從檢查片的腐蝕談燃氣管道的陰極保護作用

郭小強 成琳琳 李茜璐

（西南油氣田分公司集輸工程技術研究所，四川 成都 610200）

0 引言

城鎮燃氣埋地鋼制管道由于腐蝕容易導致泄漏甚至引發爆炸，造成巨大的經濟損失和人員傷害。為防止腐蝕，在城鎮燃氣管道的設計和建設初期，埋地鋼質管道防腐保護措施主要是在管道外壁涂敷防腐涂層[1]。陰極保護技術在我國長輸管道上的應用較廣, 對保障管道長期安全平穩運行起到了極其重要的作用，但是在燃氣管道上應用相對較少。近年來，各大燃氣公司陸續開展了對城鎮燃氣埋地鋼質管道的陰極保護追加工作。由于對陰極保護在復雜的燃氣管道中的效果不太了解，加之城市中開挖建設困難，造成陰極保護的推廣存在一定困難。本文通過陰極保護的原理介紹和檢查片的腐蝕分析，可指導陰極保護在城鎮燃氣管道上的推廣應用。

1 陰極保護技術原理

當管道不同部位存在電位差，電位負的部位失去電子，此處就受到腐蝕，陰極保護是人為地為金屬提供多余電子，消除電位差后，腐蝕也就停止。陰極保護方法分為犧牲陽極陰極保護和強制電流陰極保護[2]。

犧牲陽極陰極保護在管道外壁用導線連接金屬材料，該金屬材料即為犧牲陽極，通常為鎂和鋅，其相對于管道的金屬更加活躍，管道金屬能夠與附著金屬通過土壤電解質的作用形成原電池，這種負電位的活潑金屬在所構成的電化學電池中為陽極而優先腐蝕，釋放出的電子使被保護金屬即管道陰極極化到所需電位范圍。強制電流陰極保護則利用外部電源對被保護管道施加一定的負電流，由整流器-導線-鋼管-土壤-輔助陽極-導線-整流器構成了一個完整的電流回路，使被保護金屬的電極電位通過陰極極化達到規定的保護電位范圍。兩種方法都是通過消除電位差從而抑阻腐蝕使管道獲得保護。

2 檢查片現場腐蝕試驗

2.1 試驗方案

在成都某天然氣公司選擇6處檢查片埋設點，管道材質均為20#鋼，采用三層PE防腐層。每處埋設點安裝6支檢查片，其中3支為電流保護片，3支為自然腐蝕片，總計安裝36支檢查片。根據《埋地鋼質檢查片應用技術規范》，確定檢查片的裸露面積確定為6.5cm2，材質為20#鋼。埋設一年后取出埋設坑中的鋼制檢查片，經過清洗、酸洗、電鏡掃描等步驟后，對鋼制檢查片進行稱重分析及相關檢測。

2.2 結果和討論

2.2.1 試驗管段的陰極保護效果

采用EPIPHOT200型電子分析天平對腐蝕前后的碳鋼檢查片進行質量測試。實驗結果顯示，電流保護片平均腐蝕速率為0.0166g/（m2.h），自然腐蝕片平均腐蝕速率為0.1062g/（m2.h），陰極保護片腐蝕速率明顯低于自然腐蝕片。每處埋設點的陰極保護系統平均保護度在81.29%～91.20%，基本滿足《鋼質管道外腐蝕控制規范》規定的管道線路陰極保護系統的保護度宜大于85%的要求。

2.2.2 腐蝕形貌和能譜分析

分別采用EPIPHOT200型金相顯微鏡分別在200倍和500倍下對腐蝕前后的檢查片進行金相測試，采用捷克TESCAN公司的VEGA 3SBU型掃描電子顯微鏡對檢查片表面微觀形貌進行檢測。腐蝕前鐵素體被黑色晶界分割為塊狀的晶粒，在500倍和5000倍下均可以看到珠光體組織內部有黑白交替的條紋，這是20#碳鋼的典型金相組織形貌。所有試樣未發現組織偏析、夾雜、裂紋、氧化等缺陷。腐蝕后的電流保護片在500倍下整體基本處于一個平面，觀察到的腐蝕產物很少，5000倍下仍隱約可見20#鋼的顯微組織，說明其腐蝕程度較弱，而自然腐蝕片在金相顯微鏡下呈現凹凸不平的形貌，可以觀察到大量的腐蝕產物，5000倍下只能觀察到不規則的腐蝕產物，看不到明顯的組織形貌，說明其腐蝕程度很嚴重。

用BRUKER能譜系統對腐蝕后檢查片在選中區域進行掃描，分析表面元素。能譜儀的定量分析因其方法特性的限制，在低當量元素分析時會有加大的誤差，而且原子量越小，給出的定量結果相對誤差越大。元素周期表中原子量大于氧的元素，其定量才比較準確。能譜圖中可以看出，電流保護片其Fe的峰較強，而自然腐蝕片由于發生腐蝕而引入了其他元素，使Fe峰減弱，說明處于電流保護片受保護程度較高，檢查片腐蝕不嚴重，自然腐蝕片腐蝕程度嚴重。

2.2.3 X射線衍射

埋設前對2支備用檢查片采用德國布魯克AXE公司的Bruker/D2 PHASER型X射線衍射儀對其表面進行物相定性分析。 測試結果中只發現代表Fe的特征峰，這表明試樣未被氧化、腐蝕。腐蝕試驗后，電流保護片測試結果中只發現代表Fe的特征峰，這表明試樣被氧化、腐蝕地不嚴重；而自然腐蝕片測試結果中發現了代表Fe+3O（OH）和Fe1.375（PO4）（OH）的特征峰，表明試樣被氧化、腐蝕的嚴重。常溫下，20#碳鋼中的碳元素全以Fe3C形式存在，其含量約為0.25%，因此XRD無法測出。

2.2.4 鋼制檢查片樣本計算差異分析

部分試驗點中兩種檢查片腐蝕速率相差不大，產生的原因如下：（1）某埋設點的檢查片受到了坑內積水的腐蝕，加之周邊存在高壓線，導致電流保護片由于受到雜散電流影響造成該埋設點電流保護片的腐蝕速率略小于自然腐蝕片[4]；（2）某埋設點管道處于成都地鐵上方，地鐵運行時，在同一部位的管地電位隨時間交替變化，部分時間出現電位相對于環境為正的情況，此時，管道會遭受腐蝕。地鐵停運時，陰極保護電位正常，管道處于有效的陰極保護。總體來看，地鐵雜散電流造成一定程度的電流保護片腐蝕加速，使兩種保護片的腐蝕速率差距減小。

3 結語

通過陰極保護的原理分析和腐蝕試驗可知，陰極保護對城鎮燃氣埋地鋼質管道起到了重要的保護作用，漏點處的腐蝕速率明顯下降，受雜散電流干擾段可增加排流措施強化保護效果。雖然增加陰極保護需要投入一定的成本，但可以避免天然氣泄漏造成的經濟損失和人身傷亡。不管從國家標準的規定還是從經濟社會效益出發，都應當也有必要對燃氣管道增加相應的陰極保護。