天然氣管道穿越管涵套管的腐蝕和防護

廖增建，袁余輝

（1.重慶氣礦鄰水采輸氣作業區，四川鄰水 638500；2.重慶氣礦渝北運銷部，重慶 401120）

0 引言

電化學腐蝕是一種常見的腐蝕現象，陰極保護是運用電化學反應對埋地金屬采取的一種防護措施。陰極保護以及防腐蝕層聯合保護都是是常見的腐蝕防護措施。陰極保護是系統工程，與多種外部因素緊密聯系，對天然氣管道穿越段腐蝕控制措施有十分重要的影響。

管道通常指鋼制管道，用于穿越橋梁、道路等特殊地段。由于業主對地基有結構要求，為確保管道后續維護，通常在主管外增設套管。套管口徑大于主管口徑，為鋼管材質，若缺乏絕緣相當于缺乏陰極保護。國內普遍采用絕緣措施，施工過程中采用石棉、水泥或者柔性密封材料填塞主管和套管之間的環狀縫隙，防止滲入地下水，然而這種工藝很難實現主管和套管的絕對密封絕緣。在穿越鐵路、公路、河流等部位需要架設套管管道，而這些地方發生腐蝕的情況相比其他地方嚴重的多，增加金屬套管之后主管道很容易腐蝕，甚至出現穿孔。

根據天然氣管理局對于所管轄管道的調查發現，近年來發現的較嚴重的腐蝕穿孔問題中，有40%出現于穿越管涵套管位置。由于涵套管穿越工程涉及多個專業，設計過程中往往沒有綜合分析多方面因素，進而影響整個陰極保護的有效性，也為后續使用埋下安全隱患，甚至給社會帶來嚴重的經濟損失。

1 天然氣管線腐蝕影響因素分析

1.1 自然環境影響

由于天然氣管線通常為淺埋方式，很容易受到土壤、水分、空氣等自然環境影響，導致管線產生腐蝕，腐蝕形式主要包括細菌感染、電流腐蝕以及土壤腐蝕。由土壤構造導致的腐蝕為土壤腐蝕，是由膠質體、水分、空氣中存在的固、液、氣三種形式影響，配合多孔毛細結構的鹽分，具有離子導電性能差的特點，加上土壤中含有多種物理和化學成分形成電化學反應而形成土壤腐蝕。

通常管道外的防腐蝕層能減輕管線腐蝕程度，需要采取較高質量的材料，做好管道外層防腐設計。我國一些成熟天然氣管線采取陰極保護和防腐蝕覆蓋層的雙重保護措施，其中，外防腐層是關鍵。要確保天然氣管道與防腐覆蓋層緊密貼合，避免陰極剝離或出現陰極保護死區。一旦出現局部剝離，要及時調整電極保護參數，直到滿足相應的天然氣管線防腐蝕要求。

天然氣管道外的防腐蝕層是防止管道腐蝕的重要措施，可看作外界影響因素，而導致管線腐蝕的影響因素是其本身的材料問題。天然氣管線通常采用鋼制螺旋焊管材料，該材料鋼管非金屬成分高，包括磷元素、硫元素等，具有較強的易腐蝕性，同時硅元素、碳元素會導致管道開裂。此外，如果鋼管表面有劃痕或者不平整的問題，將會導致其在使用過程中出現腐蝕斷裂問題。

1.2 涵套管對埋地管道的影響

根據埋地管道出現腐蝕的保護原理，通常采用陰極保護和防腐蝕層雙重保護。防腐層保護埋地管道的均勻腐蝕，通過隔絕土壤與管道的直接接觸，避免管道出現電化學腐蝕。陰極保護是以點腐蝕保護為主，緩解管道防腐層破損時的腐蝕效率。通過采用雙重保護措施，能夠進一步確保管道的防腐蝕性能。

涵套管對陰極保護的影響分為以下4 種情況：

（1）涵套管與管道絕緣且不存在導電介質，涵套管對陰極電流有一定的屏蔽效果，陰極保護電流對涵套管中介質不產生腐蝕作用，無法腐蝕內管道。如果管道表面存在凝結水，涵套管中的管道又安裝有犧牲陽極，凝結水會增加電阻率，這一保護措施的效果還需繼續分析。

（2）若涵套管與管道絕緣間存在導電介質，沒有安裝犧牲陽極，并且外部增加了陰極保護電流，電流穿過涵套管之后可通過管道中的導電介質（包括土壤或者水）達到導管表面，進而能夠對導管起到保護作用。導管內壁會受到腐蝕，外壁會受到保護，但涵套管對陰極保護電流有一定的屏蔽性能，因此涵套管內的管道無法充分實現陰極保護，也會面臨腐蝕的可能。涵套管中安裝高定位犧牲陽極，氧氣會消耗一部分陰極保護電流，而所消耗的電流值是與套管中犧牲陽極的性能，以及涵套管穿越處與陰極保護之間的距離有聯系的。如果所消耗的陰極保護電流較大，則會影響涵套管周邊管道陰極保護性能；如果涵套管中所安裝的犧牲陽極電位較低，此時犧牲陽極能夠對涵套管管道起到保護作用。但需要注意的是，外部陰極保護電流同樣能穿過涵套管到達導管表面，因此，犧牲陽極所起的作用并不明顯。

（3）若涵套管與管道短路且存在導電介質，如果涵套管中沒有安裝犧牲陽極，且涵套管對于陰極保護電流具有一定屏蔽作用，且僅發生于管道短路和套管中，并且套管內存在導電介質，這種情況下涵套管管道會自由腐蝕。如果此時涵套管安裝犧牲陽極，會對管道形成保護效果，但涵套管與管道短路是作為一個整體，犧牲陽極此時也會保護涵套管的內壁。如果防腐蝕層漏點和犧牲陽極距離大于涵套管與犧牲陽極的距離，到達防腐蝕層漏點的陰極保護電流較小，無法起到良好的保護效果，并且大多數陰極保護電流會消耗在涵套管內壁上。涵套管的防腐層幾乎不會消耗，全部的犧牲陽極在短時間內犧牲，陽極耗盡，無法達到預期的使用壽命。

（4）涵套管與管道短路且不存在介質，如果管道存在凝結水，并且涵套管中安裝犧牲陽極，由于存在凝結水導致電阻率升高，具體的保護效果還需繼續分析。

2 涵套管穿越段局部陰極保護

選擇局部硬件保護方案。在使用管道時通常采用局部應激保護的方法，對天然氣管道進行腐蝕防護。在設計方案時可選擇涵套管管道上纏繞鋅陽極或鎂陽極，通常采用纏繞的方式進行局部陰極保護，安裝示意圖如圖1 所示。具體陰極保護犧牲陽極的用量可以通過其面積進行計算獲得。

圖1 犧牲陽極帶的安裝示意

2.1 鎂陽極帶纏繞的保護方式

在鎂陽極帶安裝過程中，可以使用機械打磨的方式暴露出部分管道，開鑿焊點，使用電焊、鋁熱焊等多種方式連接管道與鎂陽極，根據不同管徑的間距、角度，將鎂陽極帶纏繞在管道外部，這兩個焊點需要做好相應的絕緣防腐蝕保護。完成鎂陽極帶纏繞后，涵套管兩端使用柔性防腐蝕材料進行密封，以確保良好的密封效果，防止其他雜物進入。這種方法操作簡便，但由于鎂電位較負，后續保護時間較短。

2.2 鋅陽極帶纏繞的保護方法

國內鋅陽極帶相關行業標準不完善，不同廠家生產的鋅陽極帶類型不同，需根據涵套管穿越段的情況計算用量。鋅陽極帶纏繞是利用鋅材質電位高、使用時間長、具有一定經濟性的特質，然而安裝比較困難，材料本身較脆。

2.3 鐲式陽極安裝的局部保護

利用這種方法能夠獲得一定的使用年限，且操作簡便。該方法使用鋁鎂合金材料的雙半圓環，每套陽極為兩個半環，半環之間使用螺栓連接，緊貼于管道上。電纜焊接于管壁中，做好全套防腐蝕工作。設計過程中根據涵套管穿越的實際情況，計算所需要的規格和用量，確保陽極均勻分布在套管中。

2.4 套管穿越處的防腐蝕處理

部分天然氣套管在江河穿越過程中，如果加設的波紋管存在導電金屬，需要使管道與金屬絕緣，且不能損壞管道外部的防腐蝕層。對于端部柔性密封類管材，在選擇材質時要綜合分析多種因素，完成相應的施工設計要求。管道和涵套管要直而圓，并且在穿越主管段使用高級別的防腐蝕層，如果涵套管中使用局部陰極保護措施，需要將管道與涵套管隔離，借助絕緣支架保證間距，確保涵套管內壁不會與犧牲陽極接觸，以防陽極失效。如果在安裝過程中出現絕緣支架損壞，需及時更換支架。涵套管內所有雜物在穿越段之前要清理干凈。

3 天然氣管道腐蝕防護的其他措施分析

天然氣管道不僅與天然氣安全運輸有關，還涉及人員生命安全，需要高度重視管道的維護工作，尤其是管道耐腐蝕保護，需要進行腐蝕檢測，做好陰極保護改造。還需要強化管道的日常管理，能夠及時發現腐蝕位置，及時采取措施處理。做好管道的日常維護工作，首先要根據天然氣管道防腐要求，構建相應的防腐管理機制，除定期抽檢外，重點檢查易腐蝕地段，及時發現和維修。腐蝕嚴重時做好全面防護改造方案，避免出現安全事故，高度重視管道的日常維護和巡檢。將長輸天然氣管道防護納入日常生產管理中，強化日常巡檢和維護力度，將安全隱患遏制于搖籃中。做好管道的防腐蝕工作，增加資金投入，實現技術創新，可降低運維成本，提高企業的經濟效益。由于天然氣管道受到自然環境影響，材料本身的制約會導致管道出現腐蝕，未來還需進一步研發創新，提高管道的質量安全性，提高防腐研發，提高腐蝕的測量準確度。

天然氣管道防腐是近年來管道項目建設的重點、難點，不僅影響天然氣的安全，還涉及生命財產安全，做好天然氣管道的防腐蝕工作，要從多角度上采取多種措施，以延長管道的使用壽命。