，再施加陰極電流，曲線呈水平狀，但當電流加到一定程度后，再增大電流又急劇負移，這時開始了析出氫氣，這個轉折點，我們稱之為析氫電位，在陰極保護中都把最大保護電位定在析氫電位內，不可超越，這一個值為-1.200V（CSE）。由此可知，陰極保護電流總是流向被保護體， 所以陰極上只會發生還原反應，不再會發生氧化反應而造成腐蝕。依據圖1 可知，陰極保護電流是根據條件而發生變化的變量，而管道電位則是一個有規律的曲線，所以通常都以保護電位作為陰極保護準則的判據。

 

    通常陰極保護有強制電流和犧牲陽極兩種方法。

 

圖1　陰極保護的極化曲線原理

 

    強制電流法就是采用一個直流電源，在管道的附近裝設一組輔助陽極，把電源的正極與輔助陽極相連，電源的負極與管道相連，通過電源直接向管道上施加陰極電流，實現保護。犧牲陽極法是根據腐蝕電池的原理，采用比被保護體電極電位更負的金屬， 如鎂、鋁、鋅等，當把這些金屬埋在管道附近，如果管道和陽極間有電纜相連，這樣就構成一個宏觀電池，在這個大電池中，新加金屬電位較負，為陽極，管道電位較正，為陰極，按原電池理論， 陽極腐蝕消耗，陰極得到保護，故叫犧牲陽極法。

 

    這兩種方法的各有特色，強制電流法需要外加電源，輔助陽極會對附近金屬構筑物造成干擾，而犧牲陽極法，不需要外加電源， 不會造成干擾，所以城市管網中多采用犧牲陽極法。犧牲陽極中有鎂、鋁和鋅三種，適合于土壤中應用的只有鎂和鋅，按照標準上的要求在低土壤電阻率時用鋅，較高電阻率時用鎂。另外犧牲陽極還有接地功能，對于某些需要防腐又要求接地的管網這是一個一舉兩得的措施。

 

    隨著技術的發展，消除或減輕干擾影響的措施不斷完善，在城市采用強制電流陰極保護系統也已可能，若采用聯合保護可能會更加經濟合理。在國外就有實例，如莫斯科設立2500 座陰極保護站和120 座排流站，聯合保護了近3000km 天然氣管道，2000km 自來水管道，1000km 熱力管道和1500km 的電纜護套。

 

    對于城市燃氣管網，應按保護范圍的大小、土壤環境、費用情況、周圍的金屬構筑物情況，因地制宜的選擇陰極保護的方法。有時多種方法的聯合應用可能是最佳的方案，不可一概而論。圖2 是兩種陰極保護方法的經濟性分析后的應用范圍。

 

    陰極保護技術在長輸管道和船舶及海洋構筑物中已廣泛應用， 而在城市燃氣管道上采用，國內應在1989 年以后。1989 年3 月6 日，石油部和中國腐蝕與防護學會在北京煤氣公司召開了一次《城市煤氣管道陰極保護技術論證會》，胡士信在會上作了《城市煤氣管道陰極保護的必要性和可行性》的報告，會議達到共識，開始了北京市燃氣管道陰極保護的先例。早期胡士信也曾先后在上海市公用局和昆明市公用局進行了同樣的學術交流，使國內城市管道陰極保護得到推廣應用。

圖2　犧牲陽極和強制電流兩種方法的經濟適用范圍

 

    按照《城鎮燃氣埋地鋼質管道腐蝕控制技術規程》的要求， 新建管道的陰極保護設計、施工應與管道本體的設計、施工同時進行，并同時投入使用。管道陰極保護應避免對相鄰埋地管道或構筑物造成干擾，在構筑物擁擠的地帶應采用犧牲陽極，具備條件時，可采用導電聚合物柔性陽極，對于區域性陰極保護的場合， 可采用深井陽極技術。

 

    采用陰極保護的管道都應滿足GB/T 21448《埋地鋼須管道陰極保護技術規范》的-0.85V（CSE）至-1.200V（CSE）極化電位準則的要求，個別地帶可采用-100mV 極化電位差的準則，但必須考慮標準上給出的適用條件。

 

    陰極保護條件和注意事項

 

    根據陰極保護的原理，不論采用強制電流法還是犧牲陽極法， 都是給管道提供一個陰極電流，而管道要得到陰極保護也要具備一定的條件，這些條件是：

 

    電連續性：這是必備條件，確保電流在保護范圍內自由流動， 而不受阻，這一點對于非焊接連接的管道特別重要，必須進行電連接。

 

    電絕緣：就是把保護范圍與非保護區域隔離開，充分發揮保護電流的作用，有“沒有電絕緣就沒有陰極保護”一說。在1989 年， 北京也曾驗證了這一真理，對一條埋地十幾年的22 公里高壓煤氣管道，施加陰極保護，先后進行了三期，前二期試圖靠增加犧牲陽極來提高保護電位，均未成功，第三期改造時補加了絕緣法蘭， 結果電位極化顯著提升?，F在入戶的管道都在入戶前裝有絕緣接頭。圖3 是早期采用的絕緣法蘭，圖4 是當前普遍采用的整體型絕緣接頭結構圖。

 

    對于密集管網，電絕緣可能是無法實現的，這就要求采用大電流聯合保護措施，將需要保護的區域進行分塊進行，多數情況下不易實現。

 

    城市管網的陰極保護的施工較長輸管道有其特殊性，對于國際大都市可能不允許白天施工，在保護電位測試中，要注意測試樁的位置不能影響道路的功能和城市美化的要求。

    雜散電流干擾及防護

 

    管道的防護史實際上也是一部雜散電流防護史，早期人們對于城市有軌電車的地電流危害認識較深，采取了排流措施，解決了干擾問題。在國內，1957 年曾制訂過一個由郵電部、鐵道部、電力部和城建部四部聯合頒布的《防止地下金屬設備遭受電蝕試行規程》，用于限制城市有軌電車等用電設備的電流干擾。隨著有軌電車的拆除，這一問題也就無人問津了。自1966 年北京地鐵的開通運行，全國各地現在大規模建設地鐵，使得雜散電流的干擾已成為城市管網的腐蝕重要影響因素。

 

    雜散電流是一種環境污染，是電氣設備產生在非指定路徑中的電流，經由金屬管道在電解質（土壤、水）里流動（圖5）。早期人們主要關注直流雜散電流，因為它造成的被干擾管道腐蝕速度太快，在2000 年以后人們又開始關注起交流雜散電流，因為交流腐蝕的防護提上了議事日程。由于地鐵在市區，高壓電網在市郊以外， 所以城市管網是以地鐵為主的直流干擾，故我們在文中重點討論。

 

    在工作電流電路中的導體或者一部分電力設備有多個接地時， 這樣的電氣設備就會產生雜散電流，這樣的設備有：

 

    （a）直流電氣鐵路，鐵軌在此用作電流的導體；

 

    （b）架空有軌電車，多根導線連接到接地電源的返回接地體；

 

    （c）直流供配電系統，有的城市已開始采用較低電壓的直流輸電系統；

 

    （d）電解裝置

 

    （e）企業的直流用電設備，如電焊、電鍍等；

 

    （f）直流電話網和交通燈設備；

 

    （g）陰極保護裝置（強制電流設備、雜散電流排流裝置等）。

 

    在上述的用電設備中以直流電氣化鐵路最為嚴重，特別是像長線形帶有防腐層的埋地管道這樣的長的埋地金屬體，流入管道的雜散電流很大，而集中在局部的防腐層缺陷處流出，局部腐蝕將驚人的激烈。如東北撫順和鞍山地區受到礦區電機車雜散電流干擾影響的長輸管道約有50 公里，占當年東北輸油管網的2％， 而因電蝕造成的穿孔次數，占東北管網腐蝕穿孔總次數的60％以上。由于鐵路多年失修，該地區的排除的雜散電流高達500A，管道埋地半年就能電蝕穿孔，腐蝕速度大于10 ～ 15mm/a。

 

    土壤電阻率是影響雜散電流大小及其分布的主要控制因素， 從而對土壤電阻率有較大影響的土壤中的水分和電解質的含量， 對電蝕有較大的影響。

 

    電蝕量服從于法拉第定律：電流通過而發生的腐蝕量，與通過的電量成正比；與該物質的電化學當量成正比。如鋼鐵的電解腐蝕為9.1kg/A.a。概括地說，電蝕有如下特點：

 

    （1） 腐蝕激烈；

 

    （2） 腐蝕集中于局部位置；

 

    （3） 有防腐層時，往往集中于防腐層的缺陷部位。

 

    正是這一特點，使被干擾體在短時間內發生點狀坑蝕，造成泄漏事故。

 

    對于雜散電流干擾一般采取“以防為主、以排為輔、防排結合、加強監測”的綜合防護措施，通常要從源頭入手，盡量減少雜散電流的泄漏。現在城市地鐵采用的是直流牽引系統，設計時已在系統中采取了減少雜散電流的措施，考慮了對周圍金屬構筑物的干擾影響，但仍然會造成對城市管網的干擾，需要我們認真對待。

 

    雖然城市管網的直流干擾較為嚴重，在現代科學十分進步的今天也不是不可防護的，通?？刹捎门帕鳎ㄖ苯优帕?、極性排流、強制排流和接地排流）、電絕緣、電阻平衡、聯合防護等技術措施。根據國內的經驗，犧牲陽極極性接地排流是一個不錯的選擇。在當前的實踐中，已有多個城市解決了地鐵的干擾問題，為我們提供了可以借鑒的經驗。

 

    由于雜散電流干擾是一項十分復雜的技術難題，要徹底解決幾乎不可能，目前國內外都沒有一個排流后的評價標準，美國的干擾專家只強調消除正電位，在國外諸多標準中，我們認為澳大利亞標準AS2832.1-2004 比較合適，在這里我們引用其中的相關內容：

 

    受電氣化鐵路電流和地電流影響的埋地構筑物的保護要求：

 

    a）牽引電流影響

 

    在要求構筑物根據本準則評價牽引電流的影響時，必須記錄足夠長時間的電位以確保包含最大程度的雜散電流影響。這個時間段包括早晚用電高峰，一般為20 小時。如果用數據記錄儀監測電位，采樣頻率應每分鐘至少4 次。

 

    受牽引電流影響構筑物的陰極保護電位準則根據構筑物極化時間的不同而異：

 

    1）短時間極化的構筑物

 

    防腐層性能良好的構筑物或已證實對雜散電流的響應為快速極化和去極化的構筑物，應遵循以下準則：

 

    ①電位正于保護準則的時間不應超過測試時間的5%；

 

    ②電位正于保護準則＋ 50mV（對鋼鐵構筑物電位為-800mV） 的時間不應超過測試時間的2%；

 

    ③ 電位應正于保護準則＋ 100mV（ 對鋼鐵構筑物電位為-750mV）的時間不應超過測試時間的1%；

 

    ④電位正于保護準則＋ 850mV（對鋼鐵構筑物電位為0mV） 的時間不應超過測試時間的0.2%；

 

    2）長時間極化的構筑物

 

    對于防腐層性能較差的構筑物或對雜散電流的響應為緩慢極化和去極化的構筑物，其電位正于保護準則的時間不應超過測試時間的10%。

 

    b）地電流影響

 

    要求對構筑物進行地電流影響測量時，必須記錄通常為20h 的電位。如果采用數據記錄儀監測電位，其采樣頻率應不低于1 個／ min.。

 

    受地電流影響的構筑物的電位正于保護準則的時間不應超過測試時間的10％。確定電位的變化幅度時，應對記錄期間電離層擾動的程度進行評價。

 

    問題與展望

 

    目前還沒有全國城市管網的統計數據，在《97 全國城市地下管線防腐蝕工程技術交流會論文集》中有30 多萬公里和8 萬公里之說，隨著西氣東輸的建設，全國各地陸續氣化，城市燃氣管道數量急劇增加，如北京就有7500km 城市天然氣管網，自西氣東輸建成后開始氣化的城市已全國開花，不計其數，我們初步估算， 目前全國可能已有城市管網近百萬公里，這些管網即是人民生活的保障線，同時也是威脅人民生命安全的“定時炸彈”。如1996 年，楊州“2.18”除夕之夜居民樓煤氣爆炸（泄漏引起）事件； 1995 年7 月3 日，濟南和平路的電纜溝大爆炸，死13 人，傷48 人， 其原因是煤氣漏泄所致；上海市1991、1992 兩年的統計，管道泄漏事故，年平均167 次；如果稍加留意，CCTV 經常在新聞節目中報道管網的腐蝕事件。

 

    2013 年11 月22 日，山東省青島經濟技術開發區的中國石油化工股份有限公司管道儲運分公司東黃輸油管道發生爆炸，造成62 人死亡、136 人受傷，直接經濟損失75172 萬元， 事后處理48 位責任人。這一事件的主體雖是原油管道，但基本上也是位于青島市區以內。

 

    這些事故給管道安全敲起了警鐘，所以管道的安全性就提到議事日程上了，腐蝕學會曾于1987 年（廣州）和1997 年（桂林） 兩次召開城市管道腐蝕與防護會議，研討相關城市管道的腐蝕與防護問題。在國外，美國國家運輸部1970 年6 月頒布了配氣管網腐蝕控制條例，規定所有新建管道應采用防腐層并實施陰極保護措施，而一切在腐蝕活動區域的在役燃氣管網，自1976 年8 月1 日起應實施補加陰極保護措施。相比而言，我國還沒有這樣的法規，需要相關部門盡快在政策層面運作完成。

 

    相對長輸管道，城市管網有幾個特點：

 

    （1）公用設施擁擠不堪，如燃氣的配氣系統連接到用戶，與這些用戶相連的還有供電、供水、排污、供熱等設施；

 

    （2）管網歷史太久，缺少可用的技術檔案備查，新舊混在一起， 這給腐蝕控制帶來困難，不同業主的管道互不了解，干擾問題無人問津；

 

    （3）對于管網的防腐設計難度很大，新舊連在一起，電絕緣可能已不現實，責任分不清，干擾問題更是無法理清，設計無從下手。

 

    （4）在技術層面和管理層面，尚顯不足，技術標準和人員隊伍跟不上實際管網發展的形勢要求，檢測手段和裝置也較落后。

 

    在國內，早期上海、北京、昆明、沈陽等城市對燃氣管道采取了陰極保護技術，并采用了一些具有當代先進水平的新技術， 如中腐公司首次將國產的導電聚合物柔性陽極應用在北京的燃氣管道的陰極保護中，并取得成功；北京科大在北京城市管網采用遠程監控來隨時監測雜散電流的變化；深圳LNG 管道采用了深井地床的排流保護技術成功解決了地鐵雜散電流的干擾問題。

 

    展望未來，管道安全是關系到國計民生的頭等大事，我們相信在十八大政策的指引下，國家必定采取果斷措施，城市管網的腐蝕控制法規、技術標準規范和規章制度將會很快建立起來，城市管網的腐蝕與防護技術將會有一個飛躍的發展！