公用燃气钢质管道在定期检验过程中的腐蚀检测

蔡宇

摘要：随着城市化和农村现代化的发展，天然气已普遍入户，随之带来的燃气管道安全问题也日益突出。为保证燃气管道的安全运行，管道的定期检验成为遏制事故的安全阀。因此，本文从管道腐蚀机理入手，分析定期检验过程中管道内腐蚀和外腐蚀，通过非开挖和开挖两种检测手段，举例说明检测中的腐蚀状况，并计算管道的壁厚及应力情况，以此来提高对燃气管道防腐的重视。

关键词：燃气管道 钢管 定期检验 管道腐蚀

1.城镇燃气管道现状

随着国民经济的快速发展和消费者的环保意识增强，人们对清洁能源（如天然气）的需求会不断上涨。天然气已然成为城市生产生活离不开的能源。目前，城镇用气的主要输送方式为管道输送，城镇燃气管网设施的建设成为了城镇生存和发展的必要保障和重要基础设施。

近些年来，聚乙烯类管道已经大量用于城镇燃气管道铺设（本文中燃气管道指特种设备目录中公用管道中燃气管道-管道代码8210），但受环境和工艺限制，钢制管道仍大量应用于城镇燃气管道中。由此可见，提高管道防腐能力，增强管道检验技术，预防管道腐蚀是非常重要的。

管道腐蚀会使壁厚急剧减少，不仅制约天然气集输能力的提高，还导致维修改造费用增大，且由电化学腐蚀引起的局部腐蚀会使管道出现密集性腐坑，造成应力集中开裂或是直接腐蚀穿孔。天然气具有易燃易爆特性，一旦管道泄漏就可能引起火灾及爆炸事故，可能产生巨大的财产损失和人员伤亡。例如，6·13十堰燃气爆炸事故，25人死亡，138人受伤;10·21沈阳燃气爆炸事故，4人死亡，47人受伤。因此，在定期检验过程中分析、发现和预防燃气管道腐蚀这一重要损伤模式是非常必要的。

2.常见燃气管道的腐蚀类型及机理

城镇燃气管道常见的有内腐蚀和外腐蚀，内腐蚀是由管内介质等引起的管道内部腐蚀，外腐蚀则是由管道铺设环境所引起的管道外壁腐蚀[1-2]。

城镇燃气管道一般采用埋地和架空两种方式。埋地，是城市燃气管道使用最多也最方便的铺设方式。不同地区的土壤电阻率、酸度的差异造成燃气管道在不同地区的抗腐蚀性有所差别，所以在日常的检测中，要重点关注那些腐蚀性强的地方。

2.1内腐蚀

内腐蚀为电化学腐蚀，机理是管道内的凝结水在管道内壁形成亲水膜，可与钢质管道构成原电池，从而造成原电池腐蚀[3]。不仅是水，输送的燃气中含有硫化氢、二氧化碳等均能和金属起作用，引起化学腐蚀。随着脱硫、脱碳技术的发展，目前使用的净化天然气严格控制了硫化氢、二氧化碳、水等含量，并且成熟的燃气用管材、管件制造工艺及设计、安装工艺使得内腐蚀的强度大大减小。因此，目前燃气管道的定期检验主要考察管道的外腐蚀。

2.2外腐蚀

燃气管道的外腐蚀分为两种：化学腐蚀和电化学腐蚀[4]。化学腐蚀通常是全面性的腐蚀，对一定长度的管道的管壁均造成腐蚀，所以其管厚呈一定程度的均匀减薄。电化学腐蚀主要通过原电池机理，会集中腐蚀管道的某一特定的点或缝，从而在管道上形成腐蚀坑或者裂缝，严重的可能会造成管道穿孔、大面积的应力集中开裂等情况。除此之外，杂散电流和土壤微生物也会对燃气管道外壁形成不同程度的腐蚀。

2.3腐蚀原因

对埋地段管道而言，大气对管道的腐蚀性很小，主要是土壤腐蚀。在沿河铺设管道，则要考虑土壤中的高含水对管道的腐蚀;在农业区，则需要考虑在化肥使用下的土壤的酸度对管道的腐蚀，同时农业区土壤微生物也是造成管道腐蚀的重要因素;在电车、电气化铁路或者具有接地回路的输配电系统周围存在的杂散电流会流经管道，从而造成腐蚀;在南方常年温度较高地區，也要注意温度对腐蚀速率的影响。

3.腐蚀检测方法及防腐措施

3.1检测过程

通过酸度计、土壤电阻率、管道外防腐检测仪、涂层测厚仪等设备，对影响管道腐蚀的因素和保护管道腐蚀的方法、设施进行检测，并通关科学的计算得出结论及预防或整改修复措施。本文主要介绍非开挖检测和开挖检测，以及相应的评价。

3.1.1非开挖检测

使用电位梯度法检测仪器对全管线段外防腐进行检测评估，同时找到防腐层存在破损的位置[5]。表1为某地钢质燃气管道非开挖检测结果。

由表1可知，此段管线的防腐综合等级为4级，其外防腐层失效较为严重且存在多处破损。

3.1.2开挖检测

在检测为外防腐层破损的位置开挖探坑，发现管道外防腐层出现严重麻面及鼓泡，且有明细破损痕迹，破开防腐后实测壁厚为2.50～2.36mm，并有大量腐蚀坑 。

图1为防腐层老化失效，管道壁出现局部腐蚀的腐蚀坑，长度为40mm，最大腐蚀坑深度为1.8mm，腐蚀位置测量最小壁厚为2.38mm。图2为防腐层破损处，管道壁出现局部腐蚀的腐蚀坑，长度为60mm，最大腐蚀坑深度为1.8mm，腐蚀位置测量最小壁厚为2.36mm。图3为局部腐蚀造成的腐蚀穿孔。

由此可知，其埋地环境较为潮湿，土壤含水较多，且其防腐层出现明显破损，使得外界环境直接作用于钢质管道上，从而造成管道腐蚀，形成腐蚀坑乃至腐蚀穿孔。这些腐蚀现象均是由外腐蚀所引起的。

3.1.3最小壁厚计算

为进一步确定管道损伤情况和判断管道的检验周期，需要对管道的最小壁厚进行计算。公式如下：

其中， 为计算壁厚; 为焊缝系数; 为钢管最低屈服强度;P为工作压力;D为管道外径;F为强度设计系数;t为温度折减系数。

由上述公式，计算壁厚为0.66mm。

3.1.4应力计算

应力按如下公式计算[6]：

其中， 为为内压引起的环向应力;P为管道压力;d为管道内径; 为管道公称壁厚。

其中， 为由内压和温度引起的轴向应力; 为钢材线膨胀系数;E为弹性模量;t1为管道安装闭合时的环境温度;t2为管道工作温度;  为泊松比。

当 为负时，按最大剪应力强度理  论计算当量应力，应满足如下要求：

最终计算可得：校核强度为220.50MPa;轴向应力为3.53MPa;环向应力为11.76MPa;当量应力为15.29MPa。

3.1.5剩余强度计算

其中，PF为剩余强度;D为管道直径;t为管道壁厚;d为缺陷深度; 为流变应力;M为Folias膨胀系数;L为缺陷长度。

膨胀系数按如下公式计算：

管道的最大允许工作压力为：

其中，K为设计系数。

管道运行压力不得超过最大允许工作压力8.02MPa

3.1.6剩余寿命计算

为确认管道腐蚀状况，通过下列公式计算管道剩余寿命[7]：

其中，RL为剩余寿命，单位为年;C为校正系数，取0.85;t为名义壁厚，单位为mm;GR为腐蚀速率，单位为mm/年;MAOP 为管段许用压力，单位为MPa。

其中， 为屈服强度，单位为MPa; 为许用应力，单位为MPa;D为管道外径，单位为mm。

其中，d为缺陷深度; 为流变应力;M为Folias膨胀系数;L为缺陷长度。

最终计算其剩余寿命为5.23年。

3.2防腐措施

3.2.1内防腐措施

对于内腐蚀而言，目前采用净化天然气可大大减小内腐蚀，其重点在于源头控制，减少燃气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）外加防腐层，常用沥青和3PE作为防腐外层，以此形成保护层，阻止钢质管道直接与土壤、空气接触[8-9]。

（2）采用电保护法，如阴极保护或牺牲阳极保护。城镇燃气管道一般多采用牺牲阳极保护法。

（3）使用新材料，采用新型不易被腐蚀的材料作为管材或是防腐涂层，以此来增加管道的防腐能力。

4结语

燃气管道的内、外腐蚀是造成燃气泄漏和安全事故的主要因素，且外腐蚀的影响更大也更明显。外腐蚀是一个缓慢的过程，其主要发生在防腐层破裂的地方。防腐层破裂后，钢质管道上发生的化学和电化学反应使管道进一步损坏，在钢质表面形成腐蚀坑甚至穿孔，从而导致燃气泄漏，造成安全事故。

在检验过程中，对管道进行的专项检查能有效地发现管道腐蚀情况，评定管道的防腐等级，制定管道的检验周期。但面对国内土壤环境、大气环境、防腐措施的巨大差异，燃气安全问题仍需更加重视。

参考文献

[1]唐国平，陈玉宝，陈培宁，等.城镇燃气管道腐蚀检测与防护研究[J].管道技术与设备，2021（3）：27-30.

[2]刘浠尧.燃气管道腐蚀缺陷应力分析[J].管道技术与设备，2021（4）：50-52.

[3]龙会成. 城市燃气钢质管道安全风险与寿命预测方法研究及实证应用[D].成都：西南石油大学，2018.

[4]陈国华，曾静，蒋漳河，等.城市钢质燃气管道外腐蚀程度评价方法及应用[J].腐蚀与防护，2008（6）：337-340，350.

[5]王建业，王会杰，郑光耀.埋地钢质燃气管道防腐层破损腐蚀漏气检测及其整改措施探讨[J].全面腐蚀控制，2019，33（4）：102-106.

[6]周阳，黄小美，彭世尼，等.埋地钢质燃气管道腐蚀影响因素的相关性分析[J].煤气与热力，2014，34（10）：6-10.

[7]金昌浩.埋地钢质燃气管道腐蚀定期检测与维修实践[J].煤气与热力，2011，31（7）：1-4.

[8]黄仁惠.基于优化GM-LSSVM组合模型的埋地管道腐蚀失效预测研究[D].西安：西安建筑科技大学，2021.

[9]顧晨晨.某长输管道输油站场安全风险管控研究[D].徐州：中国矿业大学，2021.