天然气管道穿越管涵套管的腐蚀和防护

廖增建，袁余辉

（1.重庆气矿邻水采输气作业区，四川邻水 638500；2.重庆气矿渝北运销部，重庆 401120）

0 引言

电化学腐蚀是一种常见的腐蚀现象，阴极保护是运用电化学反应对埋地金属采取的一种防护措施。阴极保护以及防腐蚀层联合保护都是是常见的腐蚀防护措施。阴极保护是系统工程，与多种外部因素紧密联系，对天然气管道穿越段腐蚀控制措施有十分重要的影响。

管道通常指钢制管道，用于穿越桥梁、道路等特殊地段。由于业主对地基有结构要求，为确保管道后续维护，通常在主管外增设套管。套管口径大于主管口径，为钢管材质，若缺乏绝缘相当于缺乏阴极保护。国内普遍采用绝缘措施，施工过程中采用石棉、水泥或者柔性密封材料填塞主管和套管之间的环状缝隙，防止渗入地下水，然而这种工艺很难实现主管和套管的绝对密封绝缘。在穿越铁路、公路、河流等部位需要架设套管管道，而这些地方发生腐蚀的情况相比其他地方严重的多，增加金属套管之后主管道很容易腐蚀，甚至出现穿孔。

根据天然气管理局对于所管辖管道的调查发现，近年来发现的较严重的腐蚀穿孔问题中，有40%出现于穿越管涵套管位置。由于涵套管穿越工程涉及多个专业，设计过程中往往没有综合分析多方面因素，进而影响整个阴极保护的有效性，也为后续使用埋下安全隐患，甚至给社会带来严重的经济损失。

1 天然气管线腐蚀影响因素分析

1.1 自然环境影响

由于天然气管线通常为浅埋方式，很容易受到土壤、水分、空气等自然环境影响，导致管线产生腐蚀，腐蚀形式主要包括细菌感染、电流腐蚀以及土壤腐蚀。由土壤构造导致的腐蚀为土壤腐蚀，是由胶质体、水分、空气中存在的固、液、气三种形式影响，配合多孔毛细结构的盐分，具有离子导电性能差的特点，加上土壤中含有多种物理和化学成分形成电化学反应而形成土壤腐蚀。

通常管道外的防腐蚀层能减轻管线腐蚀程度，需要采取较高质量的材料，做好管道外层防腐设计。我国一些成熟天然气管线采取阴极保护和防腐蚀覆盖层的双重保护措施，其中，外防腐层是关键。要确保天然气管道与防腐覆盖层紧密贴合，避免阴极剥离或出现阴极保护死区。一旦出现局部剥离，要及时调整电极保护参数，直到满足相应的天然气管线防腐蚀要求。

天然气管道外的防腐蚀层是防止管道腐蚀的重要措施，可看作外界影响因素，而导致管线腐蚀的影响因素是其本身的材料问题。天然气管线通常采用钢制螺旋焊管材料，该材料钢管非金属成分高，包括磷元素、硫元素等，具有较强的易腐蚀性，同时硅元素、碳元素会导致管道开裂。此外，如果钢管表面有划痕或者不平整的问题，将会导致其在使用过程中出现腐蚀断裂问题。

1.2 涵套管对埋地管道的影响

根据埋地管道出现腐蚀的保护原理，通常采用阴极保护和防腐蚀层双重保护。防腐层保护埋地管道的均匀腐蚀，通过隔绝土壤与管道的直接接触，避免管道出现电化学腐蚀。阴极保护是以点腐蚀保护为主，缓解管道防腐层破损时的腐蚀效率。通过采用双重保护措施，能够进一步确保管道的防腐蚀性能。

涵套管对阴极保护的影响分为以下4 种情况：

（1）涵套管与管道绝缘且不存在导电介质，涵套管对阴极电流有一定的屏蔽效果，阴极保护电流对涵套管中介质不产生腐蚀作用，无法腐蚀内管道。如果管道表面存在凝结水，涵套管中的管道又安装有牺牲阳极，凝结水会增加电阻率，这一保护措施的效果还需继续分析。

（2）若涵套管与管道绝缘间存在导电介质，没有安装牺牲阳极，并且外部增加了阴极保护电流，电流穿过涵套管之后可通过管道中的导电介质（包括土壤或者水）达到导管表面，进而能够对导管起到保护作用。导管内壁会受到腐蚀，外壁会受到保护，但涵套管对阴极保护电流有一定的屏蔽性能，因此涵套管内的管道无法充分实现阴极保护，也会面临腐蚀的可能。涵套管中安装高定位牺牲阳极，氧气会消耗一部分阴极保护电流，而所消耗的电流值是与套管中牺牲阳极的性能，以及涵套管穿越处与阴极保护之间的距离有联系的。如果所消耗的阴极保护电流较大，则会影响涵套管周边管道阴极保护性能；如果涵套管中所安装的牺牲阳极电位较低，此时牺牲阳极能够对涵套管管道起到保护作用。但需要注意的是，外部阴极保护电流同样能穿过涵套管到达导管表面，因此，牺牲阳极所起的作用并不明显。

（3）若涵套管与管道短路且存在导电介质，如果涵套管中没有安装牺牲阳极，且涵套管对于阴极保护电流具有一定屏蔽作用，且仅发生于管道短路和套管中，并且套管内存在导电介质，这种情况下涵套管管道会自由腐蚀。如果此时涵套管安装牺牲阳极，会对管道形成保护效果，但涵套管与管道短路是作为一个整体，牺牲阳极此时也会保护涵套管的内壁。如果防腐蚀层漏点和牺牲阳极距离大于涵套管与牺牲阳极的距离，到达防腐蚀层漏点的阴极保护电流较小，无法起到良好的保护效果，并且大多数阴极保护电流会消耗在涵套管内壁上。涵套管的防腐层几乎不会消耗，全部的牺牲阳极在短时间内牺牲，阳极耗尽，无法达到预期的使用寿命。

（4）涵套管与管道短路且不存在介质，如果管道存在凝结水，并且涵套管中安装牺牲阳极，由于存在凝结水导致电阻率升高，具体的保护效果还需继续分析。

2 涵套管穿越段局部阴极保护

选择局部硬件保护方案。在使用管道时通常采用局部应激保护的方法，对天然气管道进行腐蚀防护。在设计方案时可选择涵套管管道上缠绕锌阳极或镁阳极，通常采用缠绕的方式进行局部阴极保护，安装示意图如图1 所示。具体阴极保护牺牲阳极的用量可以通过其面积进行计算获得。

图1 牺牲阳极带的安装示意

2.1 镁阳极带缠绕的保护方式

在镁阳极带安装过程中，可以使用机械打磨的方式暴露出部分管道，开凿焊点，使用电焊、铝热焊等多种方式连接管道与镁阳极，根据不同管径的间距、角度，将镁阳极带缠绕在管道外部，这两个焊点需要做好相应的绝缘防腐蚀保护。完成镁阳极带缠绕后，涵套管两端使用柔性防腐蚀材料进行密封，以确保良好的密封效果，防止其他杂物进入。这种方法操作简便，但由于镁电位较负，后续保护时间较短。

2.2 锌阳极带缠绕的保护方法

国内锌阳极带相关行业标准不完善，不同厂家生产的锌阳极带类型不同，需根据涵套管穿越段的情况计算用量。锌阳极带缠绕是利用锌材质电位高、使用时间长、具有一定经济性的特质，然而安装比较困难，材料本身较脆。

2.3 镯式阳极安装的局部保护

利用这种方法能够获得一定的使用年限，且操作简便。该方法使用铝镁合金材料的双半圆环，每套阳极为两个半环，半环之间使用螺栓连接，紧贴于管道上。电缆焊接于管壁中，做好全套防腐蚀工作。设计过程中根据涵套管穿越的实际情况，计算所需要的规格和用量，确保阳极均匀分布在套管中。

2.4 套管穿越处的防腐蚀处理

部分天然气套管在江河穿越过程中，如果加设的波纹管存在导电金属，需要使管道与金属绝缘，且不能损坏管道外部的防腐蚀层。对于端部柔性密封类管材，在选择材质时要综合分析多种因素，完成相应的施工设计要求。管道和涵套管要直而圆，并且在穿越主管段使用高级别的防腐蚀层，如果涵套管中使用局部阴极保护措施，需要将管道与涵套管隔离，借助绝缘支架保证间距，确保涵套管内壁不会与牺牲阳极接触，以防阳极失效。如果在安装过程中出现绝缘支架损坏，需及时更换支架。涵套管内所有杂物在穿越段之前要清理干净。

3 天然气管道腐蚀防护的其他措施分析

天然气管道不仅与天然气安全运输有关，还涉及人员生命安全，需要高度重视管道的维护工作，尤其是管道耐腐蚀保护，需要进行腐蚀检测，做好阴极保护改造。还需要强化管道的日常管理，能够及时发现腐蚀位置，及时采取措施处理。做好管道的日常维护工作，首先要根据天然气管道防腐要求，构建相应的防腐管理机制，除定期抽检外，重点检查易腐蚀地段，及时发现和维修。腐蚀严重时做好全面防护改造方案，避免出现安全事故，高度重视管道的日常维护和巡检。将长输天然气管道防护纳入日常生产管理中，强化日常巡检和维护力度，将安全隐患遏制于摇篮中。做好管道的防腐蚀工作，增加资金投入，实现技术创新，可降低运维成本，提高企业的经济效益。由于天然气管道受到自然环境影响，材料本身的制约会导致管道出现腐蚀，未来还需进一步研发创新，提高管道的质量安全性，提高防腐研发，提高腐蚀的测量准确度。

天然气管道防腐是近年来管道项目建设的重点、难点，不仅影响天然气的安全，还涉及生命财产安全，做好天然气管道的防腐蚀工作，要从多角度上采取多种措施，以延长管道的使用寿命。