城鎮燃氣管道檢驗案例分析

葉佳鳳

上海市金山區特種設備監督檢驗所（上海 201500）

《上海市能源發展“十三五”規劃》表明，“十二五”期間新建成高壓天然氣管道超過750 km。天然氣作為一種新型能源廣泛應用于工業、商業和居民生活，對于城市發展起著極其重要的作用。天然氣主要成分為甲烷，危險貨物編號為21007，屬甲類氣體，爆炸極限為5%～15%。燃氣管道大多數敷設于地下，受到土壤和內部介質等影響容易發生泄漏事故。2017年7月4日13時23分，松原市廣發建設有限公司對松原市市政公用基礎設施建設項目繁華路道路進行改造，旋噴樁機將吉林浩源燃氣有限公司在該路段埋設的燃氣管道貫通性鉆漏，造成燃氣大量泄漏，最后發生爆炸，事故共造成7人死亡，85人受傷，直接經濟損失4 419萬元[1]。2021年6月13日6時42分許，位于湖北省十堰市的集貿市場發生重大燃氣爆炸事故，造成26人死亡，138人受傷，其中重傷37人，直接經濟損失約5395.411萬元[2]。可見，燃氣管道的安全運行對于提高城市居民的生活質量、改善城市環境、提高能源利用率，具有十分重要的意義。城市燃氣管道的安全與否直接關系到城市的公共安全及社會穩定，因此必須對燃氣輸配系統的安全給予高度重視。

1 天然氣管道腐蝕機理

1.1 內腐蝕

內腐蝕包括二氧化碳腐蝕和硫化氫腐蝕。天然氣介質主要是二氧化碳和硫化氫。二氧化碳腐蝕的主要因素有壓力、溫度、含水量。硫化氫、二氧化碳在水溶液中，對鋼質管道產生內腐蝕的反應式如（1）～（3）所示。

反應式（1）中，FexSy為硫化鐵的通式，隨溶液中硫化氫含量及pH不斷變化，FexSy對腐蝕的影響程度也不同。

1.2 外腐蝕

1.2.1 土壤環境腐蝕

土壤中的水與可溶性鹽相結合形成腐蝕環境。影響土壤腐蝕的因素有土壤電阻率、含水量、含鹽量、pH等。含鹽量越高，腐蝕越嚴重；水中氧氣越多，腐蝕越嚴重；pH越低，腐蝕越快。當土壤中有硫酸鹽還原菌存在時，它們會消耗金屬表面的氫，在鐵表面生成黑色的硫化亞鐵，加速管道的腐蝕。

1.2.2 雜散電流腐蝕

大地中的雜散電流會對埋地燃氣管道產生嚴重的腐蝕，其主要來源于電氣化鐵路、有軌電車、地下電纜、高壓變電所等的漏電，分為交流和直流雜散電流。直流雜散電流的腐蝕原理與電解原理一致，電流流入金屬管道的區域為陰極區，電流流出的破損位置為陽極區[3]。雜散電流腐蝕多集中在外防腐層破損的局部位置，并可能在短時間內造成管道穿孔。上海地區密集的地鐵線路對沿線天然氣管道造成了嚴重的雜散電流干擾，在2008年之前，地鐵2號線世紀大道沿線地下的DN300 mm燃氣鋼管已發生近10次腐蝕泄漏事故[4]。雜散電流干擾主要體現在管地電位正向偏移或異常波動。現場檢測時，利用雜散電流測試儀連續監測管道的直流雜散電流、交流雜散電流，判斷雜散電流干擾源的特性。

2 檢驗案例分析

根據TSGD7004—2010《壓力管道定期檢驗規則——公用管道》，對某燃氣公司的天然氣管道進行定期檢驗。該管道設計壓力為1.6 MPa，材料為20#鋼，屬于GB1-Ⅲ級次高壓燃氣管道，由于管道分支較多且分布較為復雜，不具備內檢測實施條件。該燃氣管道內為凈化后的天然氣，內腐蝕失效概率較低；該管道主要受防腐層自然老化、植物根系侵蝕、地鐵以及高壓線雜散電流的影響。因此，危害管道結構完整性的潛在危險主要為外腐蝕。根據風險識別結果制定的檢驗流程如圖1所示。

圖1 天然氣管道檢驗流程

2.1 宏觀檢驗

宏觀檢驗的對象主要包括地面裝置和架空段管道。檢查項目包括管道泄漏檢查、管道位置和埋深檢查，地面標志檢查，管道沿線地表環境調查，穿跨越管段檢查，凝水缸檢查，以及閥門、法蘭、補償器等管道元件的檢查。宏觀檢驗中發現部分閥井存在積水或輕微泄漏現象，放散閥門缺少法蘭蓋，部分輛牲陽極測試井被施工填埋，部分地面標識被覆蓋，個別架空管道補償器發生變形等現象。

2.2 外防腐層檢測與評價

計算埋地管道的電流衰減率，根據GB/T 19285—2014《埋地鋼質管道腐蝕防護工程檢驗》附錄E計算外防腐層電阻率Rg，對管道防腐層整體質量等級進行評價統計，評價結果如表1所示。所檢測管道總長度約為78203.7 m，其中實際可評價的管道總長度為75 184.2 m（3 019.5 m是支線，距離太短不作評估）。經評估（結果見表1），1級管段占比為42.9%，2級管段比例為9.36%，3級管段比例為6.97%，4級管段比例為40.77%。從整體上來看，3，4級管段占受檢可評價管道的47.74%。結合現場檢測情況，防腐層等級為3，4級，是因為除防腐層異常點外，支線、閥井、測試樁也會導致檢測信號的電流流失，最終軟件評價時引起防腐層等級下降。

表1 埋地管道外防腐層評價分級

埋地管道破損點檢測一般采用交流電位梯度法（ACVG）。ACVG是通過檢測施加在管道上的交流電流泄漏引起土壤電位的梯度變化來確定破損點的位置，其原理如圖2所示。本檢驗項目有效檢測管段范圍內，共發現79處防腐層信號破損點，外防腐層破損點密度約為每100 m0.101個。當燃氣管道穿越絕緣水泥套管或涵洞時，套管內的破損點可能會發生漏檢。

圖2 ACVG檢測原理

2.3 陰極保護有效性檢測與評價

陰極保護裝置檢查采用密間隔電位（CIPS）測量法。該燃氣管道的陰極保護采用犧牲陽極與管道直接焊接的方式，無法將所有犧牲陽極進行同步通斷，全線只能測出ON電位，無法測出OFF電位，通、斷點電位原理如圖3所示。通過對檢測數據繪制管道ON電位變化圖，判斷該管道是否處于保護狀態。陰極保護裝置檢查中僅發現個別管段的保護電位未達到要求，其余均達到有效保護，保護率為98.78%；建議對未達到陰極有效保護的管道加裝犧牲陽極。對于雜散電流干擾嚴重的區域以及犧牲陽極難以拆除的區域，也可以采用陰極保護檢查片或采用極化探頭測試斷電電位來消除IR降（陰極保護回路中所有電流與回路電阻的乘積）的影響。

圖3 通、斷電的電位與時間關系曲線

2.4 環境腐蝕性檢測與評價

敷設環境調查主要包括大氣腐蝕環境調查、土壤腐蝕性調查和雜散電流檢測。管道的雜散電流檢測是通過檢測管道的管地電位在一定時間內的波動情況，分析該處雜散電流的干擾強度，判斷是否需要采取雜散電流排流保護或其他措施。該燃氣管道部分位于商業和交通發達的區域，受高壓電線、地鐵及鐵路的影響較大。以50#測試樁雜散電流檢測為例：該測試點位于地鐵某線路南側，檢測結果如圖4所示，直流電位波動范圍為-2 103～-991 mV，平均電位為-1 540.4 mV，管地電位波動差值為1 125.2 mV。參照GB/T 19285—2014《埋地鋼質管道腐蝕防護工程檢驗》中直流干擾程度的判斷指標，該測試處直流電流干擾強度為強，需進行雜散電流排流保護。

圖4 50#測試樁處管地直流電位雜散電流曲線圖

2.5 埋地管道開挖（直接）檢測

綜合考慮防腐層破損、腐蝕活性、陰極保護有效性、雜散電流及土壤腐蝕性等因素，對可能存在外腐蝕損傷的位置進行排序，優先選擇外腐蝕概率較高的位置進行開挖。通過開挖直接檢測并用肉眼直接觀察管道的腐蝕狀況，一般需要測量并記錄管道的腐蝕形狀及面積、埋深、位置、管道剩余壁厚、最大腐蝕凹陷、管地保護電位、防腐層厚度，必要時需要對現場的土壤以及腐蝕產物進行取樣分析，也可以在開挖處采用低頻導波對套管內的管道進行檢測。某埋地管道開挖檢測數據如表2所示。

表2 某開挖處檢測數據表

2.6 合于使用評價

合于使用評價包括剩余強度評價、剩余壽命預測、材料適用性評價。

含缺陷管道剩余強度評價是在缺陷檢測的基礎上依據SY/T0087.1—2020《鋼制管道及儲罐腐蝕評價標準埋地鋼質管道外腐蝕直接評價》進行評價。預測管道基于腐蝕狀況下的剩余壽命，其實就是預測管道的腐蝕發展趨勢。腐蝕剩余壽命預測可以利用公式（4）計算[5]。對材質不明可能發生硫化氫等應力腐蝕，或者使用年限已經超過15年并且發生過與應力腐蝕、焊接缺陷有關的修理改造的管道，還應當進行管道材料適用性評價。

式中：RL為腐蝕壽命，年；C為年校正系數；pf為計算失效壓力，MPa；MAOP為最大允許工作壓力，MPa；pyield為屈服壓力，MPa；GR為腐蝕速率，mm/a；t為名義厚度，mm。

對多處開挖的管道進行壁厚測定，未發現內、外腐蝕，據此計算得到管道剩余強度約為269.5 MPa；對于被評價管道，缺少實際腐蝕速率，按0.4 mm/a的推薦腐蝕速率進行評價，管道剩余壽命預測約為15年。本項目中的燃氣管道采用20#鋼，沒有發生應力腐蝕等缺陷，不進行材料適用性評價。

3 結語

管道的檢測與評價是城市燃氣管道完整性管理的重要工作，本研究提出了城市燃氣管道的檢驗流程，并以某燃氣公司管道為例，介紹了具有針對性的檢驗技術，在一定程度上提高了缺陷的檢出率，保證了管道安全。燃氣管道使用單位應當建立健全管道巡查制度和安全生產責任制度，定期對天然氣管道沿線環境進行重點隱患排查，建議每年合理制定防腐層修復計劃，并對高風險區域進行重點監控。