張玉星

(北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)研究院，北京100011)

1 概述

通過對(duì)北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)(以下簡(jiǎn)稱北京燃?xì)?2014—2017年間管道腐蝕泄漏情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)[1]，得出低壓管網(wǎng)泄漏次數(shù)占比約75.4%，中壓泄漏次數(shù)占比約18.8%。分析其原因，首先低壓管網(wǎng)在北京燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道中占比較高，約為63.6%，管道長(zhǎng)度較長(zhǎng)，所以相應(yīng)地發(fā)生泄漏事故量較大；另外，低壓管網(wǎng)約73.2%沒有采取陰極保護(hù)措施，陰極保護(hù)有效性對(duì)于管道腐蝕控制極為關(guān)鍵；除此之外，低壓管網(wǎng)服役環(huán)境復(fù)雜，比如地鐵雜散電流干擾、與其他管線搭接引起的電偶腐蝕等一系列問題均縮短了腐蝕穿孔時(shí)間。

王慶余等人[1]對(duì)防腐層類型與泄漏事故量做了統(tǒng)計(jì)，得出瀝青防腐層泄漏次數(shù)占比約84.5%，3PE占比約4.3%，F(xiàn)BE及煤焦油瓷漆占比約1.9%。分析其原因，首先，瀝青類防腐層應(yīng)用占比較高，約為63.3%；其次，由于瀝青類防腐層服役年限較長(zhǎng)，且瀝青材料的絕緣性能較差，隨時(shí)間推移老化加速，導(dǎo)致防腐層破損點(diǎn)越來越多，管體腐蝕風(fēng)險(xiǎn)加大；另外，管道防腐層老化，陰極保護(hù)電流需求變大，但陰極保護(hù)卻沒有及時(shí)補(bǔ)加，導(dǎo)致腐蝕速率加大。

北京燃?xì)庖庾R(shí)到管道腐蝕控制是燃?xì)夤艿揽煽窟\(yùn)行的關(guān)鍵，近20 a分別針對(duì)陰極保護(hù)有效性、防腐層完整性、雜散電流干擾防護(hù)、陰極保護(hù)系統(tǒng)的補(bǔ)加與修復(fù)等方向開展一系列課題研究，形成相當(dāng)一部分成果用于示范應(yīng)用，推動(dòng)適用于城鎮(zhèn)燃?xì)獾母g控制技術(shù)發(fā)展。

2 陰極保護(hù)系統(tǒng)問題分析

2.1 北京燃?xì)怅帢O保護(hù)現(xiàn)狀

北京燃?xì)庥?987年開始應(yīng)用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)[2]，CJJ 95—2003《城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》要求低壓DN 200 mm及以上新建管道加裝陰極保護(hù)系統(tǒng)，CJJ 95—2013《城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》要求對(duì)所有新建管道全面加裝陰極保護(hù)系統(tǒng)。目前北京燃?xì)庵械蛪汗芫W(wǎng)陰極保護(hù)多采用鎂犧牲陽(yáng)極；部分次高壓及以上管網(wǎng)采用外加電流方式，地床類型包括淺埋陽(yáng)極、深井陽(yáng)極，同時(shí)于1998年在衙門口—良鄉(xiāng)管道引入國(guó)產(chǎn)柔性陽(yáng)極，同時(shí)于2004年在新敷設(shè)的高壓燃?xì)夤艿郎鲜褂萌嵝躁?yáng)極外加電流方式[3]。

2.2 低壓管網(wǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)

① 問題分析

目前低壓管網(wǎng)腐蝕問題在社區(qū)內(nèi)較為嚴(yán)重，陰極保護(hù)系統(tǒng)不完善是造成腐蝕泄漏事故的根本原因。根據(jù)北京燃?xì)饨陙淼蛪汗芫W(wǎng)腐蝕事故分析，發(fā)生腐蝕泄漏的主要原因分為以下幾類：

a.引入管的搭接問題[4]。目前絕大部分引入管在出地面之前未施加絕緣措施，燃?xì)夤艿廊霊糁?，極有可能與電器的接地極、熱力管道等發(fā)生搭接，由于相互的電位差從而造成電偶腐蝕。

b.雜散電流干擾問題。由于目前地鐵沿線上的社區(qū)較多，所以地鐵干擾對(duì)于社區(qū)鋼質(zhì)管道影響較大。

c.管道處于積水環(huán)境下引起的腐蝕問題。胡義勇等人[5]發(fā)現(xiàn)某小區(qū)地下車庫(kù)附近的燃?xì)夤艿腊l(fā)生腐蝕，分析其原因?yàn)楣艿缆裨O(shè)于地下車庫(kù)防水層以上，由于雨季發(fā)生積水，使得管道長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境下，導(dǎo)致防腐層剝離從而造成穿孔。

d.遺留凝水缸發(fā)生的腐蝕問題。由于部分管道還未完全廢除凝水缸且缸內(nèi)長(zhǎng)期存水，導(dǎo)致內(nèi)腐蝕穿孔從而發(fā)生泄漏事故[6]。

② 研究進(jìn)展

目前北京燃?xì)忉槍?duì)社區(qū)的腐蝕控制問題已經(jīng)逐漸開展工作，根據(jù)小區(qū)特點(diǎn)結(jié)合不同的陰極保護(hù)方式，比如鎂犧牲陽(yáng)極，以及不同陽(yáng)極地床(柔性陽(yáng)極、深井陽(yáng)極、淺埋陽(yáng)極)的外加電流陰極保護(hù)，通過饋電實(shí)驗(yàn)確定陰極保護(hù)電流需求，結(jié)合數(shù)值模擬軟件Beasy，對(duì)不同的陰極保護(hù)方式及地床或陽(yáng)極位置進(jìn)行研究，綜合考慮選取最優(yōu)方式。

2.3 中壓及以上管網(wǎng)陰極保護(hù)系統(tǒng)

① 問題分析

針對(duì)中壓及以上管道腐蝕泄漏事故，除了雜散電流引起的陰極保護(hù)系統(tǒng)失效以外，還主要集中在以下原因：

a.測(cè)試樁不足的問題。測(cè)試樁數(shù)量不足，導(dǎo)致對(duì)于管道陰極保護(hù)是否有效難以評(píng)估。

b.管道欠保護(hù)的問題。對(duì)于犧牲陽(yáng)極系統(tǒng)而言，陽(yáng)極設(shè)計(jì)壽命一般為25 a，目前部分陽(yáng)極服役已經(jīng)超過25 a，進(jìn)而失效，欠保護(hù)的問題逐漸顯現(xiàn)。

c.管道過保護(hù)導(dǎo)致的涂層剝離問題。對(duì)于FBE及3PE防腐層而言，管道電流需求較小，此時(shí)如果陰極保護(hù)電位過負(fù)，使得管道土壤環(huán)境偏堿性，OH-及H的產(chǎn)生都會(huì)造成涂層剝離問題，隨著剝離區(qū)域加大，會(huì)形成電流屏蔽。

② 研究進(jìn)展

北京燃?xì)馔ㄟ^科研課題，針對(duì)中壓及以上管網(wǎng)比較關(guān)注的犧牲陽(yáng)極系統(tǒng)有效性及壽命預(yù)測(cè)，提出了系統(tǒng)的方法。針對(duì)犧牲陽(yáng)極有效性評(píng)價(jià)方面，通過饋電實(shí)驗(yàn)或者理論計(jì)算得出某管段的陰極保護(hù)電流密度，結(jié)合管道信息得出最小保護(hù)電流，通過犧牲陽(yáng)極數(shù)量推算出陽(yáng)極組或者單支陽(yáng)極臨界接地電阻，最終通過對(duì)比在役犧牲陽(yáng)極及計(jì)算值確定犧牲陽(yáng)極的有效性；針對(duì)犧牲陽(yáng)極的壽命預(yù)測(cè)，主要通過計(jì)算得到的陽(yáng)極臨界接地電阻值，及測(cè)量的在役犧牲陽(yáng)極實(shí)際接地電阻值，并根據(jù)陽(yáng)極臨界接地電阻值及在役陽(yáng)極實(shí)際接地電阻值，分別計(jì)算陽(yáng)極等效直徑，根據(jù)等效直徑算出各自對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極質(zhì)量，結(jié)合陽(yáng)極利用系數(shù)、陽(yáng)極消耗率等計(jì)算犧牲陽(yáng)極系統(tǒng)的剩余壽命[7]。

2.4 調(diào)壓站陰極保護(hù)系統(tǒng)

① 存在問題

對(duì)于調(diào)壓站而言，陰極保護(hù)的不完善是目前腐蝕的主要原因。其中，某公司門站的區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)對(duì)鄰近的北京燃?xì)忾T站埋地管道的干擾，是腐蝕原因之一；另外調(diào)壓站地上管與埋地管交界處，干濕交替及氧氣濃度差也是腐蝕風(fēng)險(xiǎn)之一。

② 研究進(jìn)展

北京燃?xì)馔ㄟ^科研課題研究了區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)在城鎮(zhèn)燃?xì)獾氖褂肹8]，具體思路如下：

a.首先，對(duì)廠站概況進(jìn)行調(diào)研，包括站內(nèi)埋地管道、接地等數(shù)量、分布位置、尺寸、埋深、防腐層情況，為后續(xù)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)資料。

b.通過饋電實(shí)驗(yàn)摸清管道的極化特性，并在饋電實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)陽(yáng)極地床進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

針對(duì)調(diào)壓站地上管與埋地管交界處，由于地面潮濕導(dǎo)致不同程度的腐蝕現(xiàn)象，采用噴砂除銹后使用黏彈體的腐蝕防護(hù)方法。

3 管道防腐層問題分析

① 北京燃?xì)夥栏瘜蝇F(xiàn)狀

目前北京燃?xì)庠谝鄯栏瘜臃N類較多，其中包括石油瀝青、環(huán)氧煤瀝青、塑化瀝青防蝕帶、FBE防腐層、3PE防腐層等，20世紀(jì)80年代前后，北京燃?xì)庖允蜑r青防腐層為主，到90年代前后，逐漸使用環(huán)氧煤瀝青、塑化瀝青防蝕帶，直到2000年以后，才開始使用FBE、3PE等防腐層，目前新建鋼質(zhì)管道以3PE防腐層為主。

② 管道防腐層及破損點(diǎn)

a.存在問題

針對(duì)管道防腐層及破損點(diǎn)的問題，目前主要集中在以下2點(diǎn)：首先，隨著管道服役年限增長(zhǎng)，防腐層受土壤環(huán)境、陰極保護(hù)、雜散電流干擾等影響，涂層本身老化，進(jìn)而陰極保護(hù)電流需求變大，對(duì)管道的保護(hù)效能降低；另外，目前管道的破損點(diǎn)過多，由于陰極保護(hù)的作用是使得防腐層破損點(diǎn)電位負(fù)移從而不被腐蝕，所以并不是全部破損點(diǎn)都需要修復(fù)，破損點(diǎn)分級(jí)及修復(fù)次序變得尤為重要。

氣象站所在地的地貌為戈壁、綠洲相間的平緩沙丘，地形起伏較小、開闊。圖1為半徑40 km范圍的地形情況，總體上以北開始有起伏山地出現(xiàn)，在半徑40 km范圍最大地形高差達(dá)500～600 m。

b.研究進(jìn)展

目前北京燃?xì)庖呀?jīng)開展防腐層退化規(guī)律及保護(hù)效能的課題，初步形成了基于面電阻率檢測(cè)結(jié)果的防腐層退化規(guī)律，為防腐層的壽命預(yù)測(cè)及保護(hù)效能分析奠定基礎(chǔ)。同時(shí)也逐漸開展防腐層破損點(diǎn)的修復(fù)工作，為管道安全運(yùn)營(yíng)提供保障。

③ 防腐層檢測(cè)與補(bǔ)口

a.存在問題

針對(duì)防腐層檢測(cè)與補(bǔ)口的問題，目前主要集中在以下兩點(diǎn)：首先，對(duì)于防腐層檢測(cè)周期問題，CJJ 95—2013規(guī)定高壓、次高壓管道每3 a不得少于1次，中壓管道每5 a不得少于1次，低壓管道每8 a不得少于1次，但目前受諸多條件限制，對(duì)于該周期的執(zhí)行暫時(shí)存在問題，從而導(dǎo)致對(duì)于管道防腐層性能無法及時(shí)獲??；另外，對(duì)于防腐層補(bǔ)口問題，應(yīng)該更加關(guān)注施工質(zhì)量，尤其焊縫處的補(bǔ)口補(bǔ)傷，對(duì)于管體的清潔度、錨紋深度等表面處理及后期檢驗(yàn)都應(yīng)該重視。

b.研究進(jìn)展

目前北京燃?xì)庖蜒邪l(fā)了針對(duì)管道補(bǔ)口補(bǔ)傷的防腐層剝除技術(shù)，通過無明火的熱風(fēng)作為加熱源，加熱軟化防腐層的同時(shí)用剝刀風(fēng)嘴進(jìn)行防腐層剝除，該裝置不引發(fā)明火，安全性高，能夠更加高效、便捷地完成補(bǔ)口補(bǔ)傷工作[9]。

4 雜散電流干擾問題分析

① 北京燃?xì)怆s散電流干擾現(xiàn)狀

隨著能源和交通運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展，燃?xì)夤芫W(wǎng)與地鐵、高壓輸電線路、電氣化鐵路平行或交叉的情況越來越多，鋼質(zhì)管道受到雜散電流干擾日益嚴(yán)重。到2020年，北京地鐵將有30條地鐵線路，運(yùn)營(yíng)總長(zhǎng)達(dá)到1 177 km；另外，北京是全國(guó)最大的鐵路樞紐，有京廣線、京滬線、京九線、京包線、京通線等眾多鐵路干線呈輻射狀通向全國(guó)各地，龐大的軌道交通及電力網(wǎng)絡(luò)與燃?xì)夤芫W(wǎng)密集地分布在北京地區(qū)。

② 地鐵直流干擾

a.存在問題

地鐵直流雜散電流的問題目前主要集中在以下幾點(diǎn)：首先，需進(jìn)一步加強(qiáng)24 h監(jiān)測(cè)力度，全面排查地鐵直流干擾風(fēng)險(xiǎn)，有針對(duì)性地采取干擾防護(hù)措施；其次，目前針對(duì)地鐵動(dòng)態(tài)直流干擾的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)尚不完善，一般參照澳大利亞標(biāo)準(zhǔn)AS 2832.1—2015《金屬的陰極保護(hù) 管道及電纜》(Cathodic protection of metals - pipes and cables，以下簡(jiǎn)稱AS 2832.1—2015)，對(duì)于該標(biāo)準(zhǔn)的適用性還有待探討；另外，干擾環(huán)境下的陰極保護(hù)電位會(huì)頻繁變化，所以對(duì)于陰極保護(hù)的評(píng)價(jià)有一定難度。

b.研究進(jìn)展

針對(duì)地鐵直流干擾對(duì)埋地管道的影響問題，北京燃?xì)馔ㄟ^課題研究形成了腐蝕速率與干擾規(guī)律之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，基于AS 2832.1—2015建立了腐蝕風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判據(jù)。結(jié)合示范應(yīng)用，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比鎂犧牲陽(yáng)極及強(qiáng)制排流兩種類型的排流效果，隨后通過饋電實(shí)驗(yàn)確定最終排流方案。

③ 高壓線交流干擾

a.存在問題

針對(duì)高壓線交流干擾的問題，目前集中在以下幾點(diǎn)：首先，由于城鎮(zhèn)燃?xì)忾_挖難度大、地域限制條件多，在排流設(shè)計(jì)及施工中均存在難點(diǎn)，對(duì)于長(zhǎng)輸管道常用的水平鋅帶地床在城鎮(zhèn)燃?xì)庵惺荛_挖條件限制無法完全適用，需要進(jìn)一步根據(jù)管道周邊環(huán)境探討多種地床形式相結(jié)合的防護(hù)方案；其次，采取交流干擾防護(hù)措施的管道沒有制定效能評(píng)價(jià)的相關(guān)規(guī)定。

b.研究進(jìn)展

目前針對(duì)高壓管道的交流干擾問題已經(jīng)開展了評(píng)估及緩解技術(shù)，主要以阜石路高壓燃?xì)夤艿罏槔８蓴_防護(hù)方案的設(shè)計(jì)主要通過CDEGS軟件根據(jù)實(shí)際位置關(guān)系建立管道與高壓管道模型，并分別通過使用水平鋅帶地床、分布式犧牲陽(yáng)極地床、深井陽(yáng)極地床等方式相結(jié)合進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終綜合管道周邊的地理環(huán)境合理選擇干擾緩解地床形式[10]。

5 埋地管道的維修維護(hù)問題分析

① 北京燃?xì)夤艿谰S修維護(hù)現(xiàn)狀

北京燃?xì)饴竦毓艿赖木S修維護(hù)主要集中在犧牲陽(yáng)極更新及防腐層修復(fù)，目前一般采用大面積開挖的方式，缺點(diǎn)是占地面積大、施工時(shí)間較長(zhǎng)、路面恢復(fù)難度大等。尤其在市政道路的燃?xì)馐┕な艿街T多限制，大多需在凌晨進(jìn)行，人力、財(cái)力消耗均較大。

② 存在問題

針對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)馓攸c(diǎn)及埋地管道的服役情況，目前的問題主要是隨著犧牲陽(yáng)極服役壽命臨近及防腐層破損點(diǎn)持續(xù)增多，對(duì)于城鎮(zhèn)燃?xì)舛裕笃趯?duì)于埋地管道的維修維護(hù)將占據(jù)絕大部分工作，因此急需開發(fā)一種可快速開挖、修復(fù)的設(shè)備。

③ 研究進(jìn)展

為解決犧牲陽(yáng)極的檢測(cè)及后期補(bǔ)裝問題，通過調(diào)研分析，設(shè)計(jì)了一種避免重復(fù)開挖的裝置——可更換陽(yáng)極池。北京燃?xì)馔ㄟ^設(shè)計(jì)不同類型的材料結(jié)構(gòu)，比如預(yù)制或現(xiàn)澆的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、磚混結(jié)構(gòu)等，并研究了陽(yáng)極池內(nèi)填料，最終形成了適用于不同服役環(huán)境的陽(yáng)極池方案。

埋地管道的開挖及修復(fù)一直是困擾城鎮(zhèn)燃?xì)獾碾y題，北京燃?xì)馔ㄟ^設(shè)計(jì)、研究微孔開挖設(shè)備，通過切割路面、真空挖掘，然后配合研發(fā)的防腐層修復(fù)工具、犧牲陽(yáng)極安裝工具及監(jiān)控系統(tǒng)完成埋地管道的維修維護(hù)工作，目前該套設(shè)備適用于埋深小于2 m，管徑小于DN 600 mm的管道破損點(diǎn)修復(fù)及犧牲陽(yáng)極安裝等工作[11]。

6 下一步工作建議

① 針對(duì)社區(qū)的腐蝕控制問題，建議首先依據(jù)社區(qū)腐蝕泄漏事故量進(jìn)行腐蝕風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)，其次結(jié)合社區(qū)特點(diǎn)(社區(qū)規(guī)模、施工空間及難易程度等)、管道基本信息(服役年限、防腐層類型等)對(duì)社區(qū)進(jìn)行分類；最后，對(duì)社區(qū)埋地管道的陰極保護(hù)電流需求值、雜散電流干擾程度做出評(píng)價(jià)，通過Beasy數(shù)值模擬軟件及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)犧牲陽(yáng)極或外加電流陰極保護(hù)方案，并優(yōu)化形成某一類社區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)化陰極保護(hù)設(shè)計(jì)流程。

② 針對(duì)中壓及以上的埋地管道，建議重點(diǎn)關(guān)注非開挖穿越管段的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，比如定向鉆管道的陰極保護(hù)及防腐層有效性評(píng)級(jí)、頂管穿越管道受雜散電流干擾的腐蝕規(guī)律及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)方法等，并制定合理的風(fēng)險(xiǎn)防控方案，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的精細(xì)化控制。

③ 針對(duì)調(diào)壓站埋地管道腐蝕問題，建議對(duì)未施加區(qū)域陰極保護(hù)的調(diào)壓站展開腐蝕數(shù)據(jù)收集，包括雜散電流干擾、土壤腐蝕、腐蝕速率等，對(duì)調(diào)壓站腐蝕風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)評(píng)估，腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較大的調(diào)壓站及時(shí)設(shè)計(jì)并實(shí)施區(qū)域陰極保護(hù)。

④ 針對(duì)防腐層性能退化問題，建議收集不同服役年限的管道防腐層，進(jìn)行電阻率、針入度、延伸度、抗?jié)B透性等多個(gè)指標(biāo)的檢測(cè)，歸納防腐層自身的性能變化規(guī)律。針對(duì)3PE、FBE防腐層，建議重點(diǎn)考慮局部破損點(diǎn)的剝離造成的電流屏蔽問題。

⑤ 針對(duì)防腐層破損點(diǎn)的修復(fù)問題，建議對(duì)破損點(diǎn)修復(fù)次序分級(jí)，具體可結(jié)合破損點(diǎn)的服役環(huán)境，建議考慮不同服役環(huán)境對(duì)應(yīng)的腐蝕速率作為分級(jí)的重要參數(shù)，制定合理的破損點(diǎn)修復(fù)順序方案。

⑥ 針對(duì)雜散電流干擾問題，建議對(duì)于新建管道需提前進(jìn)行干擾風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，盡可能規(guī)避干擾線路，并做好排流措施；通過收集同一測(cè)試點(diǎn)的干擾情況、腐蝕速率等數(shù)據(jù)，隨著數(shù)據(jù)量的不斷積累，逐步將干擾規(guī)律與腐蝕速率之間建立聯(lián)系，形成更加直觀的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法；充分利用24 h雜散電流監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析高鐵電氣化鐵路的干擾規(guī)律、腐蝕規(guī)律、腐蝕機(jī)理等，并制定適用于城鎮(zhèn)燃?xì)獾母g判別指標(biāo)及干擾防護(hù)措施。

⑦ 針對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)忾_挖困難的特點(diǎn)，繼續(xù)開展以微孔開挖為代表的新技術(shù)的深入研究，持續(xù)跟蹤、探索適用于城鎮(zhèn)燃?xì)獾臓奚?yáng)極快速補(bǔ)加更換、防腐層破損點(diǎn)修復(fù)等技術(shù)，為管道維修提供技術(shù)支撐和保障。