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是什么引起居民小區低壓燃氣管道頻繁發生腐蝕泄漏？

2022-03-30 11:44:53 作者：孫健民，田念佩等來源：腐蝕與防護分享至：

隨著城市建設的不斷發展，燃氣作為一種優質、高效、便捷、清潔的能源，其用量大幅增加，城市地下管網的規模也不斷擴大。但城市燃氣具有易燃、易爆的特點，容易發生泄漏事故，嚴重的可能會引起爆炸，威脅人身安全。因此，明確燃氣泄漏原因，并采取有效的檢測與防護措施，避免事故發生，對于保證城市燃氣管網的安全運行至關重要。

據相關資料調查統計顯示，由腐蝕引起的泄漏事故占管道總泄漏搶修事故的40％以上。影響腐蝕的因素有很多，如土壤腐蝕性、管道防腐蝕層狀況、陰極保護狀況及雜散電流干擾等。

某居民小區燃氣管道于2007年開始運行，為低壓燃氣管道，沒有施加陰極保護。近年來，小區管道發生了多次腐蝕泄漏事故，嚴重威脅到居民的人身安全。為查明腐蝕泄漏原因，技術人員在現場對失效管道的管地電位，流入、流出電流密度及土壤電阻率等參數進行了測試，并進行了腐蝕檢查片的埋設試驗和現場電連接性測試試驗。測量方法均參照GB/T 21246-2020《埋地鋼制管道陰極保護參數測量方法》。

土壤電阻率測試

使用土壤電阻率測量儀（ZC-8），采用Wenner等距四極法在現場測量了管道埋深處的平均土壤電阻率。每個接地棒之間的距離為2米，現場測試表明，管道埋設1米處的平均土壤電阻率為32 Ω·m，按照GB/T 21447標準，土壤的腐蝕性為中等。

管道管地電位測試

采用飽和硫酸銅參比電極（CSE）及數字萬用表對失效管段管地電位進行了測量。測得燃氣管道的管地電位為-0.39 V，同一環境中孤立的鋼鐵結構物的腐蝕電位約為-0.55~-0.60 V，埋地管道的腐蝕電位明顯正于孤立鋼鐵結構物。

腐蝕檢查片測試

在泄漏管段現場埋設腐蝕檢查片，以腐蝕檢查片來模擬埋地管道防腐層破損點。采用管道極化檢查片與自腐蝕檢查片，其中極化檢查片通過測試樁實現與待測管道的電連接，獲得腐蝕速率及檢查片通電電位、斷電電位與電流密度等參數；自腐蝕檢查片不和管道電連接，以獲得其在所處土壤環境中的自腐蝕速率。檢查片埋設時間為六個月，示意圖如圖1所示。

圖1 現場試驗示意圖

檢查片埋設前首先通過電子天平稱量，獲得原始質量；埋設6個月取出后，進行實驗室處理（包括物理清理和化學酸洗兩步）。物理清理主要是將檢查片表面沉積的泥土和沙子清除。檢查片在水中浸泡約10分鐘，用毛刷清除掉表面的土壤覆蓋層，觀察表面腐蝕產物顏色。酸洗按照ASTM G1-03標準進行，將拍照后的試樣放入特定酸洗液中酸洗，再用去離子水、酒精依次沖洗，吹干后再次記錄其腐蝕形貌并稱量，在此基礎上計算失重量與腐蝕速率。

測試得到腐蝕檢查片的通電電位為-0.39 V，斷電電位為-0.58 V，通電電位明顯正于其斷電電位，說明有電流從管道穩定流出；腐蝕檢查片的電流密度為負值，表明有電流從管道穩定流出，約為5.4 A/m2。該流出的直流電流加速了檢查片的腐蝕。

（a）剛從土壤取出（b）物理清洗后（c）化學酸洗后

圖2 自腐蝕檢查片的宏觀形貌

（a）剛從土壤取出（b）物理清洗后（c）化學酸洗后

圖3 與管道相連檢查片的宏觀形貌

由圖2和圖3可見：自腐蝕檢查片表面覆蓋土層；與管道相連的檢查片表面沉積著土和腐蝕產物的混合物，且牢固黏附在檢查片表面。在實驗室中物理清理后，自腐蝕檢查片表面較為平整，有少量沙土黏著。與管道相連檢查片表層沙土仍黏附在檢查片表面，裸露部分可見分布著均勻的黑色腐蝕產物層，邊緣處分布著黃褐色的銹層，這是典型的直流流出電解形貌。采用化學酸洗除去檢查片表面的腐蝕層，金屬基體顯露，自腐蝕檢查片表面腐蝕較為均勻，腐蝕面較為光滑平整，與管道相連的檢查片表面腐蝕很嚴重，出現凹凸不平的腐蝕坑。

自腐蝕檢查片的腐蝕速率為0.061 mm/a，與管道相連的極化檢查片的腐蝕速率為5.939 mm/a，約為自腐蝕檢查片的97倍，其較高的腐蝕速率與穩定流出的電流密切相關。

電連接測試

采用固定參比電極的電位法進行燃氣管道和其他鋼結構物如樓房接地、自來水管道等之間電連接性的測試，測量接線如圖4所示。燃氣管道和其他鋼結構物共用同一飽和硫酸銅參比電極，保持飽和硫酸銅參比電極位置不變，利用FLUCK289高阻抗電壓表測量管地電位和其他鋼質結構電位，并用UDL2高頻數據記錄儀進行電位記錄，根據管地電位和鋼質結構電位的大小及變化情況，判斷二者是否電連接。

圖4 電連接性測試示意圖

結果顯示：燃氣管道、建筑物接地、自來水管道、燈塔接地的電位分別為-0.39、-0.39、-0.48、-0.52 V。可見與其他鋼質結構物相比，管道和建筑物接地（接地地網）電位偏正，大小相同，說明二者存在電連接。由于鋼質燃氣管道原本電位負于接地網，二者的電連接會形成電偶腐蝕，其中低壓燃氣管道作為陽極，接地網作為陰極，電流由燃氣管道流出，導致陽極極化，電位正向偏移。

低壓燃氣管道的泄漏原因

及防護建議

管道腐蝕電位和模擬管道防腐層破損點檢查片的通電電位明顯偏正，通電電位正于斷電電位，電流密度測量表明有穩定的直流電流從檢查片流出，法拉第定律計算得腐蝕速率為6.294 mm/a，與實測腐蝕速率在相同的數量級。與管道相連極化檢查片表面分布著均勻的黑色腐蝕產物層，為典型的直流流出電解的形貌，其腐蝕速率為5.939 mm/a，與理論計算得到的腐蝕速率相對誤差為5.89%。其較高的腐蝕速率與穩定流出的電流密切相關。而引起電流流出的根本原因在于燃氣管道與建筑物接地之間存在電連接，形成電偶腐蝕，管道作為陽極，電位正向偏移，有穩定電流流出。由此可見，由于接地地網與燃氣管道存在電連接造成的電偶腐蝕是導致該小區管道失效的主要原因。

綜上可知，該燃氣管道失效原因主要是接地地網與燃氣管道存在電連接，造成電偶腐蝕。針對城市居民小區低壓燃氣管網高頻泄漏的普遍現狀，對防止此類腐蝕提出以下建議：

（1）在建設施工階段，燃氣管道和同區域的地下金屬構建應保持一定的距離，防止發生電連接。

（2）設置絕緣結構，采用絕緣法將埋地燃氣管道與樓房鋼筋、接地網等進行電隔離。

（3）對埋地低壓燃氣管道施加陰極保護，陰極保護可以有效抑制電偶腐蝕、雜散電流腐蝕及一般的土壤腐蝕問題。

（4）腐蝕主要發生在防腐層破損點處，應對防腐層破損點進行定期檢測與修復。

結論

（1）對泄漏低壓燃氣管道及相同材質孤立金屬結構物的電位測試結果表明，埋地燃氣管道的管地電位明顯正于同一環境中孤立的鋼鐵結構物，說明低壓燃氣管道發生了陽極極化，導致電位正向偏移。

（2）模擬管道防腐層破損點檢查片的通電電位明顯正于其斷電電位，流出直流電流密度為5.4 A/m2。

（3）與燃氣管道相連檢查片表面均勻分布著黑色的腐蝕產物，是典型的電流流出的電解腐蝕形態，腐蝕速率為5.939 mm/a，遠高于自腐蝕檢查片。

（4）燃氣管道與建筑物接地存在電連接，形成電偶腐蝕，管道電位正移，腐蝕速率大幅增加，電偶腐蝕是導致該小區管道失效的主要原因。

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