從檢查片的腐蝕談燃氣管道的陰極保護作用

郭小強 成琳琳 李茜璐

（西南油氣田分公司集輸工程技術(shù)研究所，四川 成都 610200）

0 引言

城鎮(zhèn)燃氣埋地鋼制管道由于腐蝕容易導(dǎo)致泄漏甚至引發(fā)爆炸，造成巨大的經(jīng)濟損失和人員傷害。為防止腐蝕，在城鎮(zhèn)燃氣管道的設(shè)計和建設(shè)初期，埋地鋼質(zhì)管道防腐保護措施主要是在管道外壁涂敷防腐涂層[1]。陰極保護技術(shù)在我國長輸管道上的應(yīng)用較廣, 對保障管道長期安全平穩(wěn)運行起到了極其重要的作用，但是在燃氣管道上應(yīng)用相對較少。近年來，各大燃氣公司陸續(xù)開展了對城鎮(zhèn)燃氣埋地鋼質(zhì)管道的陰極保護追加工作。由于對陰極保護在復(fù)雜的燃氣管道中的效果不太了解，加之城市中開挖建設(shè)困難，造成陰極保護的推廣存在一定困難。本文通過陰極保護的原理介紹和檢查片的腐蝕分析，可指導(dǎo)陰極保護在城鎮(zhèn)燃氣管道上的推廣應(yīng)用。

1 陰極保護技術(shù)原理

當管道不同部位存在電位差，電位負的部位失去電子，此處就受到腐蝕，陰極保護是人為地為金屬提供多余電子，消除電位差后，腐蝕也就停止。陰極保護方法分為犧牲陽極陰極保護和強制電流陰極保護[2]。

犧牲陽極陰極保護在管道外壁用導(dǎo)線連接金屬材料，該金屬材料即為犧牲陽極，通常為鎂和鋅，其相對于管道的金屬更加活躍，管道金屬能夠與附著金屬通過土壤電解質(zhì)的作用形成原電池，這種負電位的活潑金屬在所構(gòu)成的電化學電池中為陽極而優(yōu)先腐蝕，釋放出的電子使被保護金屬即管道陰極極化到所需電位范圍。強制電流陰極保護則利用外部電源對被保護管道施加一定的負電流，由整流器-導(dǎo)線-鋼管-土壤-輔助陽極-導(dǎo)線-整流器構(gòu)成了一個完整的電流回路，使被保護金屬的電極電位通過陰極極化達到規(guī)定的保護電位范圍。兩種方法都是通過消除電位差從而抑阻腐蝕使管道獲得保護。

2 檢查片現(xiàn)場腐蝕試驗

2.1 試驗方案

在成都某天然氣公司選擇6處檢查片埋設(shè)點，管道材質(zhì)均為20#鋼，采用三層PE防腐層。每處埋設(shè)點安裝6支檢查片，其中3支為電流保護片，3支為自然腐蝕片，總計安裝36支檢查片。根據(jù)《埋地鋼質(zhì)檢查片應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》，確定檢查片的裸露面積確定為6.5cm2，材質(zhì)為20#鋼。埋設(shè)一年后取出埋設(shè)坑中的鋼制檢查片，經(jīng)過清洗、酸洗、電鏡掃描等步驟后，對鋼制檢查片進行稱重分析及相關(guān)檢測。

2.2 結(jié)果和討論

2.2.1 試驗管段的陰極保護效果

采用EPIPHOT200型電子分析天平對腐蝕前后的碳鋼檢查片進行質(zhì)量測試。實驗結(jié)果顯示，電流保護片平均腐蝕速率為0.0166g/（m2.h），自然腐蝕片平均腐蝕速率為0.1062g/（m2.h），陰極保護片腐蝕速率明顯低于自然腐蝕片。每處埋設(shè)點的陰極保護系統(tǒng)平均保護度在81.29%～91.20%，基本滿足《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》規(guī)定的管道線路陰極保護系統(tǒng)的保護度宜大于85%的要求。

2.2.2 腐蝕形貌和能譜分析

分別采用EPIPHOT200型金相顯微鏡分別在200倍和500倍下對腐蝕前后的檢查片進行金相測試，采用捷克TESCAN公司的VEGA 3SBU型掃描電子顯微鏡對檢查片表面微觀形貌進行檢測。腐蝕前鐵素體被黑色晶界分割為塊狀的晶粒，在500倍和5000倍下均可以看到珠光體組織內(nèi)部有黑白交替的條紋，這是20#碳鋼的典型金相組織形貌。所有試樣未發(fā)現(xiàn)組織偏析、夾雜、裂紋、氧化等缺陷。腐蝕后的電流保護片在500倍下整體基本處于一個平面，觀察到的腐蝕產(chǎn)物很少，5000倍下仍隱約可見20#鋼的顯微組織，說明其腐蝕程度較弱，而自然腐蝕片在金相顯微鏡下呈現(xiàn)凹凸不平的形貌，可以觀察到大量的腐蝕產(chǎn)物，5000倍下只能觀察到不規(guī)則的腐蝕產(chǎn)物，看不到明顯的組織形貌，說明其腐蝕程度很嚴重。

用BRUKER能譜系統(tǒng)對腐蝕后檢查片在選中區(qū)域進行掃描，分析表面元素。能譜儀的定量分析因其方法特性的限制，在低當量元素分析時會有加大的誤差，而且原子量越小，給出的定量結(jié)果相對誤差越大。元素周期表中原子量大于氧的元素，其定量才比較準確。能譜圖中可以看出，電流保護片其Fe的峰較強，而自然腐蝕片由于發(fā)生腐蝕而引入了其他元素，使Fe峰減弱，說明處于電流保護片受保護程度較高，檢查片腐蝕不嚴重，自然腐蝕片腐蝕程度嚴重。

2.2.3 X射線衍射

埋設(shè)前對2支備用檢查片采用德國布魯克AXE公司的Bruker/D2 PHASER型X射線衍射儀對其表面進行物相定性分析。 測試結(jié)果中只發(fā)現(xiàn)代表Fe的特征峰，這表明試樣未被氧化、腐蝕。腐蝕試驗后，電流保護片測試結(jié)果中只發(fā)現(xiàn)代表Fe的特征峰，這表明試樣被氧化、腐蝕地不嚴重；而自然腐蝕片測試結(jié)果中發(fā)現(xiàn)了代表Fe+3O（OH）和Fe1.375（PO4）（OH）的特征峰，表明試樣被氧化、腐蝕的嚴重。常溫下，20#碳鋼中的碳元素全以Fe3C形式存在，其含量約為0.25%，因此XRD無法測出。

2.2.4 鋼制檢查片樣本計算差異分析

部分試驗點中兩種檢查片腐蝕速率相差不大，產(chǎn)生的原因如下：（1）某埋設(shè)點的檢查片受到了坑內(nèi)積水的腐蝕，加之周邊存在高壓線，導(dǎo)致電流保護片由于受到雜散電流影響造成該埋設(shè)點電流保護片的腐蝕速率略小于自然腐蝕片[4]；（2）某埋設(shè)點管道處于成都地鐵上方，地鐵運行時，在同一部位的管地電位隨時間交替變化，部分時間出現(xiàn)電位相對于環(huán)境為正的情況，此時，管道會遭受腐蝕。地鐵停運時，陰極保護電位正常，管道處于有效的陰極保護。總體來看，地鐵雜散電流造成一定程度的電流保護片腐蝕加速，使兩種保護片的腐蝕速率差距減小。

3 結(jié)語

通過陰極保護的原理分析和腐蝕試驗可知，陰極保護對城鎮(zhèn)燃氣埋地鋼質(zhì)管道起到了重要的保護作用，漏點處的腐蝕速率明顯下降，受雜散電流干擾段可增加排流措施強化保護效果。雖然增加陰極保護需要投入一定的成本，但可以避免天然氣泄漏造成的經(jīng)濟損失和人身傷亡。不管從國家標準的規(guī)定還是從經(jīng)濟社會效益出發(fā)，都應(yīng)當也有必要對燃氣管道增加相應(yīng)的陰極保護。