1 概述

通过对北京市燃气集团（以下简称北京燃气）2014—2017年间管道腐蚀泄漏情况进行统计［1］，得出低压管网泄漏次数占比约75.4%，中压泄漏次数占比约18.8%。分析其原因，首先低压管网在北京燃气埋地钢质管道中占比较高，约为63.6%，管道长度较长，所以相应地发生泄漏事故量较大；另外，低压管网约73.2%没有采取阴极保护措施，阴极保护有效性对于管道腐蚀控制极为关键；除此之外，低压管网服役环境复杂，比如地铁杂散电流干扰、与其他管线搭接引起的电偶腐蚀等一系列问题均缩短了腐蚀穿孔时间。

王庆余等人［1］对防腐层类型与泄漏事故量做了统计，得出沥青防腐层泄漏次数占比约84.5%，3PE占比约4.3%，FBE及煤焦油瓷漆占比约1.9%。分析其原因，首先，沥青类防腐层应用占比较高，约为63.3%；其次，由于沥青类防腐层服役年限较长，且沥青材料的绝缘性能较差，随时间推移老化加速，导致防腐层破损点越来越多，管体腐蚀风险加大；另外，管道防腐层老化，阴极保护电流需求变大，但阴极保护却没有及时补加，导致腐蚀速率加大。

北京燃气意识到管道腐蚀控制是燃气管道可靠运行的关键，近20 a分别针对阴极保护有效性、防腐层完整性、杂散电流干扰防护、阴极保护系统的补加与修复等方向开展一系列课题研究，形成相当一部分成果用于示范应用，推动适用于城镇燃气的腐蚀控制技术发展。

2  阴极保护系统问题分析

2.1 北京燃气阴极保护现状

北京燃气于1987年开始应用牺牲阳极阴极保护系统［2］，CJJ 95—2003《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》要求低压DN 200 mm及以上新建管道加装阴极保护系统，CJJ 95—2013《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》要求对所有新建管道全面加装阴极保护系统。目前北京燃气中低压管网阴极保护多采用镁牺牲阳极；部分次高压及以上管网采用外加电流方式，地床类型包括浅埋阳极、深井阳极，同时于1998年在衙门口—良乡管道引入国产柔性阳极，同时于2004年在新敷设的高压燃气管道上使用柔性阳极外加电流方式［3］。

2.2 低压管网阴极保护系统

①问题分析

目前低压管网腐蚀问题在社区内较为严重，阴极保护系统不完善是造成腐蚀泄漏事故的根本原因。根据北京燃气近年来低压管网腐蚀事故分析，发生腐蚀泄漏的主要原因分为以下几类：

a.引入管的搭接问题［4］。目前绝大部分引入管在出地面之前未施加绝缘措施，燃气管道入户之后，极有可能与电器的接地极、热力管道等发生搭接，由于相互的电位差从而造成电偶腐蚀。

b.杂散电流干扰问题。由于目前地铁沿线上的社区较多，所以地铁干扰对于社区钢质管道影响较大。

c.管道处于积水环境下引起的腐蚀问题。胡义勇等人［5］发现某小区地下车库附近的燃气管道发生腐蚀，分析其原因为管道埋设于地下车库防水层以上，由于雨季发生积水，使得管道长期处于潮湿环境下，导致防腐层剥离从而造成穿孔。

d.遗留凝水缸发生的腐蚀问题。由于部分管道还未完全废除凝水缸且缸内长期存水，导致内腐蚀穿孔从而发生泄漏事故［6］。

②研究进展

目前北京燃气针对社区的腐蚀控制问题已经逐渐开展工作，根据小区特点结合不同的阴极保护方式，比如镁牺牲阳极，以及不同阳极地床（柔性阳极、深井阳极、浅埋阳极）的外加电流阴极保护，通过馈电实验确定阴极保护电流需求，结合数值模拟软件Beasy，对不同的阴极保护方式及地床或阳极位置进行研究，综合考虑选取最优方式。

2.3 中压及以上管网阴极保护系统

①问题分析

针对中压及以上管道腐蚀泄漏事故，除了杂散电流引起的阴极保护系统失效以外，还主要集中在以下原因：

a.测试桩不足的问题。测试桩数量不足，导致对于管道阴极保护是否有效难以评估。

b.管道欠保护的问题。对于牺牲阳极系统而言，阳极设计寿命一般为25 a，目前部分阳极服役已经超过25 a，进而失效，欠保护的问题逐渐显现。

c.管道过保护导致的涂层剥离问题。对于FBE及3PE防腐层而言，管道电流需求较小，此时如果阴极保护电位过负，使得管道土壤环境偏碱性，OH-及H的产生都会造成涂层剥离问题，随着剥离区域加大，会形成电流屏蔽。

②研究进展

北京燃气通过科研课题，针对中压及以上管网比较关注的牺牲阳极系统有效性及寿命预测，提出了系统的方法。针对牺牲阳极有效性评价方面，通过馈电实验或者理论计算得出某管段的阴极保护电流密度，结合管道信息得出最小保护电流，通过牺牲阳极数量推算出阳极组或者单支阳极临界接地电阻，最终通过对比在役牺牲阳极及计算值确定牺牲阳极的有效性；针对牺牲阳极的寿命预测，主要通过计算得到的阳极临界接地电阻值，及测量的在役牺牲阳极实际接地电阻值，并根据阳极临界接地电阻值及在役阳极实际接地电阻值，分别计算阳极等效直径，根据等效直径算出各自对应的阳极质量，结合阳极利用系数、阳极消耗率等计算牺牲阳极系统的剩余寿命［7］。

2.4 调压站阴极保护系统

①存在问题

对于调压站而言，阴极保护的不完善是目前腐蚀的主要原因。其中，某公司门站的区域阴极保护系统对邻近的北京燃气门站埋地管道的干扰，是腐蚀原因之一；另外调压站地上管与埋地管交界处，干湿交替及氧气浓度差也是腐蚀风险之一。

②研究进展

北京燃气通过科研课题研究了区域阴极保护技术在城镇燃气的使用［8］，具体思路如下：

a.首先，对厂站概况进行调研，包括站内埋地管道、接地等数量、分布位置、尺寸、埋深、防腐层情况，为后续阴极保护设计提供基础资料。

b.通过馈电实验摸清管道的极化特性，并在馈电实验的基础上对阳极地床进行优化设计。

c.分别针对镁牺牲阳极方式、浅埋阳极地床的外加电流方式在阴极保护效果及电位分布两方面进行比较，最终选定设计方案。

针对调压站地上管与埋地管交界处，由于地面潮湿导致不同程度的腐蚀现象，采用喷砂除锈后使用黏弹体的腐蚀防护方法。

3 管道防腐层问题分析

①北京燃气防腐层现状

目前北京燃气在役防腐层种类较多，其中包括石油沥青、环氧煤沥青、塑化沥青防蚀带、FBE防腐层、3PE防腐层等，20世纪80年代前后，北京燃气以石油沥青防腐层为主，到90年代前后，逐渐使用环氧煤沥青、塑化沥青防蚀带，直到2000年以后，才开始使用FBE、3PE等防腐层，目前新建钢质管道以3PE防腐层为主。

②管道防腐层及破损点

a.存在问题

针对管道防腐层及破损点的问题，目前主要集中在以下2点：首先，随着管道服役年限增长，防腐层受土壤环境、阴极保护、杂散电流干扰等影响，涂层本身老化，进而阴极保护电流需求变大，对管道的保护效能降低；另外，目前管道的破损点过多，由于阴极保护的作用是使得防腐层破损点电位负移从而不被腐蚀，所以并不是全部破损点都需要修复，破损点分级及修复次序变得尤为重要。

b.研究进展

目前北京燃气已经开展防腐层退化规律及保护效能的课题，初步形成了基于面电阻率检测结果的防腐层退化规律，为防腐层的寿命预测及保护效能分析奠定基础。同时也逐渐开展防腐层破损点的修复工作，为管道安全运营提供保障。

③防腐层检测与补口

a.存在问题

针对防腐层检测与补口的问题，目前主要集中在以下两点：首先，对于防腐层检测周期问题，CJJ 95—2013规定高压、次高压管道每3 a不得少于1次，中压管道每5 a不得少于1次，低压管道每8 a不得少于1次，但目前受诸多条件限制，对于该周期的执行暂时存在问题，从而导致对于管道防腐层性能无法及时获取；另外，对于防腐层补口问题，应该更加关注施工质量，尤其焊缝处的补口补伤，对于管体的清洁度、锚纹深度等表面处理及后期检验都应该重视。

b.研究进展

目前北京燃气已研发了针对管道补口补伤的防腐层剥除技术，通过无明火的热风作为加热源，加热软化防腐层的同时用剥刀风嘴进行防腐层剥除，该装置不引发明火，安全性高，能够更加高效、便捷地完成补口补伤工作［9］。

4  杂散电流干扰问题分析

①北京燃气杂散电流干扰现状

随着能源和交通运输行业的快速发展，燃气管网与地铁、高压输电线路、电气化铁路平行或交叉的情况越来越多，钢质管道受到杂散电流干扰日益严重。到2020年，北京地铁将有30条地铁线路，运营总长达到1 177 km；另外，北京是全国最大的铁路枢纽，有京广线、京沪线、京九线、京包线、京通线等众多铁路干线呈辐射状通向全国各地，庞大的轨道交通及电力网络与燃气管网密集地分布在北京地区。

②地铁直流干扰

a.存在问题

地铁直流杂散电流的问题目前主要集中在以下几点：首先，需进一步加强24 h监测力度，全面排查地铁直流干扰风险，有针对性地采取干扰防护措施；其次，目前针对地铁动态直流干扰的评价标准尚不完善，一般参照澳大利亚标准AS 2832.1—2015《金属的阴极保护管道及电缆》（Cathodic protection of metals - pipes and cables，以下简称AS 2832.1—2015），对于该标准的适用性还有待探讨；另外，干扰环境下的阴极保护电位会频繁变化，所以对于阴极保护的评价有一定难度。

b.研究进展

针对地铁直流干扰对埋地管道的影响问题，北京燃气通过课题研究形成了腐蚀速率与干扰规律之间的对应关系，基于AS 2832.1—2015建立了腐蚀风险等级判据。结合示范应用，通过现场实验，对比镁牺牲阳极及强制排流两种类型的排流效果，随后通过馈电实验确定最终排流方案。

③高压线交流干扰

a.存在问题

针对高压线交流干扰的问题，目前集中在以下几点：首先，由于城镇燃气开挖难度大、地域限制条件多，在排流设计及施工中均存在难点，对于长输管道常用的水平锌带地床在城镇燃气中受开挖条件限制无法完全适用，需要进一步根据管道周边环境探讨多种地床形式相结合的防护方案；其次，采取交流干扰防护措施的管道没有制定效能评价的相关规定。

b.研究进展

目前针对高压管道的交流干扰问题已经开展了评估及缓解技术，主要以阜石路高压燃气管道为例。干扰防护方案的设计主要通过CDEGS软件根据实际位置关系建立管道与高压管道模型，并分别通过使用水平锌带地床、分布式牺牲阳极地床、深井阳极地床等方式相结合进行优化设计，最终综合管道周边的地理环境合理选择干扰缓解地床形式［10］。

5  埋地管道的维修维护问题分析

①北京燃气管道维修维护现状

北京燃气埋地管道的维修维护主要集中在牺牲阳极更新及防腐层修复，目前一般采用大面积开挖的方式，缺点是占地面积大、施工时间较长、路面恢复难度大等。尤其在市政道路的燃气施工受到诸多限制，大多需在凌晨进行，人力、财力消耗均较大。

②存在问题

针对城镇燃气特点及埋地管道的服役情况，目前的问题主要是随着牺牲阳极服役寿命临近及防腐层破损点持续增多，对于城镇燃气而言，后期对于埋地管道的维修维护将占据绝大部分工作，因此急需开发一种可快速开挖、修复的设备。

③研究进展

为解决牺牲阳极的检测及后期补装问题，通过调研分析，设计了一种避免重复开挖的装置——可更换阳极池。北京燃气通过设计不同类型的材料结构，比如预制或现浇的钢筋混凝土结构、砖混结构等，并研究了阳极池内填料，最终形成了适用于不同服役环境的阳极池方案。

埋地管道的开挖及修复一直是困扰城镇燃气的难题，北京燃气通过设计、研究微孔开挖设备，通过切割路面、真空挖掘，然后配合研发的防腐层修复工具、牺牲阳极安装工具及监控系统完成埋地管道的维修维护工作，目前该套设备适用于埋深小于2 m，管径小于DN 600 mm的管道破损点修复及牺牲阳极安装等工作［11］。

6  下一步工作建议

①针对社区的腐蚀控制问题，建议首先依据社区腐蚀泄漏事故量进行腐蚀风险分级，其次结合社区特点（社区规模、施工空间及难易程度等）、管道基本信息（服役年限、防腐层类型等）对社区进行分类；最后，对社区埋地管道的阴极保护电流需求值、杂散电流干扰程度做出评价，通过Beasy数值模拟软件及现场实验，设计牺牲阳极或外加电流阴极保护方案，并优化形成某一类社区的标准化阴极保护设计流程。

②针对中压及以上的埋地管道，建议重点关注非开挖穿越管段的腐蚀风险，比如定向钻管道的阴极保护及防腐层有效性评级、顶管穿越管道受杂散电流干扰的腐蚀规律及风险评价方法等，并制定合理的风险防控方案，实现管网关键节点的精细化控制。

③针对调压站埋地管道腐蚀问题，建议对未施加区域阴极保护的调压站展开腐蚀数据收集，包括杂散电流干扰、土壤腐蚀、腐蚀速率等，对调压站腐蚀风险系统评估，腐蚀风险较大的调压站及时设计并实施区域阴极保护。

④针对防腐层性能退化问题，建议收集不同服役年限的管道防腐层，进行电阻率、针入度、延伸度、抗渗透性等多个指标的检测，归纳防腐层自身的性能变化规律。针对3PE、FBE防腐层，建议重点考虑局部破损点的剥离造成的电流屏蔽问题。

⑤针对防腐层破损点的修复问题，建议对破损点修复次序分级，具体可结合破损点的服役环境，建议考虑不同服役环境对应的腐蚀速率作为分级的重要参数，制定合理的破损点修复顺序方案。

⑥针对杂散电流干扰问题，建议对于新建管道需提前进行干扰风险评估，尽可能规避干扰线路，并做好排流措施；通过收集同一测试点的干扰情况、腐蚀速率等数据，随着数据量的不断积累，逐步将干扰规律与腐蚀速率之间建立联系，形成更加直观的腐蚀风险评估方法；充分利用24 h杂散电流监测数据，分析高铁电气化铁路的干扰规律、腐蚀规律、腐蚀机理等，并制定适用于城镇燃气的腐蚀判别指标及干扰防护措施。

⑦针对城镇燃气开挖困难的特点，继续开展以微孔开挖为代表的新技术的深入研究，持续跟踪、探索适用于城镇燃气的牺牲阳极快速补加更换、防腐层破损点修复等技术，为管道维修提供技术支撑和保障。

参考文献：

［ 1 ］王庆余，王宁，李夏喜，等。 北京燃气管网外腐蚀泄漏的关键影响因素［J］。 腐蚀与防护，2020（5）：54-56.

［ 2 ］张玉星，邢琳琳，王一君，等。 城镇燃气钢质管道腐蚀原因与对策研究［J］。 城市燃气，2019（11）：22-25.

［ 3 ］邢琳琳，李夏喜，段蔚，等。 柔性阳极在燃气管网改造中的应用［J］。 管道技术与设备，2015（1）：51-53.

［ 4 ］张军，王生平，邹健，等。 城市老旧小区低压燃气金属管网腐蚀现状分析［J］。 城市燃气，2017 （3）：13-15.

［ 5 ］胡义勇，何少平。 庭院燃气管道弯管开裂和腐蚀穿孔分析与措施［J］。 煤气与热力，2018（11）：B18-B20.

［ 6 ］许彤，刘建辉，佟大为。 西三环高压煤气管道腐蚀调查及分析［J］。 城市煤气，2000（6）：11-13.

［ 7 ］高佳伟。 北京燃气埋地管道牺牲阳极阴保系统服役性能的研究（硕士学位论文）［D］。 北京：北京科技大学，2014：70-80.

［ 8 ］刘瑶，尹志彪，邢琳琳，等。 城镇燃气厂站区域阴极保护方案研究及应用［J］。 城市燃气，2018（1）：21-26.

［ 9 ］李夏喜，廖如超，段蔚，等。 燃气管道防腐层剥除新技术及装置研究［J］。 煤气与热力，2016（12）：B25-B29.

［10］李夏喜，邢琳琳，马瑞莉。 阜石路燃气管道交流干扰评估与缓解技术研究及应用［C］// 中国土木工程学会。 中国土木工程学会2019年学术年会论文集。 北京：中国建筑工业出版社，2019：624-630.

［11］何少平，孙健民。 燃气管道防腐层微孔开挖修复工具的改进［J］。 煤气与热力，2015（8）：B35-B39.