公用燃氣鋼質管道在定期檢驗過程中的腐蝕檢測

蔡宇

摘要：隨著城市化和農村現代化的發展，天然氣已普遍入戶，隨之帶來的燃氣管道安全問題也日益突出。為保證燃氣管道的安全運行，管道的定期檢驗成為遏制事故的安全閥。因此，本文從管道腐蝕機理入手，分析定期檢驗過程中管道內腐蝕和外腐蝕，通過非開挖和開挖兩種檢測手段，舉例說明檢測中的腐蝕狀況，并計算管道的壁厚及應力情況，以此來提高對燃氣管道防腐的重視。

關鍵詞：燃氣管道 鋼管 定期檢驗 管道腐蝕

1.城鎮燃氣管道現狀

隨著國民經濟的快速發展和消費者的環保意識增強，人們對清潔能源（如天然氣）的需求會不斷上漲。天然氣已然成為城市生產生活離不開的能源。目前，城鎮用氣的主要輸送方式為管道輸送，城鎮燃氣管網設施的建設成為了城鎮生存和發展的必要保障和重要基礎設施。

近些年來，聚乙烯類管道已經大量用于城鎮燃氣管道鋪設（本文中燃氣管道指特種設備目錄中公用管道中燃氣管道-管道代碼8210），但受環境和工藝限制，鋼制管道仍大量應用于城鎮燃氣管道中。由此可見，提高管道防腐能力，增強管道檢驗技術，預防管道腐蝕是非常重要的。

管道腐蝕會使壁厚急劇減少，不僅制約天然氣集輸能力的提高，還導致維修改造費用增大，且由電化學腐蝕引起的局部腐蝕會使管道出現密集性腐坑，造成應力集中開裂或是直接腐蝕穿孔。天然氣具有易燃易爆特性，一旦管道泄漏就可能引起火災及爆炸事故，可能產生巨大的財產損失和人員傷亡。例如，6·13十堰燃氣爆炸事故，25人死亡，138人受傷;10·21沈陽燃氣爆炸事故，4人死亡，47人受傷。因此，在定期檢驗過程中分析、發現和預防燃氣管道腐蝕這一重要損傷模式是非常必要的。

2.常見燃氣管道的腐蝕類型及機理

城鎮燃氣管道常見的有內腐蝕和外腐蝕，內腐蝕是由管內介質等引起的管道內部腐蝕，外腐蝕則是由管道鋪設環境所引起的管道外壁腐蝕[1-2]。

城鎮燃氣管道一般采用埋地和架空兩種方式。埋地，是城市燃氣管道使用最多也最方便的鋪設方式。不同地區的土壤電阻率、酸度的差異造成燃氣管道在不同地區的抗腐蝕性有所差別，所以在日常的檢測中，要重點關注那些腐蝕性強的地方。

2.1內腐蝕

內腐蝕為電化學腐蝕，機理是管道內的凝結水在管道內壁形成親水膜，可與鋼質管道構成原電池，從而造成原電池腐蝕[3]。不僅是水，輸送的燃氣中含有硫化氫、二氧化碳等均能和金屬起作用，引起化學腐蝕。隨著脫硫、脫碳技術的發展，目前使用的凈化天然氣嚴格控制了硫化氫、二氧化碳、水等含量，并且成熟的燃氣用管材、管件制造工藝及設計、安裝工藝使得內腐蝕的強度大大減小。因此，目前燃氣管道的定期檢驗主要考察管道的外腐蝕。

2.2外腐蝕

燃氣管道的外腐蝕分為兩種：化學腐蝕和電化學腐蝕[4]。化學腐蝕通常是全面性的腐蝕，對一定長度的管道的管壁均造成腐蝕，所以其管厚呈一定程度的均勻減薄。電化學腐蝕主要通過原電池機理，會集中腐蝕管道的某一特定的點或縫，從而在管道上形成腐蝕坑或者裂縫，嚴重的可能會造成管道穿孔、大面積的應力集中開裂等情況。除此之外，雜散電流和土壤微生物也會對燃氣管道外壁形成不同程度的腐蝕。

2.3腐蝕原因

對埋地段管道而言，大氣對管道的腐蝕性很小，主要是土壤腐蝕。在沿河鋪設管道，則要考慮土壤中的高含水對管道的腐蝕;在農業區，則需要考慮在化肥使用下的土壤的酸度對管道的腐蝕，同時農業區土壤微生物也是造成管道腐蝕的重要因素;在電車、電氣化鐵路或者具有接地回路的輸配電系統周圍存在的雜散電流會流經管道，從而造成腐蝕;在南方常年溫度較高地區，也要注意溫度對腐蝕速率的影響。

3.腐蝕檢測方法及防腐措施

3.1檢測過程

通過酸度計、土壤電阻率、管道外防腐檢測儀、涂層測厚儀等設備，對影響管道腐蝕的因素和保護管道腐蝕的方法、設施進行檢測，并通關科學的計算得出結論及預防或整改修復措施。本文主要介紹非開挖檢測和開挖檢測，以及相應的評價。

3.1.1非開挖檢測

使用電位梯度法檢測儀器對全管線段外防腐進行檢測評估，同時找到防腐層存在破損的位置[5]。表1為某地鋼質燃氣管道非開挖檢測結果。

由表1可知，此段管線的防腐綜合等級為4級，其外防腐層失效較為嚴重且存在多處破損。

3.1.2開挖檢測

在檢測為外防腐層破損的位置開挖探坑，發現管道外防腐層出現嚴重麻面及鼓泡，且有明細破損痕跡，破開防腐后實測壁厚為2.50～2.36mm，并有大量腐蝕坑 。

圖1為防腐層老化失效，管道壁出現局部腐蝕的腐蝕坑，長度為40mm，最大腐蝕坑深度為1.8mm，腐蝕位置測量最小壁厚為2.38mm。圖2為防腐層破損處，管道壁出現局部腐蝕的腐蝕坑，長度為60mm，最大腐蝕坑深度為1.8mm，腐蝕位置測量最小壁厚為2.36mm。圖3為局部腐蝕造成的腐蝕穿孔。

由此可知，其埋地環境較為潮濕，土壤含水較多，且其防腐層出現明顯破損，使得外界環境直接作用于鋼質管道上，從而造成管道腐蝕，形成腐蝕坑乃至腐蝕穿孔。這些腐蝕現象均是由外腐蝕所引起的。

3.1.3最小壁厚計算

為進一步確定管道損傷情況和判斷管道的檢驗周期，需要對管道的最小壁厚進行計算。公式如下：

其中， 為計算壁厚; 為焊縫系數; 為鋼管最低屈服強度;P為工作壓力;D為管道外徑;F為強度設計系數;t為溫度折減系數。

由上述公式，計算壁厚為0.66mm。

3.1.4應力計算

應力按如下公式計算[6]：

其中， 為為內壓引起的環向應力;P為管道壓力;d為管道內徑; 為管道公稱壁厚。

其中， 為由內壓和溫度引起的軸向應力; 為鋼材線膨脹系數;E為彈性模量;t1為管道安裝閉合時的環境溫度;t2為管道工作溫度;? 為泊松比。

當 為負時，按最大剪應力強度理? 論計算當量應力，應滿足如下要求：

最終計算可得：校核強度為220.50MPa;軸向應力為3.53MPa;環向應力為11.76MPa;當量應力為15.29MPa。

3.1.5剩余強度計算

其中，PF為剩余強度;D為管道直徑;t為管道壁厚;d為缺陷深度; 為流變應力;M為Folias膨脹系數;L為缺陷長度。

膨脹系數按如下公式計算：

管道的最大允許工作壓力為：

其中，K為設計系數。

管道運行壓力不得超過最大允許工作壓力8.02MPa

3.1.6剩余壽命計算

為確認管道腐蝕狀況，通過下列公式計算管道剩余壽命[7]：

其中，RL為剩余壽命，單位為年;C為校正系數，取0.85;t為名義壁厚，單位為mm;GR為腐蝕速率，單位為mm/年;MAOP 為管段許用壓力，單位為MPa。

其中， 為屈服強度，單位為MPa; 為許用應力，單位為MPa;D為管道外徑，單位為mm。

其中，d為缺陷深度; 為流變應力;M為Folias膨脹系數;L為缺陷長度。

最終計算其剩余壽命為5.23年。

3.2防腐措施

3.2.1內防腐措施

對于內腐蝕而言，目前采用凈化天然氣可大大減小內腐蝕，其重點在于源頭控制，減少燃氣的含水量和二氧化碳含量等，很少外加防腐措施。

3.2.2外防腐措施

（1）外加防腐層，常用瀝青和3PE作為防腐外層，以此形成保護層，阻止鋼質管道直接與土壤、空氣接觸[8-9]。

（2）采用電保護法，如陰極保護或犧牲陽極保護。城鎮燃氣管道一般多采用犧牲陽極保護法。

（3）使用新材料，采用新型不易被腐蝕的材料作為管材或是防腐涂層，以此來增加管道的防腐能力。

4結語

燃氣管道的內、外腐蝕是造成燃氣泄漏和安全事故的主要因素，且外腐蝕的影響更大也更明顯。外腐蝕是一個緩慢的過程，其主要發生在防腐層破裂的地方。防腐層破裂后，鋼質管道上發生的化學和電化學反應使管道進一步損壞，在鋼質表面形成腐蝕坑甚至穿孔，從而導致燃氣泄漏，造成安全事故。

在檢驗過程中，對管道進行的專項檢查能有效地發現管道腐蝕情況，評定管道的防腐等級，制定管道的檢驗周期。但面對國內土壤環境、大氣環境、防腐措施的巨大差異，燃氣安全問題仍需更加重視。

參考文獻

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