北京燃氣管網外腐蝕泄漏的關鍵影響因素

王慶余1,王 寧,李夏喜1,杜艷霞

(1. 北京燃氣集團有限公司，北京 100035； 2. 北京科技大學 新材料技術研究院，北京 100083)

近年來，我國城市燃氣發展迅速，燃氣供氣總量達到1 291.5×108m3，用氣人口5.4億[1]，燃氣已成為我國重要的能源之一。城市燃氣的發展不斷提速，這使得運輸燃氣的管道建設不斷發展，以北京市為例，北京燃氣集團運行的鋼質天然氣管道已超過2.1萬公里，并且，已初步形成遍布整個城市的燃氣管網。隨著燃氣管網的迅猛發展，其運行中存在的安全風險也日益增加。由于燃氣管道一般都埋在地下，且布置于人口密集、交通繁忙的區域，因此，一旦發生燃氣泄漏事故，就會帶來嚴重的后果，如造成居民財產損失，威脅人民群眾生命安全，還會造成嚴重的社會危害等[2]。據不完全統計，2011-2014年間，我國發生了 3 356起城市燃氣事故，燃氣事故頻繁發生，造成了大量的人員傷亡和經濟損失，引發了社會各界對城市燃氣管網安全問題的高度關注[3]。

在眾多影響燃氣管道安全運行的因素中，腐蝕是引起埋地燃氣管道破壞和失效的主要原因之一[4]。據相關資料調查統計顯示，由腐蝕引起的事故占管道安全事故的40%。對于城市燃氣管網來說，主要面臨的風險來自于管道的外腐蝕。而影響管道外腐蝕風險的因素眾多，如土壤特性、外防腐層、陰極保護及雜散電流干擾等。對于影響管道外腐蝕的關鍵因素，有不少學者進行了相關研究。趙秀雯[5]指出，影響管道外腐蝕的因素主要來自土壤性質、防腐層狀況、陰極保護情況、雜散電流情況等五方面。云中雁[6]根據現場檢測數據和已有的管道基礎資料，確定影響埋地燃氣管道腐蝕的因素主要包括：涂層種類及材料、搶修次數、電流干擾、使用年限、陰極檢測頻率、防腐層狀況、土壤腐蝕性、土壤pH、雜散電流、陰極保護等十個因素。在影響埋地管道外腐蝕風險的諸多因素中，什么是導致北京燃氣管道頻繁泄漏的關鍵因素？目前尚未開展過相關調查和研究，為了給北京燃氣安全管理提供參考和借鑒，對北京燃氣管網2014-2017年的外腐蝕泄漏事故數據進行了統計，分析了服役時間、防腐層類型、管道陰極保護狀況等因素與腐蝕泄漏次數之間的相關性，以期明確影響北京燃氣管道腐蝕的關鍵因素。

1 北京燃氣2014-2017年外腐蝕泄漏數據收集整理

收集整理了北京燃氣管網2014-2017年的腐蝕泄漏數據，并進行了數據清洗和電子化，剔除了無效的數據，對清洗過的數據進行了統計分析。結果表明，2014-2017年間，北京燃氣管道約發生了1 075次腐蝕泄漏，由表1可見，2016年發生的管道泄漏次數最多，近400起，2017年的最少，約200起。

表1 2014-2017年間發生的管道腐蝕泄漏次數Tab. 1 Number of pipeline corrosion leaks occurring from 2014 to 2017

2 腐蝕穿孔關鍵性因素分析

對整理好的數據進行統計學分析，分析服役時間、防腐蝕層類型、運行壓力、陰極保護效果等因素對管道腐蝕穿孔的影響。

2.1 服役時間的影響

服役時間是影響管道腐蝕的重要因素。隨著服役時間的延長，防腐蝕涂層的性能下降、犧牲陽極逐漸消耗，會對管道腐蝕造成嚴重影響。由圖1可見：當管道的服役時間為25 a時，管道失效泄漏最頻繁，最高可達54起；服役時間為12 a時的次之，約發生了32起腐蝕泄漏；管道在服役12～24年間，每年約發生18起失效事故，管道在其余服役年限的失效事故較少，約為10起。目前北京燃氣管道一般的設計壽命為30 a，25 a接近服役末期，腐蝕風險加大，大部分的整改大修措施是針對服役25 a以上的管道開展的，大修整改后，管道的泄漏頻次下降。

圖1 2014-2017年間，北京燃氣管道腐蝕泄漏事故隨服役時間的分布圖Fig. 1 Distribution map of Beijing gas pipeline corrosion leakage accidents with service time from 2014 to 2017

2.2 管道壓力等級的影響

由表2可見：管道壓力等級不同，其泄漏情況相差很大。低壓管道的泄漏事故最多，約745起，約占所有失效事故的75.4%；中壓管道的次之(196起)，次高壓及高壓管道的泄漏事故數較少，分別為18次和20次，占比都在2%左右。防腐蝕層質量較差，同時沒有施加有效的陰極保護，是導致低壓管道出現高頻泄漏的主要原因；中壓管道部分施加了陰極保護，而次高壓及高壓管道普遍施加了陰極保護，因此泄漏事故相對較少。

表2 2014-2017年間，不同壓力等級管道的泄漏事故統計結果Tab. 2 Statistical results of leakage accidents of pipelines with different pressure levels from 2014 to 2017

2.3 防腐蝕層的影響

目前，北京燃氣管道常用防腐蝕層有瀝青類、3PE、膠帶類以及環氧粉末等。瀝青類防腐蝕層成本較低，施工過程不會對環境造成破壞，但其抗沖擊性能比較差；膠帶類防腐蝕層操作簡單，成本低廉，但易形成防腐蝕層剝離；3PE是比較完善的防腐蝕結構，擁有優良的防腐蝕性能和力學性能，但其成本相對較高。

由表3可見：采用瀝青防腐蝕層管道的失效事故最多，為709起，約占總失效事故的84.51%；其次是膠帶和3PE類防腐蝕層管道的，失效次數分別為78起和36起；環氧粉末/煤焦油磁漆防腐蝕層管道的失效事故最少(16起)，約占1.91%。瀝青類防腐蝕層出現較早，并且絕緣性能較差，因此對管道的保護效果較差；3PE防腐蝕層的防護性能較好，因此對管道的保護作用更強。

表3 2014-2017年間，不同防腐蝕層管道的泄漏事故統計結果Tab. 3 Statistical results of leakage accidents of pipelines with different anticorrosion layers from 2014 to 2017

2.4 陰極保護的影響

陰極保護是土壤環境中用于防止金屬管道腐蝕的重要技術，目前，北京燃氣埋地管網中，高壓管道普遍采用陰極保護，部分中壓管道采取陰極保護，但大部分低壓管道沒有采取陰極保護。由表4可見：沒有施加陰極保護的管道發生了817起失效事故，占總失效事故的95%；而施加陰極保護的管道僅發生36起失效事故，占比不到5%。這表明，陰極保護對管道防護效果顯著。

表4 2014-2017年間， 有無陰保管道的泄漏事故統計結果Tab. 4 Statistical results of leakage accidents of CP pipelines from 2014 to 2017

對于已施加陰極保護的管道來說，管地電位是反映管道陰極保護效果的一個重要參數。由圖2可見：當管地電位正于-0.85 V(相對于銅/硫酸銅參比電極，下同)時，管道失效所占比例高達93.85%；其次是管地電位負于-1.2 V情況下的，所占比例約為3.01%；而管地電位為-1.2～0.95 V和-0.95～-0.85 V時，較少發生失效事故，這說明有效的陰極保護對于抑制燃氣管道外腐蝕泄漏效果顯著。此外，欠保護(電位正于-0.85 V)條件下，管道的腐蝕泄漏風險大幅增加；過保護情況下(電位負于-1.2 V)，若交流干擾很大時，管道外腐蝕泄漏風險也較高。

3 結論

(1) 管道服役時間、防腐層類型、有無陰極保護及保護效果是影響燃氣管道腐蝕的關鍵因素；

(2) 服役25 a和12 a時，管道腐蝕泄漏事故頻發；

(3) 瀝青類防腐蝕層的防護效果最差，3PE防腐蝕層的防護效果最好；

(4) 低壓管道發生腐蝕泄漏次數最多，其次是中壓管道的，泄漏事故最少的是高壓管道；

(5) 無陰極保護及陰保不足的管道腐蝕泄漏頻繁發生，施加有效陰極保護的管道泄漏很少。