城鎮(zhèn)埋地燃氣管道失效分析及預(yù)防

錢英豪，周鵬飛，常 樂，董金善

(1.江蘇省特種設(shè)備安全監(jiān)督檢驗研究院蘇州分院，江蘇蘇州 215128;2.南京工業(yè)大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，南京 210009）

0 引言

我國埋地管道已經(jīng)超過了3萬km，但是其中60%的管網(wǎng)已經(jīng)運行了20多年，而20世紀(jì)50、60年代建設(shè)的管網(wǎng)也已經(jīng)運行了30～40年，由于管網(wǎng)長時間在地下，加之管道在敷設(shè)過程中造成的損傷以及腐蝕和外力的作用，管道的運行狀況必定會受影響，此類管道有著發(fā)生事故的潛在危險以及泄漏造成經(jīng)濟損失的可能性［1-2］，部分大中城市先后多次出現(xiàn)過地下燃氣管道爆炸傷人事故。2000－01廣西貴港市城區(qū)富士花園到港北區(qū)公安分局南梧公路段發(fā)生地下油氣管道爆炸事故，造成8人當(dāng)場死亡，16人受傷，公路嚴重損壞;2004年西南地區(qū)某城市一幢居民樓前燃氣管道防腐層因防腐層受到外力破壞導(dǎo)致腐蝕穿孔，燃氣泄露遇明火爆炸，造成5人死亡，35人受傷，10多戶房屋被毀，數(shù)萬人正常生活受到影響;2010－07－28南京棲霞區(qū)的埋地管道發(fā)生爆炸［3］。

一般含Zn量為500 g/m2的熱鍍鋅鋼管，其使用壽命可達50年［4］，所以鍍鋅鋼管在早期的燃氣管道被廣泛采用，目前多被有機涂料防腐層替代。關(guān)于鍍鋅鋼的腐蝕機理，已做了大量研究，例如:吳坤湖等［5］模擬了地?zé)崴疁囟葘﹀冧\鋼管腐蝕與結(jié)垢的影響，李勇等［6］研究了鍍鋅扁鋼電力接地材料在NaCl介質(zhì)中的腐蝕特性，周琦等［7］研究了鍍鋅鋼板在不同水溶液中的腐蝕行為。本研究通過對某市改造的早期燃氣管網(wǎng)鍍鋅管進行材料力學(xué)性能實驗、金相組織分析、腐蝕產(chǎn)物的EDS成分分析，研究了燃氣用鍍鋅鋼管的腐蝕失效狀況，查明失效原因，并提出解決對策，對老管網(wǎng)的檢測及維修具有借鑒意義，同時對新鋪設(shè)的管道在防腐蝕方面提出了建議。

1 管道的失效分析

1.1 管道背景介紹

樣品為1987年某市庭院埋地燃氣管道，材料是按照GB/T3091—2008執(zhí)行的Q235的鍍鋅管，圖1為管道內(nèi)外腐蝕宏觀照片。由圖可以看出管道在經(jīng)過長時間的使用，管道內(nèi)外表面均發(fā)生腐蝕，管道外表面腐蝕減薄尤其嚴重，主要腐蝕類型有點蝕、局部腐蝕和均勻腐蝕。為研究這些管道失效原因，對管道腐蝕產(chǎn)物與金屬材料的性能進行研究分析。

1.2 金相分析

圖2為腐蝕管道的金相顯微組織，由圖可知燃氣管道金相組織為鐵素體與珠光體組織，并且鐵素體與珠光體的結(jié)構(gòu)和形狀并未發(fā)生明顯變化，表明在經(jīng)過多年使用后該管道金相組織并未受到較大影響。

1.3 力學(xué)性能分析

圖1 埋地管道內(nèi)外表面腐蝕形貌宏觀照片F(xiàn)ig.1 Appearance of buried pipe

圖2 燃氣管道在不同倍率下的金相顯微組織Fig.2 Metallurgical structure of gas pipe under different ratio

在部分燃氣管道上截取試樣進行拉伸實驗。由于受燃氣管尺寸和形狀限制，力學(xué)性能取樣一般選取靠近腐蝕坑但又相對較厚管段，具有較好的代表性;取樣方向為管道軸向方向，以反映腐蝕區(qū)域材料強度。

表1為燃氣管道材料力學(xué)性能試驗結(jié)果，從中可以看出，所取燃氣管道樣品的抗拉強度、屈服強度和伸長率均達到GB/T 700—2006《碳素結(jié)構(gòu)鋼》中的各項指標(biāo)要求。

表1 燃氣管道材料力學(xué)性能試驗結(jié)果Table 1 Mechanical properties of pipe material

1.4 腐蝕產(chǎn)物分析

對腐蝕產(chǎn)物進行EDS成分分析，進一步研究管道腐蝕環(huán)境狀況。

表2為管道腐蝕產(chǎn)物EDS能譜成分分析結(jié)果，表明管道內(nèi)表面腐蝕產(chǎn)物主要是Na2S和ZnS(均為白色粉末狀)，表明該管道輸送燃氣中含有H2S或Na2S。該管外表面腐蝕產(chǎn)物EDS成分分析結(jié)果表明，管道外表面腐蝕產(chǎn)物主要由氯化物(如NaCl)、硫化物(如ZnS)和氧化物(如ZnO)組成。管道外表面腐蝕產(chǎn)物中硫化物可能為管內(nèi)含硫介質(zhì)泄漏所致，也有可能為土壤污染所致。

對鍍鋅層的腐蝕原因進行分析，主要是由于Zn的標(biāo)準(zhǔn)電極電位比基體Fe的標(biāo)準(zhǔn)電極電位負，所以電鍍層和基體Fe產(chǎn)生原電池時，電鍍Zn起到犧牲陽極作用，防止基體金屬發(fā)生腐蝕。在pH值為中性的環(huán)境中，鍍層表面會生成一層耐腐蝕性的鈍化膜，但在潮濕的環(huán)境中，由于水分凝結(jié)于鍍鋅層表面，當(dāng)電鍍鋅層產(chǎn)生缺陷時，鋅層與基體金屬便形成了原電池，此時鍍鋅層為陽極，基層Fe為陰極，在液膜中氧氣充分時其典型的電化學(xué)反應(yīng)為:

陽極反應(yīng):Zn－2e→Zn2+

當(dāng)液膜中O2不足時，發(fā)生如下反應(yīng):

陽極反應(yīng):Zn－2e→Zn2+

陰極反應(yīng):2H++2e－→H2

反應(yīng)后的Zn2+再與水反應(yīng):Zn2++2H2O→Zn(OH)2+2H+

表2 管道腐蝕產(chǎn)物EDS能譜成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù) /%)Table 2 EDS analysis results of corrosion products of pipes(mass fraction/%)

通過以上反應(yīng)生成的Zn(OH)2緩慢地發(fā)生脫水反應(yīng)，生成ZnO。ZnO和介質(zhì)中的CO2發(fā)生反應(yīng)，生成堿式碳酸鋅，即為白色腐蝕產(chǎn)物。

電鍍Zn層在理想的環(huán)境中腐蝕速度很慢，但在Cl－和SO2環(huán)境中腐蝕速度會加速，主要是因為生成的ZnCl和ZnSO4易溶于水，促進了腐蝕的產(chǎn)生［8］。

從上面的鍍鋅層腐蝕機理可以看出，欲阻止鍍鋅層的破壞，主要有2條途徑:首先要提高鍍鋅層質(zhì)量，避免因缺陷產(chǎn)生原電池;其次要注意介質(zhì)及土壤中S2－和Cl－的含量，減緩腐蝕的加速。

1.5 鍍鋅層厚度測量

通過對該管道內(nèi)外表面鍍鋅層厚度測量，發(fā)現(xiàn)管道內(nèi)外部平均鍍鋅層厚度`均為44 μm。根據(jù)GB/T3091—2008《低壓流體輸送焊接鋼管》的要求，燃氣輸送用鍍鋅管系采用熱鍍鋅鋼管，鍍鋅層厚度不得低于70 μm?？梢姽艿纼?nèi)外表面鍍鋅層厚度低于標(biāo)準(zhǔn)值，由此可見壁厚減薄的原因是介質(zhì)及土壤中的Cl－和S2－加速了鍍鋅層的溶解。

2 預(yù)防管道腐蝕的建議

由以上分析可知:經(jīng)過多年的使用，管道材料的金相組織和力學(xué)性能基本完好，失效主要是由腐蝕引起。由宏觀照片可以看出，該管道主要的腐蝕類型有均勻腐蝕、局部腐蝕和點蝕。有研究結(jié)果均表明:當(dāng)缺陷深度與管道厚度達到80%時，仍有部分強度余量［9］;而且前2種腐蝕的失效模式為破裂失效，所以在3種主要的腐蝕類型里面潛在危害性最大的當(dāng)屬點蝕。一方面點蝕的電流集中，腐蝕速率要遠遠大于均勻腐蝕和局部腐蝕，容易導(dǎo)致穿孔泄漏;另一方面泄漏的管內(nèi)腐蝕性介質(zhì)將會破壞管道外層的保護膜及穿孔區(qū)的未被保護的管道基材快速腐蝕，導(dǎo)致或加速管道的失效及事故的發(fā)生。

針對以上原因，建議從以下方面采取措施:

1)在設(shè)計的時候要充分考慮介質(zhì)和土壤對管道及防護層的影響，采取必要的預(yù)防措施，并且選擇合適的防腐層。例如本案例中所分析的管道，如果設(shè)計的時候充分考慮到介質(zhì)中硫化物以及氯離子對管道腐蝕的影響，一方面可以通過控制Cl－、S2－的含量來減緩鍍鋅層的腐蝕;另一方面可以通過采用有機防蝕涂料鋼管替代鍍鋅管，例如瀝青涂料鋼管、合成樹脂涂料鋼管、富鋅末涂料鋼管，將管道與土壤隔絕開來，阻止管道的電化學(xué)腐蝕的發(fā)生，這種涂層能夠在含H2S、鹽層、高溫高壓等十分惡劣的情況下工作［10］，目前在燃氣管道中已得到了廣泛的應(yīng)用。

2)在制造安裝時要嚴把質(zhì)量關(guān)，排除管道及防腐層表面缺陷，從源頭上控制腐蝕的形成。點蝕一般發(fā)生在表面有鈍化膜或者涂有防腐層的管道，如不銹鋼、鈦鋁合金等，因為表面覆蓋保護性的鈍化膜，所以腐蝕很少;但由于表面局部可能存在缺陷(劃痕、非金屬夾雜物等)，土壤中又存在破壞鈍化膜的活性離子(Cl－、Br－)，鈍化膜容易在局部破壞，很小的破口暴露的金屬成為電池陽極，周圍廣大面積的膜成為陰極，陽極電流高度集中，使腐蝕迅速向內(nèi)發(fā)展，形成點蝕孔。

3)采用陰極保護等保護系統(tǒng)，在使用中防止腐蝕的形成。埋地鋼制管道防蝕技術(shù)主要是防腐層結(jié)合陰極保護聯(lián)合措施，這是被國內(nèi)外證實有效的。國外如美國制訂了相關(guān)的法規(guī)，強制推行陰極保護技術(shù)，并對舊管道限期追加陰極保護。目前國內(nèi)這方面法規(guī)還不夠完善，人們認識不足，導(dǎo)致推動比較困難。

4)要注意防腐層及陰極保護等防腐系統(tǒng)的維護檢測與維護。目前關(guān)于埋地管道的非開挖防腐層檢測及陰極保護系統(tǒng)檢測技術(shù)日漸成熟，例如管道電流測繪儀(PCM)、管道雜散電流測繪儀(SCM)等先進檢測設(shè)備的面世，可以及時的發(fā)現(xiàn)防腐層及陰極保護的問題點，將腐蝕扼殺在萌芽狀態(tài)，可極大的提高管道的使用壽命和安全性能。

5)對于老管網(wǎng)的使用，建議按照 TSGD 7004—2010壓力管道定期檢驗規(guī)則(公用管道)進行全面檢驗及相關(guān)的合于使用評價，以確保管道的安全運行，防止事故的發(fā)生。

6)建議每年對當(dāng)?shù)夭煌墓艿来┰降貐^(qū)進行土壤和大氣檢測，并錄入管道地理信息系統(tǒng)，為管道的剩余強度評價及壽命預(yù)測提供依據(jù)，并可為其他管道的設(shè)計提供依據(jù)。

3 結(jié)論

1)通過對埋地燃氣管道進行材料力學(xué)性能和金相組織分析，表明該管道經(jīng)過24年使用，其力學(xué)性能指標(biāo)仍然符合該材料相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，金相組織也無異常。

2)通過對管道周圍腐蝕產(chǎn)物的EDS成分分析，得出管道腐蝕的原因主要是輸送介質(zhì)及周圍環(huán)境中含有S2－和Cl－，破壞了鍍鋅層，導(dǎo)致腐蝕的產(chǎn)生。

3)埋地管道應(yīng)盡量采用有機涂層防腐層和陰極保護雙重保護，并且做好防腐層和陰極保護的定期檢測和維護工作。

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