燃氣管道失效原因分析及預防措施

張廣鑫

(潮州市特種設備檢驗所，廣東 潮州521011)

0 引言

城市燃氣迅速發展是城市現代化的重要標志， 城市燃氣的發展，改善了城市環境，方便了人民生活，促進了城市基礎設施建設和社會經濟的發展。但是因為燃氣管道所處環境的復雜性，一旦發生失效，特別容易引發火災爆炸等一系列傷亡事故，造成的經濟損失和社會影響是不可估量的，因此，有關燃氣管道失效的問題需要得到足夠的重視。本文就燃氣管道失效原因及預防措施進行了分析，并結合了具體的工程實例，以期能為燃氣管道失效的解決提供參考借鑒。

1 燃氣管道失效原因分析

1.1 管道背景介紹

樣品為某埋地燃氣管道， 材料是按照GB/T3091—2008 執行的Q235 的鍍鋅管，圖1 為管道內外腐蝕宏觀照片。 由圖可以看出管道在經過長時間的使用，管道內外表面均發生腐蝕，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，對管道腐蝕產物與金屬材料的性能進行研究分析。

圖1 埋地管道內外表面腐蝕形貌宏觀照片

1.2 金相分析

圖2 燃氣管道在不同倍率下的金相顯微組織

1.3 力學性能分析

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，以反映腐蝕區域材料強度。

1.4 腐蝕產物分析

對腐蝕產物進行EDS 成分分析，進一步研究管道腐蝕環境狀況。

表1 為管道腐蝕產物EDS 能譜成分分析結果， 表明管道內表面腐蝕產物主要是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。 該管外表面腐蝕產物EDS 成分分析結果表明，管道外表面腐蝕產物主要由氯化物(如NaCl)、硫化物(如ZnS)和氧化物(如ZnO)組成。 管道外表面腐蝕產物中硫化物可能為管內含硫介質泄漏所致，也有可能為土壤污染所致。

表1 管道腐蝕產物EDS 能譜成分分析結果(質量分數/%)

對鍍鋅層的腐蝕原因進行分析， 主要是由于Zn 的標準電極電位比基體Fe 的標準電極電位負， 所以電鍍層和基體Fe 產生原電池時，電鍍Zn 起到犧牲陽極作用，防止基體金屬發生腐蝕。 在pH 值為中性的環境中，鍍層表面會生成一層耐腐蝕性的鈍化膜，但在潮濕的環境中，由于水分凝結于鍍鋅層表面，當電鍍鋅層產生缺陷時，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反應為：

陽極反應：Zn－2e→Zn2＋

陰極反應：Zn＋12O2＋H20→Zn(OH)2

當液膜中O2不足時，發生如下反應：

陽極反應：Zn－2e→Zn2＋

陰極反應：2H＋＋2e－→H2

反應后的Zn2＋再與水反應：Zn2＋＋2H2O→Zn(OH)2＋2H＋

通過以上反應生成的Zn(OH)2緩慢地發生脫水反應，生成ZnO。ZnO 和介質中的CO2發生反應，生成堿式碳酸鋅，即為白色腐蝕產物。

電鍍Zn 層在理想的環境中腐蝕速度很慢， 但在Cl－和SO2 環境中腐蝕速度會加速，主要是因為生成的ZnCl 和ZnSO4 易溶于水，促進了腐蝕的產生。

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量，避免因缺陷產生原電池；其次要注意介質及土壤中S2－和Cl－的含量，減緩腐蝕的加速。

1.5 鍍鋅層厚度測量

通過對該管道內外表面鍍鋅層厚度測量，發現管道內外部平均鍍鋅層厚度均為44μm。根據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70μm。 可見管道內外表面鍍鋅層厚度低于標準值，由此可見壁厚減薄的原因是介質及土壤中的Cl－和S2－加速了鍍鋅層的溶解。

2 預防措施

由以上分析可知：經過多年的使用，管道材料的金相組織和力學性能基本完好，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。 有研究結果均表明：當缺陷深度與管道厚度達到80%時，仍有部分強度余量；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，容易導致穿孔泄漏；另一方面泄漏的管內腐蝕性介質將會破壞管道外層的保護膜及穿孔區的未被保護的管道基材快速腐蝕，導致或加速管道的失效及事故的發生。

針對以上原因，建議從以下方面采取措施：

1）在設計的時候要充分考慮介質和土壤對管道及防護層的影響，采取必要的預防措施，并且選擇合適的防腐層。 例如本案例中所分析的管道，如果設計的時候充分考慮到介質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，阻止管道的電化學腐蝕的發生，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，目前在燃氣管道中已得到了廣泛的應用。

2）在制造安裝時要嚴把質量關，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，使腐蝕迅速向內發展，形成點蝕孔。

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

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

5）對于老管網的使用，建議按照TSGD7004—2010 壓力管道定期檢驗規則(公用管道)進行全面檢驗及相關的合于使用評價，以確保管道的安全運行，防止事故的發生。

6）建議每年對當地不同的管道穿越地區進行土壤和大氣檢測，并錄入管道地理信息系統， 為管道的剩余強度評價及壽命預測提供依據，并可為其他管道的設計提供依據。

3 結論

綜上所述，燃氣管道的安全運行，關系人民生命財產安全，關系社會穩定，確保其安全運行是新時期城市建設發展的需要。因此，我們要在加強基礎管理，提高技術水平基礎上，進一步探索有關燃氣管道失效預防和控制的新方法、新思路。 相信經過政府、社會、燃氣設計、施工、生產、經營單位各負其責，齊心協力，強化對城市燃氣的安全管理，一定能預防燃氣管道失效以及失效引起的危害，使其更好地造福廣大城鎮居民。

［1］李強，王朝.海底管道失效原因分析及其對策[J].城市建設理論研究，2013（03）.

［2］張斌.論城市燃氣管道腐蝕原因分析及其防治措施[J].城市建設理論研究，2012（36）.