随着能源结构的改变，城市燃气管网越来越密，这给人们的生活和环保带来好处的同时， 也给安全带来了隐患，本文从腐蚀与防护角度上对城市燃气管道阴极保护技术的重要性和可操作性进行了简单的介绍，以求引起人们的重视。

 

    文| 胡士信　徐　快　中国石油天然气管道局　徐昌学　张　鹏　中国石油天然气管道科学研究院

 

    城市燃气管道腐蚀的特点

 

    城市的地下布满了各种管道，为人们提供着生活用水、天然气及供热，排放污水，对于北京上海这样的特大都市，地下都布设有数千公里管网，如北京的一条主要干线道路的人行道下面就敷设有上水、下水、供热、燃气、电力及电信电缆等7、8 条之多， 而且间距很小，有时不得不分层敷设，相对长输管道，城市管网腐蚀更具特殊性，加上地铁和厂矿企业的用电设备杂散电流干扰， 又增加了复杂性。城市的管网安全关系到国计民生和政治影响， 做好腐蚀控制是我们腐蚀工作者义不容辞的任务。

 

    城市管网的主要腐蚀环境是土壤，土壤是由固相、气相和液相三相构成的不均一多相体系，其影响因素多，相互关系复杂， 腐蚀的类型主要有电偶腐蚀、浓差电池腐蚀、细菌腐蚀和杂散电流干扰腐蚀，评价土壤腐蚀性存在着不确定性。

 

    土壤环境中金属构筑物的腐蚀属电化学范畴，腐蚀原电池是最基本的形式，因此能够促进构成腐蚀电池的、影响腐蚀电池的土壤的理化性能都能影响土壤腐蚀，所以许多学者研究了单项指标与土壤腐蚀性的关系，并将这些参数进行加权处理，力求得到一个综合的评价指标，如美国ANSI A21.5 和德国DIN 50929 标准。

 

    腐蚀电池有三个要素，即存在着不同电极电位的阴、阳两个电极；两电极同处在一个电解质体系中；两电极之间有电子连接通路。除了第3 要素（两电极之间的电连接就是依靠管道金属材料本身）无法克服外，管道防腐蚀通常采用绝缘覆盖层（将管道和电解质隔绝，破坏第2 要素）和施加阴极保护（消除阴、阳极之间的电位差，破坏第1 要素），相辅相成，经济合理，已获世界范围内的公认，当前国内外的长输管道均采用了这些措施。

 

    对于城市管网及构筑物，腐蚀具有下面的特点：

 

    --材质多样，有钢、铸铁、混凝土，可能还存在着早期的铅皮和铝皮电缆等；

 

    --结构复杂，有的有防腐层、保温层或者铠装；

 

    --构筑物间构成网状，相互电接触；

 

    --环境复杂，层次土壤性能不一致，易形成原电池；

 

    --杂散电流各自为政，干扰问题不能统筹考虑；

 

    --管网建设年代跨度太大，有的几十年，无任何档案可追朔。

 

    城市燃气管道阴极保护的必要性和可行性

 

    在城市的诸多管道中，燃气管道的危险性最大，也是城市管道防护的重点对象，从输气管道的构成来说，城市管网属配气， 接受长输管道的来气，然后分配到千家万户中，可以说管网分散在城市的每条街道下，通到每座楼，加上复杂的地下环境，给我们腐蚀工作者带来不小的挑战，辩证法告诉人们，有挑战就有机遇， 虽说复杂，人们还是可以把长输管道的防腐蚀技术用在城市管网上，也就是说管网采用的也是防腐层技术、阴极保护技术和排流技术。

 

    防腐层是最早用在管道防腐上的措施，部分煤焦油瓷漆已成功应用了100 多年，是目前经过实际考验的寿命最长防腐层，目前各种新型防腐层在城市管网中都有应用，如3LPE 和FBE，本文不作论述，仅就阴极保护和干扰问题加以讨论。

 

    根据腐蚀电池的原理，将电池阴极和阳极间的电位差消除掉，就可使腐蚀电池停止作用，减轻腐蚀，由于管道上的腐蚀电池是微观的，数量是无限的，所以作为腐蚀的一极--阳极的电位也是高低不等的，通常管道的自然电位在-0.55V（CSE） 左右，施加一个阴极电流后，按照电化学的原理电极就要极化（图1），电位向负向偏移，偏移到一定值后，就可以把所有的腐蚀电池的阳极都覆盖上了，这个值就是最小保护电位，标准上给出为-0.85V（CSE）。在极化曲线中，再施加阴极电流，曲线呈水平状，但当电流加到一定程度后，再增大电流又急剧负移，这时开始了析出氢气，这个转折点，我们称之为析氢电位，在阴极保护中都把最大保护电位定在析氢电位内，不可超越，这一个值为-1.200V（CSE）。由此可知，阴极保护电流总是流向被保护体， 所以阴极上只会发生还原反应，不再会发生氧化反应而造成腐蚀。依据图1 可知，阴极保护电流是根据条件而发生变化的变量，而管道电位则是一个有规律的曲线，所以通常都以保护电位作为阴极保护准则的判据。

 

    通常阴极保护有强制电流和牺牲阳极两种方法。

 

图1　阴极保护的极化曲线原理

 

    强制电流法就是采用一个直流电源，在管道的附近装设一组辅助阳极，把电源的正极与辅助阳极相连，电源的负极与管道相连，通过电源直接向管道上施加阴极电流，实现保护。牺牲阳极法是根据腐蚀电池的原理，采用比被保护体电极电位更负的金属， 如镁、铝、锌等，当把这些金属埋在管道附近，如果管道和阳极间有电缆相连，这样就构成一个宏观电池，在这个大电池中，新加金属电位较负，为阳极，管道电位较正，为阴极，按原电池理论， 阳极腐蚀消耗，阴极得到保护，故叫牺牲阳极法。

 

    这两种方法的各有特色，强制电流法需要外加电源，辅助阳极会对附近金属构筑物造成干扰，而牺牲阳极法，不需要外加电源， 不会造成干扰，所以城市管网中多采用牺牲阳极法。牺牲阳极中有镁、铝和锌三种，适合于土壤中应用的只有镁和锌，按照标准上的要求在低土壤电阻率时用锌，较高电阻率时用镁。另外牺牲阳极还有接地功能，对于某些需要防腐又要求接地的管网这是一个一举两得的措施。

 

    随着技术的发展，消除或减轻干扰影响的措施不断完善，在城市采用强制电流阴极保护系统也已可能，若采用联合保护可能会更加经济合理。在国外就有实例，如莫斯科设立2500 座阴极保护站和120 座排流站，联合保护了近3000km 天然气管道，2000km 自来水管道，1000km 热力管道和1500km 的电缆护套。

 

    对于城市燃气管网，应按保护范围的大小、土壤环境、费用情况、周围的金属构筑物情况，因地制宜的选择阴极保护的方法。有时多种方法的联合应用可能是最佳的方案，不可一概而论。图2 是两种阴极保护方法的经济性分析后的应用范围。

 

    阴极保护技术在长输管道和船舶及海洋构筑物中已广泛应用， 而在城市燃气管道上采用，国内应在1989 年以后。1989 年3 月6 日，石油部和中国腐蚀与防护学会在北京煤气公司召开了一次《城市煤气管道阴极保护技术论证会》，胡士信在会上作了《城市煤气管道阴极保护的必要性和可行性》的报告，会议达到共识，开始了北京市燃气管道阴极保护的先例。早期胡士信也曾先后在上海市公用局和昆明市公用局进行了同样的学术交流，使国内城市管道阴极保护得到推广应用。

图2　牺牲阳极和强制电流两种方法的经济适用范围

 

    按照《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》的要求， 新建管道的阴极保护设计、施工应与管道本体的设计、施工同时进行，并同时投入使用。管道阴极保护应避免对相邻埋地管道或构筑物造成干扰，在构筑物拥挤的地带应采用牺牲阳极，具备条件时，可采用导电聚合物柔性阳极，对于区域性阴极保护的场合， 可采用深井阳极技术。

 

    采用阴极保护的管道都应满足GB/T 21448《埋地钢须管道阴极保护技术规范》的-0.85V（CSE）至-1.200V（CSE）极化电位准则的要求，个别地带可采用-100mV 极化电位差的准则，但必须考虑标准上给出的适用条件。

 

    阴极保护条件和注意事项

 

    根据阴极保护的原理，不论采用强制电流法还是牺牲阳极法， 都是给管道提供一个阴极电流，而管道要得到阴极保护也要具备一定的条件，这些条件是：

 

    电连续性：这是必备条件，确保电流在保护范围内自由流动， 而不受阻，这一点对于非焊接连接的管道特别重要，必须进行电连接。

 

    电绝缘：就是把保护范围与非保护区域隔离开，充分发挥保护电流的作用，有“没有电绝缘就没有阴极保护”一说。在1989 年， 北京也曾验证了这一真理，对一条埋地十几年的22 公里高压煤气管道，施加阴极保护，先后进行了三期，前二期试图靠增加牺牲阳极来提高保护电位，均未成功，第三期改造时补加了绝缘法兰， 结果电位极化显著提升。现在入户的管道都在入户前装有绝缘接头。图3 是早期采用的绝缘法兰，图4 是当前普遍采用的整体型绝缘接头结构图。

 

    对于密集管网，电绝缘可能是无法实现的，这就要求采用大电流联合保护措施，将需要保护的区域进行分块进行，多数情况下不易实现。

 

    城市管网的阴极保护的施工较长输管道有其特殊性，对于国际大都市可能不允许白天施工，在保护电位测试中，要注意测试桩的位置不能影响道路的功能和城市美化的要求。

    杂散电流干扰及防护

 

    管道的防护史实际上也是一部杂散电流防护史，早期人们对于城市有轨电车的地电流危害认识较深，采取了排流措施，解决了干扰问题。在国内，1957 年曾制订过一个由邮电部、铁道部、电力部和城建部四部联合颁布的《防止地下金属设备遭受电蚀试行规程》，用于限制城市有轨电车等用电设备的电流干扰。随着有轨电车的拆除，这一问题也就无人问津了。自1966 年北京地铁的开通运行，全国各地现在大规模建设地铁，使得杂散电流的干扰已成为城市管网的腐蚀重要影响因素。

 

    杂散电流是一种环境污染，是电气设备产生在非指定路径中的电流，经由金属管道在电解质（土壤、水）里流动（图5）。早期人们主要关注直流杂散电流，因为它造成的被干扰管道腐蚀速度太快，在2000 年以后人们又开始关注起交流杂散电流，因为交流腐蚀的防护提上了议事日程。由于地铁在市区，高压电网在市郊以外， 所以城市管网是以地铁为主的直流干扰，故我们在文中重点讨论。

 

    在工作电流电路中的导体或者一部分电力设备有多个接地时， 这样的电气设备就会产生杂散电流，这样的设备有：

 

    （a）直流电气铁路，铁轨在此用作电流的导体；

 

    （b）架空有轨电车，多根导线连接到接地电源的返回接地体；

 

    （c）直流供配电系统，有的城市已开始采用较低电压的直流输电系统；

 

    （d）电解装置

 

    （e）企业的直流用电设备，如电焊、电镀等；

 

    （f）直流电话网和交通灯设备；

 

    （g）阴极保护装置（强制电流设备、杂散电流排流装置等）。

 

    在上述的用电设备中以直流电气化铁路最为严重，特别是像长线形带有防腐层的埋地管道这样的长的埋地金属体，流入管道的杂散电流很大，而集中在局部的防腐层缺陷处流出，局部腐蚀将惊人的激烈。如东北抚顺和鞍山地区受到矿区电机车杂散电流干扰影响的长输管道约有50 公里，占当年东北输油管网的2％， 而因电蚀造成的穿孔次数，占东北管网腐蚀穿孔总次数的60％以上。由于铁路多年失修，该地区的排除的杂散电流高达500A，管道埋地半年就能电蚀穿孔，腐蚀速度大于10 ～ 15mm/a。

 

    土壤电阻率是影响杂散电流大小及其分布的主要控制因素， 从而对土壤电阻率有较大影响的土壤中的水分和电解质的含量， 对电蚀有较大的影响。

 

    电蚀量服从于法拉第定律：电流通过而发生的腐蚀量，与通过的电量成正比；与该物质的电化学当量成正比。如钢铁的电解腐蚀为9.1kg/A.a。概括地说，电蚀有如下特点：

 

    （1） 腐蚀激烈；

 

    （2） 腐蚀集中于局部位置；

 

    （3） 有防腐层时，往往集中于防腐层的缺陷部位。

 

    正是这一特点，使被干扰体在短时间内发生点状坑蚀，造成泄漏事故。

 

    对于杂散电流干扰一般采取“以防为主、以排为辅、防排结合、加强监测”的综合防护措施，通常要从源头入手，尽量减少杂散电流的泄漏。现在城市地铁采用的是直流牵引系统，设计时已在系统中采取了减少杂散电流的措施，考虑了对周围金属构筑物的干扰影响，但仍然会造成对城市管网的干扰，需要我们认真对待。

 

    虽然城市管网的直流干扰较为严重，在现代科学十分进步的今天也不是不可防护的，通常可采用排流（直接排流、极性排流、强制排流和接地排流）、电绝缘、电阻平衡、联合防护等技术措施。根据国内的经验，牺牲阳极极性接地排流是一个不错的选择。在当前的实践中，已有多个城市解决了地铁的干扰问题，为我们提供了可以借鉴的经验。

 

    由于杂散电流干扰是一项十分复杂的技术难题，要彻底解决几乎不可能，目前国内外都没有一个排流后的评价标准，美国的干扰专家只强调消除正电位，在国外诸多标准中，我们认为澳大利亚标准AS2832.1-2004 比较合适，在这里我们引用其中的相关内容：

 

    受电气化铁路电流和地电流影响的埋地构筑物的保护要求：

 

    a）牵引电流影响

 

    在要求构筑物根据本准则评价牵引电流的影响时，必须记录足够长时间的电位以确保包含最大程度的杂散电流影响。这个时间段包括早晚用电高峰，一般为20 小时。如果用数据记录仪监测电位，采样频率应每分钟至少4 次。

 

    受牵引电流影响构筑物的阴极保护电位准则根据构筑物极化时间的不同而异：

 

    1）短时间极化的构筑物

 

    防腐层性能良好的构筑物或已证实对杂散电流的响应为快速极化和去极化的构筑物，应遵循以下准则：

 

    ①电位正于保护准则的时间不应超过测试时间的5%；

 

    ②电位正于保护准则＋ 50mV（对钢铁构筑物电位为-800mV） 的时间不应超过测试时间的2%；

 

    ③ 电位应正于保护准则＋ 100mV（ 对钢铁构筑物电位为-750mV）的时间不应超过测试时间的1%；

 

    ④电位正于保护准则＋ 850mV（对钢铁构筑物电位为0mV） 的时间不应超过测试时间的0.2%；

 

    2）长时间极化的构筑物

 

    对于防腐层性能较差的构筑物或对杂散电流的响应为缓慢极化和去极化的构筑物，其电位正于保护准则的时间不应超过测试时间的10%。

 

    b）地电流影响

 

    要求对构筑物进行地电流影响测量时，必须记录通常为20h 的电位。如果采用数据记录仪监测电位，其采样频率应不低于1 个／ min.。

 

    受地电流影响的构筑物的电位正于保护准则的时间不应超过测试时间的10％。确定电位的变化幅度时，应对记录期间电离层扰动的程度进行评价。

 

    问题与展望

 

    目前还没有全国城市管网的统计数据，在《97 全国城市地下管线防腐蚀工程技术交流会论文集》中有30 多万公里和8 万公里之说，随着西气东输的建设，全国各地陆续气化，城市燃气管道数量急剧增加，如北京就有7500km 城市天然气管网，自西气东输建成后开始气化的城市已全国开花，不计其数，我们初步估算， 目前全国可能已有城市管网近百万公里，这些管网即是人民生活的保障线，同时也是威胁人民生命安全的“定时炸弹”。如1996 年，杨州“2.18”除夕之夜居民楼煤气爆炸（泄漏引起）事件； 1995 年7 月3 日，济南和平路的电缆沟大爆炸，死13 人，伤48 人， 其原因是煤气漏泄所致；上海市1991、1992 两年的统计，管道泄漏事故，年平均167 次；如果稍加留意，CCTV 经常在新闻节目中报道管网的腐蚀事件。

 

    2013 年11 月22 日，山东省青岛经济技术开发区的中国石油化工股份有限公司管道储运分公司东黄输油管道发生爆炸，造成62 人死亡、136 人受伤，直接经济损失75172 万元， 事后处理48 位责任人。这一事件的主体虽是原油管道，但基本上也是位于青岛市区以内。

 

    这些事故给管道安全敲起了警钟，所以管道的安全性就提到议事日程上了，腐蚀学会曾于1987 年（广州）和1997 年（桂林） 两次召开城市管道腐蚀与防护会议，研讨相关城市管道的腐蚀与防护问题。在国外，美国国家运输部1970 年6 月颁布了配气管网腐蚀控制条例，规定所有新建管道应采用防腐层并实施阴极保护措施，而一切在腐蚀活动区域的在役燃气管网，自1976 年8 月1 日起应实施补加阴极保护措施。相比而言，我国还没有这样的法规，需要相关部门尽快在政策层面运作完成。

 

    相对长输管道，城市管网有几个特点：

 

    （1）公用设施拥挤不堪，如燃气的配气系统连接到用户，与这些用户相连的还有供电、供水、排污、供热等设施；

 

    （2）管网历史太久，缺少可用的技术档案备查，新旧混在一起， 这给腐蚀控制带来困难，不同业主的管道互不了解，干扰问题无人问津；

 

    （3）对于管网的防腐设计难度很大，新旧连在一起，电绝缘可能已不现实，责任分不清，干扰问题更是无法理清，设计无从下手。

 

    （4）在技术层面和管理层面，尚显不足，技术标准和人员队伍跟不上实际管网发展的形势要求，检测手段和装置也较落后。

 

    在国内，早期上海、北京、昆明、沈阳等城市对燃气管道采取了阴极保护技术，并采用了一些具有当代先进水平的新技术， 如中腐公司首次将国产的导电聚合物柔性阳极应用在北京的燃气管道的阴极保护中，并取得成功；北京科大在北京城市管网采用远程监控来随时监测杂散电流的变化；深圳LNG 管道采用了深井地床的排流保护技术成功解决了地铁杂散电流的干扰问题。

 

    展望未来，管道安全是关系到国计民生的头等大事，我们相信在十八大政策的指引下，国家必定采取果断措施，城市管网的腐蚀控制法规、技术标准规范和规章制度将会很快建立起来，城市管网的腐蚀与防护技术将会有一个飞跃的发展！