某低壓燃?xì)夤艿李l繁泄漏的原因

孫健民，田念佩，杜艷霞

(1. 北京燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100035； 2. 北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院，北京 100083)

隨著城市建設(shè)的不斷發(fā)展，燃?xì)獾挠昧看蠓黾?，城市地下管網(wǎng)的規(guī)模也不斷擴(kuò)大。城市燃?xì)庾鳛橐环N優(yōu)質(zhì)、高效、便捷、清潔的能源，具有易燃易爆的特點(diǎn)。近年來，國內(nèi)發(fā)生了多起燃?xì)庑孤┦鹿蔥1-4]，嚴(yán)重的可能會(huì)引起爆炸，威脅人身安全，造成很大的社會(huì)危害[5]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2018年我國室內(nèi)發(fā)生540起燃?xì)獗ㄊ鹿?，室外燃?xì)夤艿佬孤┘氨际录?74起，共造成5人死亡，185人受傷[6]。明確燃?xì)庑孤┰颍⒉扇∮行У臋z測與防護(hù)措施，避免類似事故再次發(fā)生對于保證城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的安全運(yùn)行至關(guān)重要。

目前，國內(nèi)外部分學(xué)者對燃?xì)夤艿赖氖г蜻M(jìn)行了分析。葉曉波等[7]對杭州某住宅小區(qū)埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤芫W(wǎng)的腐蝕漏氣問題進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：管道防腐蝕層存在缺陷點(diǎn)，發(fā)生電化學(xué)腐蝕，引起腐蝕穿孔。ARAD等[8]對某區(qū)域失效天然氣管道進(jìn)行了檢測，發(fā)現(xiàn)管道通過強(qiáng)腐蝕性的土壤，對于有防腐蝕層缺陷的區(qū)域，管道電位正于防腐蝕的臨界電位，造成管道失效。錢英豪等[9]對某市改造的老管網(wǎng)的鍍鋅管進(jìn)行了失效分析，結(jié)果表明：管內(nèi)介質(zhì)及土壤中的S2-和Cl-會(huì)加速管道鍍鋅層的減薄及破壞，導(dǎo)致管道腐蝕失效。劉瑤等[10]對發(fā)生泄漏的某城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿肋M(jìn)行了分析，得出燃?xì)夤艿罃嗔言驗(yàn)楣艿拉h(huán)焊縫在外部載荷的應(yīng)力作用下發(fā)生了斷裂擴(kuò)展。由以上分析可知，針對不同的埋地燃?xì)夤艿婪郗h(huán)境，其失效原因有腐蝕穿孔，管道斷裂，局部變形及管道表面損壞等[11-12]；其中腐蝕失效是一個(gè)重要的原因，據(jù)相關(guān)資料調(diào)查統(tǒng)計(jì)顯示，由腐蝕引起的泄漏事故占管道總泄漏搶修事故的40%以上[13]。影響腐蝕的因素有很多，如土壤腐蝕性，管道防腐蝕層狀況，陰極保護(hù)狀況及雜散電流干擾等[14-15],對于小區(qū)低壓燃?xì)夤艿栏g泄漏的關(guān)鍵因素，目前尚未開展系統(tǒng)的調(diào)查和研究。

某小區(qū)燃?xì)夤艿烙?007年開始運(yùn)行，為低壓燃?xì)夤艿溃瑳]有施加陰極保護(hù)。該管道近年來發(fā)生了多次腐蝕泄漏事故，嚴(yán)重威脅了管道的安全運(yùn)行。本工作通過現(xiàn)場測試對該小區(qū)頻繁泄漏埋地燃?xì)夤艿赖氖г蜻M(jìn)行了分析，以明確該小區(qū)低壓燃?xì)夤艿李l繁腐蝕漏氣的原因，并提出了針對性的防護(hù)措施。

1 現(xiàn)場測試

為了明確該低壓燃?xì)夤艿李l繁腐蝕泄漏的原因，在現(xiàn)場對失效管道的管地電位，流入、流出電流密度及土壤電阻率等參數(shù)進(jìn)行了測試，并進(jìn)行了腐蝕檢查片的埋設(shè)試驗(yàn)和現(xiàn)場電連接性測試試驗(yàn)。測量方法均參照GB/T 21246-2020《埋地鋼制管道陰極保護(hù)參數(shù)測量方法》。

1.1 土壤電阻率測試

使用土壤電阻率測量儀(ZC-8)，采用Wenner等距四極法在現(xiàn)場測量了管道埋深處的平均土壤電阻率。

1.2 埋地燃?xì)夤艿拦艿仉娢粶y試

采用飽和硫酸銅參比電極(CSE)及數(shù)字萬用表對失效管段管地電位進(jìn)行了測量。

1.3 腐蝕檢查片埋設(shè)試驗(yàn)

在泄漏管段現(xiàn)場埋設(shè)腐蝕檢查片，以腐蝕檢查片來模擬埋地管道防腐層破損點(diǎn)。采用管道極化檢查片與自腐蝕檢查片，其中極化檢查片通過測試樁實(shí)現(xiàn)與待測管道的電連接，獲得腐蝕速率及檢查片通電電位、斷電電位與電流密度等參數(shù);自腐蝕檢查片不和管道電連接，以獲得其在所處土壤環(huán)境中的自腐蝕速率。檢查片埋設(shè)時(shí)間為六個(gè)月，示意圖如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場試驗(yàn)示意圖

檢查片埋設(shè)前首先通過電子天平稱量，獲得原始質(zhì)量；埋設(shè)6個(gè)月取出后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室處理(包括物理清理和化學(xué)酸洗兩步)。物理清理主要是將檢查片表面沉積的泥土和沙子清除。檢查片在水中,浸泡約10 min，用毛刷清除掉表面的土壤覆蓋層，觀察表面腐蝕產(chǎn)物顏色。酸洗按照ASTM G1-03 《Standard practice for Preparing, Cleaning, and Evaluating Corrosion Test Specimens》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，將拍照后的試樣放入特定酸洗液(500 mL鹽酸+3.5 g六次甲基四胺+加去離子水配制成1 000 mL溶液)中酸洗。酸洗完成后用去離子水、酒精依次沖洗，吹干后再次記錄其腐蝕形貌并稱量，在此基礎(chǔ)上計(jì)算失重量與腐蝕速率。

1.4 電連接測試

采用固定參比電極的電位法進(jìn)行燃?xì)夤艿篮推渌摻Y(jié)構(gòu)物如樓房接地，自來水管道等之間電連接性的測試，測量接線如圖2所示。燃?xì)夤艿篮推渌摻Y(jié)構(gòu)物共用同一飽和硫酸銅參比電極，保持飽和硫酸銅參比電極位置不變，利用FLUCK289高阻抗電壓表測量管地電位V管地和其他鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)電位V結(jié)構(gòu)物，并用UDL2高頻數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行電位記錄，根據(jù)V管地和V結(jié)構(gòu)物的大小及變化情況，判斷二者是否電連接。

圖2 電連接性測試示意圖

2 結(jié)果與討論

2.1 土壤電阻率

每個(gè)接地棒之間的距離為2 m，現(xiàn)場測試表明，管道埋設(shè)1 m處的平均土壤電阻率為32 Ω·m，按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)(GB/T 21447)，土壤的腐蝕性為中等。

2.2 管道管地電位

對現(xiàn)場泄漏管道電位進(jìn)行測試，測得燃?xì)夤艿赖墓艿仉娢粸?0.39 V，同一環(huán)境中孤立的鋼鐵結(jié)構(gòu)物的腐蝕電位約為-0.55～-0.60 V，埋地管道的腐蝕電位明顯正于孤立鋼鐵結(jié)構(gòu)物。

2.3 腐蝕檢查片測試

2.3.1 腐蝕檢查片參數(shù)測試

由圖3可見：腐蝕檢查片通電電位為-0.39 V，斷電電位為-0.58 V，通電電位明顯正于其斷電電位，說明有電流從管道穩(wěn)定流出。

圖3 腐蝕檢查片的通電斷電電位

由圖4可見:腐蝕檢查片的電流密度為負(fù)值,表明有電流從管道穩(wěn)定流出，約為5.4 A/m2。該流出的直流電流加速了檢查片的腐蝕。

圖4 腐蝕檢查片的電流密度

2.3.2 腐蝕檢查片的宏觀形貌

由圖5可見：自腐蝕檢查片表面覆蓋土層;與管道相連的檢查片表面沉積著土和腐蝕產(chǎn)物的混合物，且牢固黏附在檢查片表面。在實(shí)驗(yàn)室中物理清理后，自腐蝕檢查片表面較為平整，有少量沙土黏著。與管道相連檢查片表層沙土仍黏附在檢查片表面，裸露部分可見分布著均勻的黑色腐蝕產(chǎn)物層，邊緣處分布著黃褐色的銹層，這是典型的直流流出電解形貌。采用化學(xué)酸洗除去檢查片表面的腐蝕層，金屬基體顯露，自腐蝕檢查片表面腐蝕較為均勻，腐蝕面較為光滑平整，與管道相連的檢查片表面腐蝕很嚴(yán)重，出現(xiàn)凹凸不平的腐蝕坑。

(a) 自腐蝕檢查片，剛從土壤取出 (b) 自腐蝕檢查片，物理清洗后 (c) 自腐蝕檢查片，化學(xué)酸洗后

由表1可見：自腐蝕檢查片腐蝕速率為0.061 mm/a，與管道相連的極化檢查片的腐蝕速率為5.939 mm/a，約為自腐蝕檢查片的97倍，其較高的腐蝕速率與穩(wěn)定流出的電流密切相關(guān)。

表1 不同類型腐蝕檢查片的腐蝕速率

2.4 燃?xì)夤艿琅c鋼結(jié)構(gòu)物電連接性測試

由表2可見，與其他鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)物相比，管道和建筑物接地(接地地網(wǎng))電位偏正，大小相同，說明二者存在電連接。由于鋼質(zhì)燃?xì)夤艿涝倦娢回?fù)于接地網(wǎng)，二者的電連接會(huì)形成電偶腐蝕，其中低壓燃?xì)夤艿雷鳛殛枠O，接地網(wǎng)作為陰極，電流由燃?xì)夤艿懒鞒?，?dǎo)致陽極極化，電位正向偏移。

表2 管道和鋼結(jié)構(gòu)物的電連接性測試結(jié)果

3 低壓燃?xì)夤艿赖男孤┰蚣胺雷o(hù)建議

管道腐蝕電位和模擬管道防腐層破損點(diǎn)檢查片的通電電位明顯偏正，通電電位正于斷電電位，電流密度測量表明有穩(wěn)定的直流電流從檢查片流出，法拉第定律計(jì)算得腐蝕速率為6.294 mm/a，與實(shí)測腐蝕速率在相同的數(shù)量級。與管道相連極化檢查片表面分布著均勻的黑色腐蝕產(chǎn)物層，為典型的直流流出電解的形貌，其腐蝕速率為5.939 mm/a，與理論計(jì)算得到的腐蝕速率相對誤差為5.89%。其較高的腐蝕速率與穩(wěn)定流出的電流密切相關(guān)。而引起電流流出的根本原因在于燃?xì)夤艿琅c建筑物接地之間存在電連接，形成電偶腐蝕，管道作為陽極，電位正向偏移，有穩(wěn)定電流流出。由此可見，由于接地地網(wǎng)與燃?xì)夤艿来嬖陔娺B接造成的電偶腐蝕是導(dǎo)致該小區(qū)管道失效的主要原因。

綜上可知，該燃?xì)夤艿朗г蛑饕墙拥氐鼐W(wǎng)與燃?xì)夤艿来嬖陔娺B接，造成電偶腐蝕。針對城市居民小區(qū)低壓燃?xì)夤芫W(wǎng)高頻泄漏的普遍現(xiàn)狀，對防止此類腐蝕提出以下建議：

(1) 在建設(shè)施工階段，燃?xì)夤艿篮屯瑓^(qū)域的地下金屬構(gòu)建應(yīng)保持一定的距離，防止發(fā)生電連接。

(2) 設(shè)置絕緣結(jié)構(gòu)，采用絕緣法將埋地燃?xì)夤艿琅c樓房鋼筋、接地網(wǎng)等進(jìn)行電隔離。

(3) 對埋地低壓燃?xì)夤艿朗┘雨帢O保護(hù)，陰極保護(hù)可以有效抑制電偶腐蝕、雜散電流腐蝕及一般的土壤腐蝕問題。

(4) 腐蝕主要發(fā)生在防腐層破損點(diǎn)處，應(yīng)對防腐層破損點(diǎn)進(jìn)行定期檢測與修復(fù)。

4 結(jié)論

(1) 對泄漏低壓燃?xì)夤艿兰跋嗤馁|(zhì)孤立金屬結(jié)構(gòu)物的電位測試結(jié)果表明，埋地燃?xì)夤艿赖墓艿仉娢幻黠@正于同一環(huán)境中孤立的鋼鐵結(jié)構(gòu)物，說明低壓燃?xì)夤艿腊l(fā)生了陽極極化，導(dǎo)致電位正向偏移。

(2) 模擬管道防腐層破損點(diǎn)檢查片的通電電位明顯正于其斷電電位，流出直流電流密度為5.4 A/m2。

(3) 與燃?xì)夤艿老噙B檢查片表面均勻分布著黑色的腐蝕產(chǎn)物，是典型的電流流出的電解腐蝕形態(tài)，腐蝕速率為5.939 mm/a，遠(yuǎn)高于自腐蝕檢查片。

(4) 燃?xì)夤艿琅c建筑物接地存在電連接，形成電偶腐蝕，管道電位正移，腐蝕速率大幅增加，電偶腐蝕是導(dǎo)致該小區(qū)管道失效的主要原因。