社区燃气管道腐蚀热点现场测试与特征识别浅析

刘 敏，高观玲，王拓明，冯志永

(北京市燃气集团有限责任公司，北京 100035)

0 前 言

近年来，天然气作为一种优质、清洁的能源在城镇区域普及范围越来越广，埋地燃气管网作为城市的生命线已经分布于城镇的各个社区[1，2]。随着城市燃气管网服役时间的延长及城市地下环境的日益复杂，埋地燃气管网的泄漏事件频繁发生[3-5]。据相关统计发现腐蚀泄漏点并不是均匀分布的，有些社区燃气管网腐蚀漏气密度很高，最高每平方公里发生60 余次漏气，而有些社区运行多年未发生一起漏气事故，即燃气管道存在一些高频泄漏的腐蚀热点位置，因此，有效识别社区燃气管道腐蚀热点区域，对于保障燃气管道的安全运行至关重要。

国内外学者对埋地管道腐蚀领域开展了相关研究。Martinez 等[6]利用智能杂散电流检测仪(SCM)测试管中电流，同步监测管道沿线的管地电位、地电位梯度和探针电流，对比分析了杂散电流的干扰情况以及管道的腐蚀风险。李清等[7]先通过记录不同时段用户的用气规律，得到用户瞬时流量及正常情况下流量变化速率的取值范围及变化规律，然后选取3.5，5.5，7.5，10.0 mm 泄漏孔径进行现场试验，验证了装置设置的准确性，实现了流量监测、泄漏识别、报警远传、自动关阀等功能。赵承等[8]为了明确杭州某小区埋地燃气管道腐蚀原因，检测了该段管道管地电位、通电电位、断电电位、通断电电位数据变化对比以及地电位梯度等数据，并进行了分析，初步判断该段管道腐蚀主要是受地铁杂散电流影响，并据此提出了整改措施:在全面修复防腐层破损点的同时，拟通过在电流流入阳极处增加极性排流装置以阻止地铁杂散电流的流入，其次在电流流出区加装牺牲阳极进行排流。仉洪云等[9]介绍了杂散电流的产生、类型、腐蚀作用机理及检测方法，并根据北京市城市轨道交通发展现状，选取地铁附近燃气管段，进行某点的埋地钢质燃气管道杂散电流干扰调查和测试，并提出了从控制杂散电流形成、排流防护措施及日常维护3 个方面进行防护。Tian 等[10]针对天然气管道的泄漏问题提出了一种基于扩展卡尔曼滤波器(EKF)的天然气管道小泄漏检测和定位方法，将该方法应用于模拟及实验室案例，结果表明，该方法对管道小泄漏敏感，泄漏率和位置估计准确，但是该算法仅适用于长直管道，并不适用于复杂管线的燃气管网。以上研究主要是针对燃气管道泄漏检测、管道腐蚀原因及相关的管线防护措施展开的研究，上述研究并不能有效判断和缓解社区燃气管道高腐蚀区域的泄露频次问题，并且目前国内外尚未对社区燃气管道腐蚀热点有效识别方法开展深入研究。

本工作通过现场测试与试验对A、B、C 3 个社区燃气管道腐蚀热点特征识别方法进行研究。A 社区低压主管道为聚乙烯(PE)管道，每个楼的楼前低压管道为钢管，于2004 年开始运行，埋设深度为1 m，管径为DN100 mm，防腐涂层为沥青，未施加阴极保护；B 社区为低压管道，管道为钢管，于2008 年开始运行，埋设深度为1 m，管径为DN50 mm，防腐涂层为沥青，未施加阴极保护；C 社区为中压钢质管道，于2000 年开始运行，埋设深度为1 m，管径为DN100 mm，防腐涂层为沥青，未施加阴极保护。近年来，上述社区多次发生腐蚀泄漏事故，严重威胁了社区燃气管道的安全运行。为明确社区燃气管道腐蚀热点特征识别方法，开展了社区燃气管道现场测试与管道腐蚀试验。

1 现场测试与试验方法

为明确社区燃气管道腐蚀热点特征识别方法，在现场测试了管道的通电电位、断电电位、自腐蚀电位、电流密度、地电位梯度、试片电流密度以及土壤电阻率等参数，并进行了腐蚀检查片的埋设试验和现场电连接性测试试验。测量方法均参照GB/T 21246-2007“埋地钢制管道阴极保护参数测量方法”。

1.1 试片通电电位、断电电位和自腐蚀电位测试

如图1 所示，将试片埋入测试点附近土壤中，试片埋地面积为1 cm2，试片表面与土壤压实，良好接触；在与埋地燃气管道存在电连接的地上金属结构物如引入口处连接一根导线，引至试片附近并与试片电连接；将FLUCK 289 高阻抗电压表调至直流电位档，黑表笔接便携式饱和硫酸铜(CSE)参比电极，红表笔接试片线，读取数据即为试片通电电位。然后将管道引入口导线与试片导线断开连接，断开瞬间迅速读取电位数据，即为试片断电电位。

图1 试片通、断电电位测试示意图Fig.1 Test diagram of on/off potential of test piece

采用高阻抗电压表测试自腐蚀试片的电位，将便携式饱和硫酸铜参比电极插在自腐蚀试片附近，在参比电极与土壤接触的部分浇适量水，使其与土壤充分接触，然后将高阻抗电压表的黑表笔连接饱和硫酸铜参比电极，红表笔连接自腐蚀试片，读取高阻抗电压表数据，即可获得自腐蚀电位。

1.2 管道稳态直流电流密度测试

(1)方法一 测量方法参照GB/T 21246-2007“埋地钢制管道阴极保护参数测量方法”。如图2 所示，在管道旁埋设模拟防腐层破损点的腐蚀检查片，极化检查片与管道在测试桩内进行电连接，利用电流表测量试片与管道之间的电流大小和方向，其中红表笔连接管道端，黑表笔接试片。

图2 电流密度测试示意图Fig.2 Test diagram of current density

(2)方法二 如图3 所示，在埋地面积为1 cm2的试片与引入口导线之间串联一个10 Ω 的定值电阻，将万用表调至电位档，红表笔接电阻靠近引入口导线侧位置，黑表笔接电阻靠近试片侧位置，测试定值电阻两端的电压，记录带有符号的电压读数；用电压值除以电阻阻值10 Ω 即可获得电流，用电流值除以试片面积获得电流密度。

图3 电流密度测试示意图Fig.3 Test diagram of current density

1.3 管道地电位梯度测试

地电位梯度测试如图4 所示。地电位梯度主要分为地表垂直地电位梯度和近试片地电位梯度。利用垂直管道放置的2 支参比电极，对管道正上方地表垂直地电位梯度进行测量。

图4 地电位梯度测试示意图Fig.4 Test diagram of ground potential gradient

1.4 现场土壤理化测试

(1)管道土壤电阻率测试 如图5 所示，使用ZC-8 型土壤电阻率测量仪，运用Wenner 等距四极法在现场测量管道埋深处的土壤电阻率ρ。图5 中ρ为土壤电阻率，a为电极间的距离，R为实测土壤电阻。

图5 土壤电阻率测试示意图Fig.5 Test diagram of soil resistivity

(2)土壤含盐量及氯离子含量测试 土壤含盐量按照LY/T 1251-1999[11]进行测量，氯离子含量按照NY/T 1121.17-2006[12]进行测量。

1.5 腐蚀检查片埋设试验与参数测试

(1)腐蚀检查片现场埋设试验 在该社区泄漏管段现场埋设了腐蚀检查片，腐蚀检查片用来模拟管道防腐层泄漏点，腐蚀检查片分为自腐蚀检查片和极化检查片2 种，其中自腐蚀检查片不与埋地管道相连，用来反映该管道附近土壤环境的腐蚀情况；极化检查片与管道相连，用来反映管道腐蚀情况。

(2)检查片腐蚀速率测试 在埋设检查片前通过分析天平获得检查片的初始质量，待埋设534 d 后取出，并在实验室进行处理，实验室处理主要包括物理清洗和化学清洗。物理清洗主要是用水清除检查片表面的泥土和沙子，即在超声波清洗机中震荡5 min 左右，将泥土和沙子清洗干净；化学清洗主要是用酸洗液(500 mL 盐酸，3.5 g 六次甲基四胺，500 mL 蒸馏水)清除腐蚀锈层，便于观察检查片的腐蚀形貌。酸洗后通过分析天平对腐蚀后的检查片再次称重，获得腐蚀后的检查片质量，进而计算失重，并利用式(1)计算腐蚀速率:

式中，v为腐蚀速率，mm/a；W0为试片初始质量，g；W为腐蚀后试片质量，g；S为试片工作面积，cm2；t为试验时间，h；ρ为试片密度，g/cm3。

(3)极化检查片腐蚀产物测试 将埋设534 d 的极化检查片取回实验室，收集检查片的腐蚀产物，采用Smart Lab XRD 型X 射线衍射仪(XRD)对腐蚀产物进行检测分析，电压设置为45 kV，电流设置为200 mA，Cu Kα 射线，辐射角范围为10° ～90°，扫描速率为2(°)/min。

1.6 电连接性测试

采用固定CSE 参比电极的电位法对该社区的燃气管道与周围钢质结构进行电连接性测试。将饱和硫酸铜参比电极保持在同一位置，利用高阻抗电压表测量管地电位E管地和其他钢质结构电位E结构物地，对比E管地和E结构物地的大小及变化情况，进而判断二者是否存在电连接。

2 结果与分析

2.1 地表参数测试结果

A、B、C 3 个社区燃气管道地表参数测试结果如表1 所示。由表1 可知，在社区腐蚀热点区域管地电位明显偏正，且与断电电位正向偏移量均大于50 mV，表示有电流稳定流出。

表1 3 个社区的燃气管道地表参数测试结果Table 1 Surface parameter test results of gas pipelines in three communities

2.2 A 社区管道腐蚀检查片测试结果

利用数据记录仪对A 社区极化检查片进行了24 h监测，监测结果如图6 所示。由图6 可知，有电流从管道稳定流出。

图6 极化检查片流出的电流密度Fig.6 Current density flowing from polarization inspection coupon

观察腐蚀检查片埋地534 d 后的宏观形貌，发现刚从土壤中取出的自腐蚀检查片的表面具有少量的泥土，观察自腐蚀检查片酸洗后的宏观形貌，发现自腐蚀检查片发生的腐蚀较为均匀，腐蚀面较为光滑平整，腐蚀轻微；观察刚从土壤中取出的极化检查片的宏观形貌，发现其表面有少量泥土，且腐蚀情况相对严重；观察极化检查片酸洗后的宏观形貌，发现极化检查片表面有凹凸不平的腐蚀坑，腐蚀相对严重。比较自腐蚀检查片和极化检查片的宏观形貌可知，极化检查片发生的腐蚀比自腐蚀检查片严重，主要是由于社区燃气管道与极化检查片连接到一起，可能受到了周围杂散电流的干扰，加速了腐蚀。

为了更好地分析该社区燃气管道的腐蚀情况，对极化检查片的腐蚀产物进行XRD 分析，结果如图7 所示，图7 显示其主要成分是Fe3O4、SiO2和Fe2MgO4，其中SiO2主要来自于极化检查片表面的泥土。

图7 A 社区燃气管道极化检查片腐蚀产物XRD 谱Fig.7 XRD spectra of corrosion products from polarization inspection coupon of gas pipeline in community A

腐蚀检查片的失重试验数据如表2 所示。由表2可知，与管道相连接的极化检查片的腐蚀速率比自腐蚀检查片大1 个数量级，其较高的腐蚀速率与稳定流出的电流密度密切相关。

表2 腐蚀检查片失重试验结果Table 2 Weight loss testresults of corrosion inspection coupon

2.3 A 社区燃气管道与钢结构物电连接性测试

A 社区燃气管道与周围钢结构物地理位置见图8。对燃气管道与周围楼房、电力设施等钢结构物进行电连接性测试，测试结果见表3。由表3 可以看出，与其他钢质结构物相比，管道和电力设施电位偏正且大小相同，说明二者存在电连接；另外管道与周围楼房电位大小也相同，说明二者也存在电连接。

表3 管道和钢结构物电连接性测试值Table 3 Test values of electrical connectivity of pipelines and steel structures

图8 A 社区燃气管道与周围钢结构物地理位置Fig.8 Geographic location of gas pipeline and surrounding steel structure in community A

3 社区燃气管道腐蚀原因及特征分析

社区燃气管道腐蚀有以下特征:第一，管地电位明显偏正，且与断电电位正向偏移量大于50 mV；第二，A社区管道极化试片的管地电位为-0.336 V，其流出直流电流密度为0.5692 A/m2，具有稳定的电流流出，且流出电流密度较大；第三，一般通电电位正于断电电位，有电流稳定流出；第四，由于A 社区附近电力设施接地和楼房接地相连，管道和接地相连，造成电力设施接地与管道相连，由于电力设施接地电位较正，其数值为-0.177V(vs CSE)，造成了管道加速腐蚀。

为了进一步验证A 社区管道腐蚀特征，从A 社区现场取回土壤样品(土壤电阻率为23.80 Ω·m)，以碳钢为试样在实验室测试了极化曲线，结果如图9 所示。由图9 可知，当电位在-0.336 V 左右时，其对应的流出电流密度较大，其腐蚀情况也相对较为严重，因此在社区管道腐蚀热点区域往往具有管地电位明显偏正及有电流稳定流出等特征。

图9 极化曲线Fig.9 Polarization curve

4 结 论

通过对A、B、C 3 个社区燃气管道进行现场测试与试验，分析了社区燃气管道腐蚀热点特征，得出以下结论:

(1)经现场测试发现，腐蚀热点区域的管地电位一般明显偏正，且与断电电位正向偏移量均大于50 mV，有电流稳定流出；且土壤电阻率相对较小。

(2)在处理A 社区现场腐蚀检查片时发现，自腐蚀检查片的腐蚀轻微，而极化检查片腐蚀严重，出现了凹凸不平的腐蚀坑；失重法计算得到与管道相连的极化检查片的腐蚀速率为0.403 1 mm/a，比自腐蚀检查片大1 个数量级。极化检查片的腐蚀产物的主要成分是Fe3O4、SiO2和Fe2MgO4，其中SiO2主要来自于极化检查片表面的泥土。

(3)A 社区现场电连接性测试表明，该区域燃气管道与电力设施、周围楼房等钢结构物电位变化一致，表明存在电连接，易形成电偶腐蚀，管道作为阳极，直流电流从管道流出，电位正移，腐蚀速率大幅增加。