“十三五”期間,我國天然氣管道建設實現了飛速發展,已基本形成“全國一張網”,天然氣消費總量持續增長,下游城市燃氣事業發展迅速,以高、中、低三種壓力級制為主的城市燃氣管網,作為城市的能源生命線已經分布于城市的各個鄉鎮街道[1-4]。據統計我國現有約105萬km的燃氣管道,其中近8萬km服役時間超過20 a[5]。由于我國燃氣管道管理基礎較為薄弱,標準制度大多按照長輸管道“照方抓藥”,加上許多城市燃氣管道已進入“老年期”,按照“浴盆曲線”規律,服役時間較長的燃氣管道已進入耗損故障期,燃氣管道安全事故時有發生,造成了人員傷亡和重大財產損失[6]。

在造成燃氣管道安全事故的眾多因素中,腐蝕是引起埋地鋼質燃氣管道壁厚減薄和失效的主要原因之一。以北京燃氣為例,2014-2017年間,發生了1 075起腐蝕漏氣事故。其中,低壓管道約745起,占比75.4%,中壓管道次之（196起）,次高壓及高壓管道分別為18起和20起,占比均約為2%。低壓管道防腐蝕層質量普遍較差,同時未施加有效的陰極保護,成為了腐蝕漏氣的高發區,部分中壓管道施加了陰極保護,而次高壓及高壓管道由于有良好的防腐蝕層和陰極保護,腐蝕漏氣事件相對較少[7]。埋地鋼質燃氣管道腐蝕漏氣過程具有隱蔽性、延時性和突發性,隨著管道服役時間的延長,管道腐蝕風險越大。通常管道腐蝕穿孔孔徑較小,管道覆土層較厚,泄漏燃氣會在土壤空隙或其他構筑物空間內形成“氣藏”,在遇明火或靜電打火條件下,極易發生爆燃甚至爆炸事故,造成嚴重的災害后果。近年來,國內發生了多起由腐蝕引起的燃氣泄漏爆炸事故,2021年6月13日,湖北十堰發生重大燃氣爆炸事故,造成26死148傷,直接經濟損失超過五千萬元,其直接原因為中壓燃氣管道的腐蝕漏氣；2021年10月24日,大連再次發生管道腐蝕漏氣導致的燃氣爆炸事故,造成2死7傷[8]。一系列燃氣管道腐蝕爆炸事故引起了國務院安委會和各地政府的高度重視。客觀認識城鎮燃氣埋地鋼質管道腐蝕防護現狀,并對腐蝕風險進行有效檢測、評估與控制是確保燃氣管道安全運行的重要保障。

筆者闡述了城鎮燃氣埋地鋼質管道防腐蝕現狀與發展歷史,總結分析了城鎮燃氣鋼質管道腐蝕防護迫切需要解決的技術問題,以期為城鎮燃氣管網的安全運行提供參考。

1. 防腐蝕層

防腐蝕層作為埋地鋼質管道的第一道防線,其質量的優劣在一定程度上影響著陰極保護的效果和管道的使用壽命。早在20世紀40~70年代,石蠟、石油瀝青、膠帶、夾克等防腐蝕層相繼被開發,基本上瀝青類防腐蝕層占主導地位,后期出現了雙層擠壓聚乙烯防腐蝕層（2PE）、熔結環氧粉末（FBE）防腐蝕層和三層擠壓聚乙烯（3PE）防腐蝕層[9]。城鎮燃氣埋地鋼質管道采用的防腐蝕層,基本貫穿了國內防腐蝕層發展史,包括石油瀝青、環氧煤瀝青、煤焦油磁漆、FBE、3PE等,不同類型防腐蝕層在埋地鋼質燃氣管道上的應用歷史如表1所示[10]。

由表1可見,2000年以前,城鎮燃氣管道基本以瀝青類防腐蝕層為主；2000年以后開始應用絕緣性能良好的環氧粉末和三層擠壓聚乙烯防腐蝕層；2010年以后,主要采用三層擠壓聚乙烯防腐蝕層；城鎮燃氣管道防腐蝕層的發展應用過程滯后于長輸管道。

由于建設年代不同,城鎮燃氣現役管道防腐蝕層種類較多,性能、質量參差不齊。基于材料性能原因,瀝青類防腐蝕層容易產生老化現象,保護效果隨著服役時間延長降低[11],研究表明,管道瀝青防腐蝕層使用17~18 a就應該有計劃進行大修更換[12],而服役20 a以上的老舊燃氣管線大多采用瀝青類防腐蝕層,隨服役時間延長逐漸出現硬化、變脆及開裂現象,老化嚴重,整體絕緣性能較差,且大部分管道建設時未施加陰極保護,造成這些管道成為了燃氣管網腐蝕漏氣的重災區[13]。相較于瀝青類防腐蝕層,環氧粉末和三層擠壓聚乙烯防腐蝕層的絕緣性能有了顯著提高,但受到施工破壞和補口質量等因素的影響,環氧粉末和三層擠壓聚乙烯防腐蝕層也存在局部的失效點,失效類型包括鼓泡[14],陰極屏蔽,防腐層破損或未補口[15]。其中陰極剝離是在較負的陰極保護電位條件下,防腐蝕層缺陷處累積氧和水,發生陰極電化學反應,使得缺陷處pH升高,造成防腐蝕層與管道基體剝離的現象,一般隨著陰極保護電位負移,剝離距離增大[16]。

防腐蝕層破損點的查找和防腐蝕層絕緣性能的檢測是各大燃氣公司日常生產運行的工作內容。由于燃氣管道所處城市空間環境復雜,多位于柏油路面下,且與其他市政管道同溝敷設,開挖難度大,一般采用防腐蝕層地面檢測儀進行防腐蝕層破損點與絕緣性能檢測。國內燃氣公司防腐蝕層地面檢測主要采用人體電容法和多頻管中電流衰減法[17-18]：人體電容法是利用人體作為檢漏儀的感應原件,通過電位音頻查找防腐蝕層破損點,該方法操作簡單、設備價格便宜,抗干擾性強,能快速查找破損點,但無法對防腐蝕層整體情況進行評價。多頻管中電流衰減法是采用特定信號收發技術,利用A字架查找防腐蝕層破損點,評估防腐蝕層整體絕緣情況,對于分支少的次高壓及以上的燃氣管線,其檢測效果較好,但在檢測庭院管線時,該方法的檢測距離和檢測效果并不理想[19-20]。

綜上可見,城鎮燃氣埋地鋼制管道防腐蝕層種類繁多,性能、質量參差不齊,服役20 a的老舊管道以瀝青類防腐蝕層為主,防腐蝕層老化導致整體絕緣性能較差；同時由于城鎮燃氣管道分布廣、搭接多、受干擾大,防腐蝕層在進行地面檢測時易受電磁干擾,現有的防腐蝕層檢測方法,檢測信號存在屏蔽區域,檢測效率較低,評估準確性有待提升。

2. 陰極保護

陰極保護作為埋地鋼質管道腐蝕防護的有效技術已經在國內外長輸管道上得到了全面的應用。在城鎮燃氣領域,陰極保護的應用滯后于長輸管道,陰極保護技術在城鎮燃氣的應用發展歷史如表2所示。

由表2可見：城鎮燃氣自20世紀80年代開始應用陰極保護,由于城市地下管網復雜,城鎮燃氣陰極保護的形式主要以犧牲陽極為主,外加電流為輔。隨著陰極保護技術的推廣應用,2003年住建部推出了行業標準CJJ95-2003《城鎮燃氣埋地鋼質管道腐蝕控制技術規程》,規程明確規定城鎮燃氣埋地鋼質管道必須采用防腐蝕層進行外保護,新建的高壓、次高壓、公稱直徑大于或等于100 mm的中壓管道和公稱直徑大于或等于200 mm的低壓管道必須采用防腐蝕層輔以陰極保護的腐蝕控制系統。2014年修訂CJJ95標準時,規定新建管道應采用防腐蝕層輔以陰極保護的腐蝕控制系統。

由于早期沒有標準規范約束,服役20 a以上的燃氣管道,除了高壓力級燃氣管道參照長輸管線設計了防腐蝕層輔以陰極保護的防腐措施外,大部分中低壓燃氣管道均未設計陰極保護,僅依靠防腐蝕層進行防護。隨著服役時間增長,防腐蝕層老化嚴重,絕緣性能變差,再加上地下金屬結構物搭接混亂,大量無陰極保護的中低壓管道成為了腐蝕漏氣的重災區[2-23]。由于管道無陰極保護和測試裝置,腐蝕漏氣風險查找難度大,燃氣管理單位無法進行科學精準的預防、維護和改造,只能被動進行漏氣巡查和搶修,這增大了管道運維成本和腐蝕風險,如何處置這部分使用瀝青類防腐蝕層且無陰極保護的老舊管道是迫切需要解決的問題。各地燃氣公司也在積極研究探索,目前主要的解決措施有以下四種。①更換塑料管。如上海燃氣公司在不開挖或少開挖條件下對黃浦區西藏路腐蝕嚴重的中壓燃氣管道實施PE管內插處理,解決了老齡“超期服役”燃氣管道嚴重腐蝕泄漏問題[24]。②追加區域陰極保護。北京燃氣公司采用外加電流陰極保護技術對老舊燃氣管線追加陰極保護,在一定程度上解決了未知支線多、絕緣不徹底造成的陰保電流流失、陽極干擾及地床電阻等問題[25]。③改造絕緣設施并追加陰極保護。昆明燃氣公司通過改造絕緣設施,并在防腐蝕層破損點處追加犧牲陽極302組,使昆明地下燃氣管道陰極保護達標率從2019年的37.4%提升至2020年的40.9%[26]。④實施防腐蝕層修復,并追加陰極保護。杭州燃氣公司引進微孔開挖技術,在2010-2013年間,修復防腐蝕層破損點785個,閥門漏電點105個,追加犧牲陽極923支,提升管道腐蝕與防護完整性管理水平[27]。

綜上可見,在城鎮燃氣行業,還存在大量沒有陰極保護的老舊中低壓燃氣管道,由于這些管道大多分布在地下環境復雜的社區,管道防腐蝕層較差,電連接點多,電流漏失大。針對這些管道,如何追加陰極保護,選用什么陰極保護方法,按照怎樣的標準化實施及施加條件等問題,是目前燃氣行業的研究熱點。

3. 雜散電流

隨著經濟建設的快速發展,城市公共設施走廊被嚴重壓縮,燃氣管道與輸電設施、軌道交通、公交電車及各類用電設施交織在一起,燃氣管道受雜散電流干擾日益嚴重。在國外,美國、加拿大和俄羅斯等國均發現鋼質天然氣管道受地鐵雜散電流和高壓輸電線雜散電流干擾腐蝕的案例,我國城市燃氣管網受交、直流雜散電流干擾也屢見不鮮,尤其是北京、上海、深圳等大城市的城市燃氣管網[28-32]。2017年,北京燃氣公司對管網63個疑似雜散電流干擾點進行檢測,發現48個疑似點處于強干擾,占比達76%[33]。上海燃氣曾發現其天然氣主干網管道遭到嚴重雜散電流干擾而發生腐蝕,最大腐蝕坑深達到5.1 mm,為其原始壁厚的53.7%[34]。廣州地鐵開通后,廣州燃氣公司統計發現其中壓管網的腐蝕搶修量激增,且一直受地鐵動態雜散電流干擾而處于高發狀態[35]。2009年3月,深圳燃氣公司投訴深圳地鐵,由于地鐵雜散電流的影響,燃氣管道腐蝕穿孔多處,索賠2 100萬[36]。無錫華潤燃氣管道受高壓輸電線路（550和220 kV）干擾,交流電流密度103.891 A/m2,電氣化鐵路干擾管道交流電流密度高達312.84 A/m2[27]。可見,雜散電流是造成城鎮燃氣管道腐蝕的重要影響因素,城鎮燃氣常見的雜散電流干擾形式及主要干擾源見表3。

如表3所示,城鎮燃氣管道上常見的雜散電流形式主要有動態直流干擾、穩態直流干擾和交流干擾[38]。其中,動態直流干擾的干擾源主要為采用直流供電的城市軌道交通（地鐵、輕軌）和有軌電車[39],穩態直流干擾的干擾源主要為與埋地燃氣管道存在搭接的電力接地體、基礎鋼筋等[40],交流干擾的干擾源主要為高壓交流輸電線路和高鐵等交流電氣化鐵路[41]。次高壓以上燃氣管道由于管線較長,防腐蝕層質量較好,多與地鐵和輸電線路交叉并行,主要受動態直流干擾和交流干擾影響；低壓管道多位于小區內,且管段容易被絕緣接頭和塑料管分割成小單元,受動態雜散電流干擾較弱,但由于社區內地下金屬結構物種類繁多,包括建筑物避雷接地體、供水管道、排水管道、供熱管道、地下車庫、通信照明設施、充電樁等,低壓燃氣管道極易與其他地下金屬結構物搭接或受到穩態雜散電流干擾而加速腐蝕,造成社區內低壓管網出現高頻腐蝕泄漏[42]。中壓燃氣管道多位于城市道路下方,經常與地鐵線和電力電纜交叉并行,同時,由于中低壓調壓箱出入端極少設置絕緣裝置,中低壓管道電連接在一起,因此,中壓管道除了受動態直流雜散電流干擾和交流干擾外,部分管道由于與低壓管道電連接,還受到穩態直流干擾,特別是無陰極保護或陰極保護失效的中壓管道成為了雜散電流干擾腐蝕的重災區。

在城鎮燃氣管道所受雜散電流干擾日益嚴峻情況下,如何對不同形式的雜散電流干擾進行有效檢測、評判和防治是各大燃氣公司面臨的棘手問題。針對城鎮燃氣雜散電流干擾,國內有燃氣公司采用了CDEGS[43]、MATLAB[44]、COMSOL Multiphysics[45]、BEASY[46]等軟件對交直流雜散電流干擾進行數值模擬,應用uDL2數據記錄儀進行現場測試。另外,深圳燃氣、蘇州燃氣等公司通過內檢測技術,對高壓、次高壓管線在不停輸狀態定量檢測出大量雜散電流腐蝕缺陷,然而由于中、低壓燃氣管道管徑小、壓力低、分支多,目前尚無成熟的內檢測技術可用于中低壓管道的管體缺陷檢測[47]。城鎮燃氣管道受直流干擾時,可參考的標準有CJJ95-2013《城鎮燃氣埋地鋼質管道腐蝕控制技術規程》、GB50991-2014《埋地鋼質管道直流干擾防護技術標準》,上海燃氣和北京燃氣相繼對動態直流干擾出具了各自的企標；行業內對于無陰極保護管道的雜散電流評判指標及動態干擾評判指標存在爭議。城鎮燃氣管道受交流干擾可參考的標準有SY/T 0087.6-2021《鋼質管道及儲罐腐蝕評價標準——第6部分：埋地鋼質管道交流干擾腐蝕評價》及GB/T 40377-2021《金屬和合金的腐蝕——交流腐蝕的測定　防護準則》,以上標準中給出了穩態交流干擾的評估指標,但缺乏對于交流電氣化鐵路動態交流干擾的評判指標。

在雜散電流防治方面,同樣存在諸多困難。一方面,電力設施和軌道交通等工程在設計初,只能通過模擬、預判等技術手段評估雜散電流干擾影響,無法準確掌握實際投運后的雜散電流排放大小,造成燃氣方追加雜散電流排流技術方案、經費和權責等問題均滯后。地下城市空間結構物的隸屬和權責不同,造成燃氣方難以有效預防和消除雜散電流干擾對燃氣管道的腐蝕,目前主要是依靠燃氣方單方面采取排流防護來緩解干擾問題,但其面臨排流難度大、防護效率低、排流成本高等難題。另一方面,社區低壓燃氣管道易與戶內管道及其他金屬結構物發生搭接現象,在很多情況下難以實現社區低壓燃氣管道電絕緣單獨隔離,從而為陰極保護的設計和有效實施帶來較大的挑戰。

綜上可見,城鎮燃氣管道除了受到來自電力設施和軌道交通的雜散電流干擾外,還存在由于和社區地下金屬結構物搭接造成的穩態直流干擾；如何針對城鎮地區地下服役環境特點及管道分布區域特點,建立適用于不同干擾條件下的有效測試、評價及防護方法,從而降低雜散電流干擾風險,保證燃氣管道的安全運行,已成為燃氣腐蝕控制管理工作的重要內容。

4. 結束語

基于現有燃氣管道腐蝕防護現狀及存在的問題,為了提高腐蝕控制管理水平,降低腐蝕危害,建議從以下幾個方面開展相關工作。

（1）防治技術方面：①基于城鎮燃氣管道防腐蝕層種類繁多,開發適合城市燃氣管道防腐層檢測評估技術,按周期檢測防腐層絕緣性能和定位防腐層破損點；②針對無陰保老舊燃氣管道,研究檢測評估方法,追加經濟可行的技術改造措施,形成中低壓燃氣管網腐蝕風險管控技術；③結合城市復雜工況環境,探索多種雜散電流干擾混合作用下的有效檢測、評估和防治技術；④針對城鎮燃氣管網結構、壓力及環境等特點,研發適用于城鎮燃氣管道的內檢測技術；⑤在燃氣管網腐蝕監檢測、預警及防護等方面開展系統和持續研究,構建城市燃氣管網腐蝕風險管控技術體系,牽引大型城市燃氣管網安全保障水平的穩步提升。

（2）標準體系及研發方面：燃氣行業針對燃氣管網的腐蝕原因及特點,細化標準要求,完善相關標準,特別需要關注老舊中低壓管道的腐蝕檢測評價標準及社區庭院管道絕緣與陰極保護技術要求；同時建立并完善企業腐蝕控制運行管理制度,投入相應的人力、物力和財力用于燃氣管道腐蝕與防護工作,消除燃氣管道腐蝕隱患,開展腐蝕風險檢測、評估和改造相關課題的科研攻關。

（3）協調機制方面：構建燃氣管網-軌道交通等多方協調聯動機制。實現燃氣管道腐蝕防護的本質安全,貫穿燃氣管道全生命周期,不能單單依靠燃氣行業和燃氣企業,更需要政府的支持引導、各類市政公用設施的統籌協調和社會大眾的參與配合。針對涉及燃氣管網、軌道交通、電力設施等多方的雜散電流腐蝕干擾問題與安全隱患,由政府引導,相關部門牽頭,組建由管道、地鐵等主管單位、運營單位、科研單位共同參加的聯合工作組,建立溝通協商和聯合工作機制,各負其責,推進“源頭控制,共同治理”理念,開展雜散電流干擾聯合測試與防護,共同解決公共安全隱患。

（4）安全管控方面：全面排查城鎮燃氣管網腐蝕風險,提升整個燃氣管網安全防護水平。全面準確采集城鎮燃氣管網基礎參數、運行歷史、服役工況、檢測維修、防護措施、故障搶修等數據,建立相應城鎮燃氣管網全生命周期服役安全數據庫；結合大數據技術,構建故障診斷、風險評判方法和系統,實現對管道服役安全風險的智能評判和高風險區域的精準管理,實現管網安全風險的全面、智能管控。

文章來源——材料與測試網