北京市燃氣管材失效與土壤腐蝕性微生物特征研究*

萬云洋，武 旻，徐得甲，孫桂勇

(1.中國石油大學(北京)地層微生物資源與應用研究中心 油氣資源與探測國家重點實驗室油氣污染防治北京市重點實驗室 非常規油氣科學技術研究院，北京 102249;2.北京燃氣昌平有限公司，北京 102200)

近年來，國內外燃氣管網建設規模越來越大，相應的各種燃氣管道失效頻繁發生，造成了巨大的經濟損失和嚴重的環境污染，也直接威脅著生產作業人員的生命安全[1]。燃氣管道失效主要受管道材質和環境因素的影響，其中土壤腐蝕性微生物的影響不容忽視[2-3]。據統計，微生物對金屬材料的腐蝕占金屬材料總腐蝕的20%左右[4]。

北京市的燃氣管道發展迅速，截止到2016年其總長已超過20 000 km。迄今為止，關于北京市燃氣管道失效分析的研究報道極為少見,因此，分析北京市燃氣管道失效特征，并采取有效的防護措施刻不容緩。對2015至2016年北京市燃氣管道失效數量進行統計分析，重點探討人工干擾、環境因素(土壤、降水和季節變化)、管道材質、服役年限等對燃氣管道失效的影響，建立燃氣管道失效與土壤腐蝕性微生物的相關關系，為燃氣管道的腐蝕和防護提供參考，提高燃氣管道的安全管理與技術水平。

1 北京市燃氣管道失效統計分析

1.1 燃氣管道失效的原因分析

北京市燃氣管材主要為鋼管和塑料管兩種類型，其中鋼管占大部分比例，塑料管以聚乙烯(PE)管為主。PE管主要應用于中壓和低壓管道中，截止到2016年北京市PE管普及率約為4%。兩年內北京市燃氣管道失效數量達到1 518次，平均總失效頻率為3.8次/(105m·a)，其中由腐蝕導致的管道失效數量有556次，平均腐蝕失效頻率為1.4次/(105m·a)。

北京市燃氣管道的失效原因復雜，主要包括腐蝕、第三方破壞、建設施工質量、材料缺陷、設備問題和其他等(見表1)。 從表1 可以看出，由腐蝕引起的管道失效占比最大，為38.7%，腐蝕又分為外腐蝕和內腐蝕，其中外腐蝕又占絕大部分，內腐蝕占比很小。因此，外腐蝕是北京市燃氣管道的失效主因。

1.2 燃氣管道失效的材質特征

圖1為兩年內北京市燃氣管道失效的材質特征分析。從圖1可以看出，失效燃氣管材包括鋼管、塑料管、鑄鐵管和鍍鋅管4種類型，其失效數量按由大到小的順序排列依次為:鋼管>塑料管>鑄鐵管>鍍鋅管。其中，朝陽區、豐臺區和海淀區的鋼管及塑料管失效數量均較多，懷柔區和密云區的4種管材失效數量均較少；西城區和東城區的鋼管失效數量遠大于塑料管失效數量。

表1 2015至2016年北京市燃氣管道失效統計分析

圖1 燃氣管道失效的材質特征分析

1.3 燃氣管道失效的地域特征

北京市中心地區(海淀區、朝陽區、東城區、西城區、石景山區、豐臺區)相對周邊地區(密云區、懷柔區、昌平區、順義區、通州區、大興區、房山區)來說，其管道失效頻率較大(見圖2)。因地勢差異，從中心地區到周邊地區土壤類型依次呈現潮土、褐土及棕壤順序。各區的管道腐蝕失效頻率與總失效頻率地域分布特征相似，均呈現出由中心地區向周邊地區遞減的趨勢，與人口密度也存在正相關性(見圖2(b))。同時隨著地域的變化，不同管材的失效數量和頻率變化趨勢表現一致。在朝陽區、豐臺區和海淀區，鋼管及塑料管的失效數量較多，且失效頻率較高；在懷柔區和密云區，鋼管及塑料管的失效數量較少，且失效頻率較低。

圖2 燃氣管道失效的地域分布特征

1.4 燃氣管道腐蝕失效的服役年限特征

北京市燃氣管道腐蝕失效的服役年限多為7～26 a(見圖3)。海淀區、石景山區以及房山區等北京西南部在管道服役17～26 a發生的腐蝕失效數量較多；其余10區發生的腐蝕失效多集中在管道服役7～16 a，這些地區多位于北京市的東南和東北部；另外，大興區、豐臺區、海淀區、石景山區、通州區以及昌平區等區域均在管道服役0～6 a內也發生了一定的腐蝕失效數量。

2 討 論

2.1 土壤對管道失效的影響

2.1.1 土壤對材質及地域特征的影響

北京市土壤類型復雜，性質多變，主要分為棕壤、褐土和潮土三大類[5],各區土壤類型及分布見表2。北京市燃氣管道失效集中分布在中南部地區，其土壤類型多為褐土及潮土。

表2 北京市各區土壤類型及分布

續表2

在朝陽區、豐臺區、海淀區以及昌平區，其土壤類型主要為褐土(pH值8.0～8.5)，鋼管及塑料管的失效頻率均較大；在懷柔區和密云區，其土壤類型多為棕壤(pH值6.0～6.5)，鋼管及塑料管的失效頻率均較小；在西城區和東城區，其土壤類型多為潮土(pH值8.0～8.3)，鋼管的失效頻率較大，而塑料管的失效頻率較小。由此說明,棕壤與褐土對鋼管和塑料管失效的影響無顯著差異，而潮土對鋼管和塑料管失效的影響卻存在較大差異，即土壤類型不同，對管材失效的影響不同。

2.1.2 土壤對服役年限的影響

北京市燃氣管道失效的主要原因為外腐蝕，管道腐蝕失效風險與土壤類型及其腐蝕性微生物密切相關。北京市燃氣管道腐蝕失效主要集中在管道服役7～26 a。 在海淀區、石景山區以及房山區等北京西南部，其土壤類型主要為褐土和棕壤，管道腐蝕失效頻率較高的服役年限為17～26 a；其余10區位于北京市的東南和東北部，其土壤類型主要為潮土和褐土，管道腐蝕失效頻率較高的服役年限為7～16 a；另外，在大興區、豐臺區、海淀區、石景山區、通州區以及昌平區等區域，其土壤類型主要為潮土和褐土，在管道服役0～6 a也存在一定的腐蝕失效頻率。由此可見，土壤類型影響管材的使用壽命，潮土對其影響最大，其次是褐土，最后是棕壤。

2.2 土壤微生物對管材腐蝕失效的影響

2.2.1 土壤腐蝕性微生物的分類和分布

在所有的環境介質中，土壤中蘊含的微生物數量和種類最多，功能復雜，其中腐蝕性微生物(CIM)也是最全及最多的[6]。腐蝕性微生物是指能夠直接或間接引起腐蝕的微生物，根據其腐蝕功能的不同分為七大類腐蝕功能菌，分別為硫酸鹽還原細菌、硫氧化細菌、硝化細菌、產甲烷古菌、鐵細菌、產黏液細菌以及產有機酸細菌。該文涉及的微生物命名及分類均參考原核微生物資源和分類學詞典[7]。

北京市失效管道多位于潮土及褐土中(見圖2(a)及表2)。雖然尚缺少土壤類型與微生物類型的關聯性研究，但已有的文獻顯示：變形菌門(Proteobacteria)、桿狀菌門(Bacteroidetes)、酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、浮霉菌門(Planctomycetes)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、厚壁菌門(Firmicutes)和綠屈菌門(Chloroflexi)與褐土存在強相關性，是褐土優勢菌群[8]；從土壤類型中腐蝕性微生物分布來看，桿狀菌門中的桿狀菌屬(Bacteroides)是屬于產有機酸一類，放線菌門中的酸微菌屬(Acidimicrobium)及鐵微菌屬(Ferrimicrobium)是屬于鐵細菌一類，變形菌門中的脫硫化弧菌屬(Desulfovibrio)是屬于硫酸鹽還原菌一類；除芽單胞菌門及疣微菌門外，褐土中的其他菌門也都與潮土存在強相關性，為潮土的優勢菌群(相對豐度>5%)，占總體比例為62%，硝化螺體門(Nitrospira)是同時存在于潮土中與褐土中的菌門[9]，硝化螺體門中的硝化螺體屬(Nitrospira)和亞硝化螺體屬(Nitrosospira)是屬于硝化類腐蝕性微生物菌屬。棕壤中腐蝕性微生物種類較少，主要為變形菌門和放線菌門[10]。

2.2.2 腐蝕性微生物與人類活動相關性

人口分布趨勢與管道的腐蝕失效頻率趨勢有很強的一致性(見圖2(b))。第六次全國人口普查(2010年)顯示：北京市人口密度與北京市燃氣管材腐蝕失效頻率存在正相關，平均約每萬人發生0.82次管道失效；人口密度越大，燃氣管材腐蝕失效頻率也越高。大規模地建設燃氣管道設施以及反復填埋等人類活動會對土壤原生態造成很大的影響，燃氣管道周邊的土壤生態系統已經不能和一般的土壤生態系統同日而語。除了土壤理化性質變化以外，人體攜帶的大量微生物也會進入土壤中，微生物群落結構也隨之發生顯著變化。人口密度與管材失效頻率或是腐蝕導致管材失效頻率變化趨勢具有很強的一致性，而人體體表的微生物與土壤腐蝕性微生物聯系緊密(見表3)，而這些腐蝕性微生物又廣泛存在于潮土及褐土中[11]。

表3 人體常見微生物及腐蝕功能

對昌平區失效燃氣管材周邊1 m范圍內土壤進行取樣分析，結果顯示:樣品中亞硝化球菌屬(Nitrososphaera)，壤單胞菌屬(Solimonas)，日應微所菌屬(Iamia)，酸微菌屬、鐵微菌屬及松散桿菌屬(Lysobacter)等占比較高。酸微菌屬、鐵微菌屬及日應微所菌屬都屬于放線菌門，亞硝化球菌屬分離自土壤中的耗氧及嗜中溫的氨氧化古菌；壤單胞菌屬、松散桿菌屬則屬伽馬變形菌綱黃單胞菌目。綜上所述，人體、土壤、管道這三者中的微生物高度重合，體現了人類活動對管道腐蝕的微生物影響，同時也可能對燃氣管材腐蝕失效造成影響。

2.2.3 腐蝕性微生物與季節的相關性

土壤微生物活性、群落結構及數量等受環境因素特別是季節性降水的影響較大[12-14]。北京市降水量隨季節變化趨勢為夏季最高，冬季最少，春秋居中，而管道失效總量和由腐蝕失效數量都為冬季最少而秋季最多(見圖4)。

圖4 燃氣管道失效的季節性特征

土壤微生物數量有明顯的季節變化，微生物總量呈現夏季>秋季>春季>冬季的變化規律，而燃氣管道腐蝕失效數量秋季最多，這是由于微生物對土壤的水熱條件等適應性不同造成的[15]。一方面夏季微生物總量多，必然對燃氣管材的作用加強，導致燃氣管材失效數量在隨后的秋季大大增加，秋季以后，微生物由于土壤水熱條件的變化逐漸減少，對燃氣管材的作用也逐漸減弱，隨之冬、春季節管材失效數量逐漸減少；另一方面，微生物中的放線菌門數量呈現秋季>春季>夏季>冬季的變化規律[16]，而放線菌門中的酸微菌屬及鐵微菌屬是屬于鐵細菌一類，這類細菌對管材的腐蝕作用很強，導致秋季燃氣管材失效數量大幅增加。

3 結 論

(1)通過對北京市2015—2016年間燃氣管材失效(共1 518起)數據分析，首次總結歸納出北京市20 000 km燃氣管材失效因子清單，平均失效頻率為3.8次/(105m·a)，腐蝕為失效主因(占38.7%)，管道外腐蝕遠高于內腐蝕， 1990—2010年投運的燃氣管道是失效頻率較高，服役年限7～26 a是腐蝕失效的高發期，且與微生物腐蝕速率一致。

(2)不同土壤類型中燃氣管材失效數量和頻率差異較大(潮土>褐土>棕壤)，管材在棕壤中運行年限最長，這與土壤腐蝕性微生物數量和類型呈正相關。北京市失效管材多位于褐土及潮土中，其中腐蝕性微生物數量較多，包括變形菌屬，桿狀菌屬，酸微菌屬，鐵微菌屬，脫硫化弧菌屬。

(3)人體微生物與土壤微生物有強相關性，數據分析首次揭示了人類活動與燃氣管材失效數量(平均約0.82次/萬人)的關聯性，因此，施工等人類活動帶來燃氣管材周邊(≤1 m)土壤中腐蝕性微生物變化對管材腐蝕的影響不可忽視。

致謝：感謝董超芳教授對本文的閱讀和建議。