城市埋地天然气管道的腐蚀.doc
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论文题目：
城市埋地天然气管道的腐蚀
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2013年1月11日
城市埋地天然气管道的腐蚀城市埋地天然气管道的腐蚀
摘要
城市地底下的地形十分复杂，各种类型的管道也很多，天然气管道埋在城市地下就会受到各种因素的影响，随着时间的推移，管道会慢慢遭到腐蚀，对城市产生不利的影响。
因此，本文对城市埋地天然气管道的腐蚀情况及其危害程度进行比较详细地介绍，并提出相应的腐蚀防护措施，这些方法所能达到的的效果，以及国内外有关天然气管道防腐的一些情况。
关键词：
埋地，天然气，因素，防护
Cityburiedgaspipelinecorrosion
Abstract
urbanundergroundterrainisverycomplicated,andvarioustypesofpipeisverymuchalso,naturalgaspipelineburiedinurbanundergroundwillbeaffectedbyavarietyoffactors,withthepassageoftime,thepipelinewillslowlybycorrosion,produceadverseeffecttothecity.Therefore,inthispaper,thecityburiedgaspipelinecorrosionanddamagedegreeindetail,andputforwardthecorrespondingcorrosionprotectionmeasures,thesemethodscanachievetheeffectofbothathomeandabroad,andthenaturalgaspipelinecorrosionprotectionofsomecircumstance.
Keywords:
buried，Naturalgas，Factors，protection
目录
摘要
Abstract
绪论
第一章我国城市埋地燃气管道的现状
第二章城市埋地天然气管道腐蚀的机理
第三章城市埋地天然气管道的腐蚀
第四章城市埋地天然气管道防腐的措施
第五章天然气管道防腐层的评估
第六章智能型腐蚀检测设备及技术
第七章防腐管理的计算机网络化
第八章国内与国外管道防腐技术的差距
参考文献
绪论
随着城市的现代化建设和发展，地下管道的种类和数量迅速增多。
埋在地下的管道由于长期受到外部土壤以及内部介质的作用而发生腐蚀所造成的经济损失是非常巨大的。
具美国1977年统计，每年因为腐蚀而造成的经济损失为700亿美元，美国每年有40%的钢铁因腐蚀而损失，其中有10%完全变成废物。
由于腐蚀会使管道阻塞，结垢等造成能量的额外消耗也大得惊人。
管道的腐蚀还常常导致管道的设备非计划性检修，更换和非计划停产，而造成直接和间接的经济损失，同时城市埋地天然气管道的检修还会造成市民的麻烦。
城市燃气管道因腐蚀穿孔而发生的漏气事故，除了会污染环境以外，还会引起爆炸和火灾，造成人员的伤亡和财产的损失。
因此，腐蚀的危害不仅仅是个经济问题，而且还是一个非常严重的社会问题。
为了确保城市供气的安全，城市地下燃气管道的腐蚀问题应该要得到高度的重视和有效地控制。
第一章我国城市埋地燃气管道的现状
1管道表面的除锈不够彻底，没有达到St3级手工除锈要求。
比较典型的就是钢管和凝液缸表面泥沙以及铁锈还在，并且没有作任何的处理，就在其上面包缠了防腐胶带。
2防腐层的总厚度小于1毫米，没有达到SY4014—93标准中聚乙烯胶带加强级防腐层厚度要求（加强级大于1毫米）。
3防腐胶带层见粘结的不牢，会出现起泡，分层，渗水等现象。
4防腐胶带与管道的表面（焊口，弯头，三通，法兰，凝液缸等处）附着差，达不到SY4014—93标准中8N/cm的附着力要求。
5管沟没有按要求先用干河沙回填，而是直接用原土以及建筑垃圾回填。
6牛油胶布的外层防腐胶带严重老化变脆，没有任何韧性，且强度变低。
7胶带的底漆严重老化成粉，几乎没有任何的粘结力。
8已安装牺牲阳极的管道，其保护电位大部分没有达到SY/T0019—97埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范要求的—0.85V。
第二章城市埋地天然气管道腐蚀的机理
2.1管外腐蚀机理
埋地的金属管道会和土壤构成一个电极体系，由于金属的材料以及管道所处的土壤环境的本征特性在微观上或者宏观上存在着差异，所以在金属的管道表面的不同部位就会产生不同的电极电位；一般情况下，高电位区会成为腐蚀电池中的阴极，而低电位区会成为电池的阳极。
阳极的腐蚀过程:
Fe=Fe2++2e
这个过程就是原子态的铁会被氧化成高价的铁离子，产生腐蚀的过程后，铁离子会和土壤中的其他元素结合成为铁的腐蚀产物，例如硫酸铁，四氧化三铁，氧化铁和氢氧化亚铁。
高电位区会发生其他离子的还原反应。
由于土壤中含有氢离子，氧气等物质，为了维持体系的电荷保持平衡，这些氧化性的介质就会吸收金属腐蚀所产生的电子而发生还原反应，其反应方程如下：
O2+2H2O+4e=4（OH）-
金属腐蚀过程的电子传输通过金属管道进行，而离子交换通过土壤的环境进行，这就形成埋地金属管道腐蚀点和的传输通道。
2.2管内腐蚀机理
天然气管道输送的介质中含有H2S、CO2溶于水，生成酸，碳钢在酸中发生电化学反应腐蚀，在阳极区铁被氧化为Fe2+离子，所放出的电子自阳极（Fe）流至钢中的阴极（Fe3C）上被H+吸收而被还原成氢气，即
阳极氧化反应：
Fe=Fe2++2e
阴极还原反应：
2H++2e=H2
总的反应：
Fe+2H+=Fe2++H2
第三章城市埋地天然气管道的腐蚀
3.1管外腐蚀
天然气管道的外壁腐蚀主要有土壤腐蚀，细菌腐蚀，杂散电流以及地下水和温度的影响。
1土壤的影响：
当管的道埋设结构在潮湿程度不同的土壤时，会由于充气的不均匀而形成氧浓差电池的腐蚀，处在砂土中的金属部分，氧比较容易渗入，所以其电位比较高，会成为阴极，而处在粘土中的金属部分，由于缺氧，会成为阳极，所以它们之间就构成氧了浓差电池，从而使粘土中的金属部分遭到腐蚀，同样地，埋在地下的管道（特别是水平埋放直径较大的管子），由于各处的深度不同，也会构成氧浓差电池，埋得较深的地方（如在管子的下部），由于氧到达困难，便成为阳极区，腐蚀就往往是发生在这个区域。
必须注意的是：
如果仅仅是微电池作用引起的腐蚀其结论则与上述情况完全相反，在粘土中，由于氧进入较为困难，氧去极化过程较难，所以腐蚀也就较慢，而在土壤中，氧容易渗入，氧去极化过程容易，所以腐蚀就较快。
土壤中的水分有些会和土壤的组分结合在一起，有些紧紧地粘附在固体颗粒的周围，有些可以在微孔中流动，盐类可以溶解在这些水中，土壤就会形成电解质，此时土壤的导电性与土壤的干湿程度及含盐量有关，土壤愈干燥，含盐量就愈少，其电阻就愈大，土壤愈潮湿，含盐量愈多，电阻就愈小。
大多数的土壤是呈中性的，pH值在6-7之间，但是有的土壤是碱性的，如碱性的砂质粘土和盐碱土，PH值在7.5-9.5之间，也有一些土壤是酸性的，如腐植土和沼泽土，pH值在3-6之间，所以不同酸碱度的土壤会对埋地天然气管造成不同的腐蚀。
2由杂散电流引起的腐蚀
杂散电流是一种漏电现象，在土壤的腐蚀中，防止它引起的腐蚀有很大的实际意义，杂散电流是由直流电源（如电气火车，有轨电车，电焊机，点解槽，电化学保护等）设备漏失出来的电流，一些地下设备，地下管道，电缆和混凝土的钢筋等都容易因这种杂散电流引起腐蚀，直流电往往从路轨漏到地下，进入地下管道某处，再从管道的另一处流出而回到路轨，杂散电流从管道流出的地方，成为腐蚀电池的阳极区，腐蚀破坏就发生在这个地方，如下图所示，金属的损失量与流过的杂散电流的电量成正比，符合法拉第定律，经计算：
一安培电流流过一年就相当于约九公斤的铁发生电化学腐蚀而被溶解掉了，可见杂散电流引起的腐蚀也是相当严重的。
3由于微生物引起的腐蚀
对于腐蚀有作用的细菌不多，其中最重要的是硫杆菌和硫酸盐还原菌（厌氧菌）。
硫杆菌有排硫杆菌和氧化硫杆菌两种，这种细菌最适宜存在的温度为25-30度，当温度高到55度以上时，就无法生存，在地下管道附近，由于污物发酵结果产生硫代硫酸盐，排硫杆菌就在其上大量繁殖，产生元素硫，紧接着，氧化硫杆菌将元素硫氧化成硫酸，造成对金属的严重腐蚀。
（2）硫酸盐还原菌（厌氧菌）如果土壤中非常缺氧，而且又不存在氧浓差电池及杂散电流等腐蚀大电池时，腐蚀过程是很难进行的，但是，对于含有硫酸盐的土壤，如果有硫酸盐还原菌存在，腐蚀不但能顺利进行，而且更加严重，主要是由于生物的催化作用，使腐蚀过程的阴极去极化反应得以进行，从而大大加速了腐蚀。
细菌腐蚀并非它本身对金属的侵蚀作用，而是细菌生命活动的结构间接地对金属腐蚀的电化学过程产生影响，主要以下述四种发生影响腐蚀过程：
新城代谢产物的腐蚀作用细菌能产生某些具有腐蚀性的代谢产物，如硫酸，有机酸和硫化物等；生命活动影响电极反应的动力学过程；改变金属所处环境的状况；破坏金属表面有保护性的非金属覆盖层或缓蚀剂的稳定性。
4地下水的影响
夏天，有草坪的地方管线非常容易漏气，经分析，草坪经常浇水且发现所浇水中硫酸根离子和氯离子比较高，会加速管线的腐蚀。
5温度的影响
根据安全记录，我们发现温度较高的季节管线穿孔率要大于温度较低的季节，所以温度对管线的腐蚀速率也有很大的影响。
3.2管内腐蚀
管壁内腐蚀是由于天然气中残存的水分，氧气，硫化氢气体和二氧化碳气体引起的。
我国的天然气含硫量是比较高的，尤其是川渝地区的天然气，它们的含硫量一般在1%—13%左右（通常以硫化氢的形式出现）。
管道中的硫化氢和有机硫在与水分掺混后与管壁反应生成硫化铁粉，会破坏金属晶格使其变脆。
同时这种粉状物轻则堵塞管道，重则会与空气达到一定的比例程度后会自然爆炸。
第四章城市埋地天然气管道防腐的措施
4.1改进措施
1实施绝缘技术：
1）绝缘对象：
对消耗保护电流过大的管段，和保护电流旁流严重的管段，及新增的影响原设计保护效果的管段进行绝缘处理。
2）绝缘位置：
调压箱出口端的法兰处；新老管线接管处。
3）绝缘方法：
在原法兰的基础上，增设绝缘垫片和绝缘套管，或者采用绝缘接头。
2埋设牺牲阳极
1）埋设地点：
各区域的外加电流阴极保护系统无法保护到的管段。
2）阳极：
高效镁合金牺牲阳极。
3）埋设阳极间距为：
40—50米。
3杂散电流排流保护
通过对天然气的管网保护电位的测试，然后用排流导线将管道的排流点与电气化铁路的钢轨，回馈线或者牵引变电站的阴极母线相连接，使管道上的杂散电流不经土壤而经过导线单向地流回电源的负极。
从而保证管道不受腐蚀。
这种方法称之为排流保护法。
4.2地下管线的防腐问题
1钢制埋地管线的防腐措施
1）对于压力高于0.4MP的燃气管道我们一般采取钢管，它的防腐层宜采用煤焦油瓷漆或者其他较好的防腐材料，管道的接口处宜采用交联聚乙烯热缩材料防腐；
2）钢制埋地管道在下沟之前，应采用电火花检漏仪进行检漏，下沟后应对吊装处进行复检，对发现的缺陷应该及时地修补，并再次检查合格后，才能进行回填；
3）埋地钢管的管沟底部，如果处于天然砂土层或者黄土层，允许用沙土或者黄土直接回填。
对基本是沙土或者黄土但是有少量杂质的管沟，应该在过筛后再回填。
对土质复杂且有砖瓦垃圾的管沟，应用细沙垫底15cm后，下管进沟，管顶上再覆盖30厘米细沙后，方可回填原挖出的土方，但严禁砖头瓦块石块垃圾进沟
4）今后待购置有关仪器设备后，应在埋地钢管下沟后，复土回填前，尽心管道防腐层绝缘电阻测量和防腐层等级评定，再进行回填
5）今后新埋设的钢质燃气管道，应同时进行阳极保护设计和施工，避免二次开挖现象。
保护范围为中压干管，分配管，中压支管，而低压管原则上不加阴极保护
2采用耐腐蚀性能良好的材料
根据目前国内燃气行业的经验，PE管材是一种耐腐蚀性能良好的埋地燃气管材。
使用压力0.4MP以下，口径在DN200以下的埋地管道原则上一律采用PE管，对于口径大于DN200的埋地燃气管道，经过综合投资比较与其他管材相差不大的情况下，也宜采用PE管。
3钢质燃气管道过路套管问题
1）对于过路燃气管道，一般路下管顶埋深达到1米，主干道下管顶埋深达到1.2—1.5米，建议不加套管直埋。
但直埋管段应提高一级防腐等级
2）对于特殊情况造成过路燃气管道埋深达不到要求的，可以采用钢质套管，但套管中的管道应用绝缘材料支撑在套管中心部位，与套管不产生电性连接，并用镁阳极带加以保护，套管两端应采用防水绝缘材料密封。
4内壁防腐：
内壁防腐的根本措施是将天然气净化。
严格控制输送的气体质量是延长管线寿命，实施安全供气的重要措施，因此天然气的质量指标应符合国家的有关标准。
内壁防腐的另一措施是在内壁除锈后，涂刷二道环氧树脂作为内涂层，以防内壁腐蚀。
4.3防腐方法
1采用外涂层
外加涂层主要就是在金属表面上形成一层绝缘材料的连续覆盖层，将金属与其直接接触的电解质之间进行绝缘，即设置一个高电阻使得电化学反应无法正常发生。
常用的涂层种类有：
环氧粉末加改性聚烯烃（POF），环氧粉末（PBE），煤焦油瓷漆（CTE），工厂预制缠带系统等。
管道防腐涂层新技术
1）双层熔结环氧粉末防腐技术：
它是以标准的单层熔结环氧粉末作为底涂层，以改性的熔结环氧粉末作为外防护涂层。
这种体系大幅度提高了防腐层的机械性能，增强了防腐层的抗冲击能力，耐高温能力以及高温时的抗渗透性，同时保持了单层熔结环氧粉末防腐层与阴极保护的相容性，不会产生阴极保护屏障。
2）热喷涂防腐技术：
它是以在金属表面喷涂锌及铝而形成的防腐涂层。
锌涂层作为牺牲阳极对金属基体进行保护，铝涂层则以致密的氧化膜对金属基体进行隔离防护。
这种技术是一种非常有效的天然气管道防腐技术，尤其在富含硫化氢和二氧化碳的高酸性天然气田，这类酸性天然气集输装置的腐蚀条件极其恶劣。
热喷涂防腐技术是一种很好的选择。
3）喷涂聚脲弹性体技术：
聚脲弹性体材料是致密，连续，无接缝的，它有效地阻止了外界腐蚀介质的侵入，防腐性能十分突出。
其兼有环氧，PE二者的优点。
克服了环氧三PE工艺性差，设备费用昂贵的缺点。
同时，由于其优异的柔韧性，完全能够抵御昼夜，四季环境温度变化带来的热胀冷缩，不会产生开裂和脱落的现象。
4）改性聚乙烯防护层：
由于聚乙烯二层，三层防腐技术的成功开发，使得聚乙烯防腐专用材料迅速发展，中国石化茂名石油化工公司通过对高密度聚乙烯DGDB—2481的改性及抗氧体系的设计与研究，选择了较为合适的改性配方，研制出了输油输气管道的外防腐专用料。
其产品的性能同国内外的同类产品基本相当。
2三层PE防腐
根据数据显示，三层PE涂层的使用寿命在30年以上，是一种性能优异的外防腐涂层。
从强度方面考虑，三层PE分为普通型和加强型。
普通型涂层总厚度为3.0毫米左右，加强型涂层总厚度超过3.7毫米。
3牺牲阳极阴极保护法
将还原性较强的金属（锌，镁，铝）作为保护极，与被保护金属相连构成原电池，还原性较强的金属将作为负极发生氧化反应而消耗，被保护的金属作为正极就可以避免腐蚀。
4外加电流阴极保护法
把要保护的钢铁设备作为阴极，另外用不溶性电极作为辅助阳极，两者都放在电解质溶液里，接上外加直流电源。
通电后，大量的电子被强制流向被保护的钢铁设备，使钢铁表面产生负电子的积累，只要外加足够强的电压，金属腐蚀而产生的原电池电流就不能被输送，因而防止了埋地管线的腐蚀。
对于城市埋地燃气系统，由于地下管网密集，阴极保护电流的外加电源对其他管道干扰大，会造成自身受益，他家受害的局面。
而采用比钢管电位负的金属材料与钢管相连的牺牲阳极保护法则不会出现此类情况，因此，城市埋地燃气的输气干管应采用防腐涂层与牺牲阳极相结合的防腐方法。
对于其他压力较低的非主干道，则一般直接采用防腐涂层法。
不同的防腐方法有不同的防腐质量和费用，应根据被保护钢管的不同压力，不同用途和输送不同的燃气，综合全面地考虑防腐方法和防腐费用。
在考虑经济合理性方面应注意两点：
1燃气管网建设时的一次防腐投资；2燃气管网运行后的维护费用。
由于城市燃气管网位于市区，投运后维护检修困难且费用较高。
因此，应适当加大一次投资，以减少投运后管道的日常维修工作量。
第五章天然气管道防腐层的评估
5.1主要评估方法
1阴极保护电流的密度:
在钢管得到有效保护的前提下，阴极保护电流的密度越小，则运行成本就越低。
所以电流密度越小越好。
2土壤应力:
管道埋地后，周围土壤在季节性的板结熔融和气候干湿交替变化过程中发生相对移动，对防腐层表面产生推拉应力，可能导致防腐层折皱，下垂或者开裂。
土壤的应力对防腐层的影响最小为好。
3弯头管件防腐：
弯头管件防腐应有与管体相同或者更好的防腐层。
弯头管件防腐手段与管体防腐层越匹配越好。
4阴极保护电流屏蔽：
防腐层对阴极保护的屏蔽作用最小为好
5粘结力：
粘结力使防腐层紧密黏附在钢管表面不发生剥离，以有效保护钢管。
同时良好的粘结力还是防腐层抵抗土壤应力破坏的基础，防腐层对钢管的粘结力最强为好。
6贮存要求：
防腐层存贮环境要求低可以降低成本和保证质量；抗冲击能力强可减少损伤，此外对发生的损伤应容易发现，以便于修补。
7补伤，补口手段：
防腐层应有简便可靠的补伤和现场补口手段，以使现场施工防腐层质量不低于管体防腐层水平为好。
8涂敷施工难度：
施工要求宽松则意味着施工成本较低，还意味着防腐层质量容易保证。
涂敷施工难度按工厂预制和现场施工分别比较，要求越宽松越好。
9表面处理要求：
涂装前对钢管的表面处理要求最低为好。
10实际使用情况：
使用寿命越长越好
第六章智能型腐蚀检测设备及技术
对腐蚀管道进行快速，准确地定位，是管道防腐的一个重要环节，使用地面清管智能化检测技术可以查出腐蚀严重的管段并可计算出腐蚀面积和腐蚀深度，期精确度在正负10%之内。
电流测绘系统可以在不开挖的情况下就能精确测定防腐层破损位置，查找阴极保护系统的故障，配合防腐软件可以算出管道绝缘电阻，评估管道外防腐层的破坏状况。
我国开发的漏磁腐蚀监测数据分析系统，能显示，分析及处理管道漏磁检测信息，可以提供被检管道上所有腐蚀点的里程，深度，面积，周向位置，距最近参考点的距离，距上，下游焊缝的距离，并可以对管道上的管件和维修点定位。
该系统检测精度高，测出的腐蚀深度的精度误差不大于壁厚的15%，检测到的最小腐蚀为壁厚的5%，周向精确度误差不超过正负10%。
第七章防腐管理的计算机网络化
天然气管网日常管理的重要任务之一是预防各种腐蚀事故和自然与人为灾害发生。
为将后期控制的被动管理变为主动管理，应将防腐设施以及相关资料与管网的地理信息相结合形成独立的系统，实现计算机网络管理化，以便捕捉，分析，统计管网的各种数据，及时准确预报。
防止各种隐患的发生。
其内容包括建立图档管理系统，管网现代监测系统和仿真模拟计算系统，然后将他们有机地联系起来，就可随时查询管道是否处于最佳运行状态，一旦发生异常异能准确定性和定位，及时制定最佳的排除方法，把损失减少到最小的程度。
第八章国内与国外管道防腐技术的差距
8.1材料
目前，国内管道常用的防腐材料，包括补口的材料，整体水平已经达到或者接近国外同类产品的水平，但是从总体上来说，国内管道的防腐材料仍然存在适用性差，材料质量不稳定等问题，特别是在材料的适用性方面仍然和国外的产品有一定的差距，所以我们在材料的生产和研究方面还有待提高。
8.2施工作业过程
防腐界一直存在“三份材料，七分施工”的说法，所以施工质量对整体的质量是至关重要的，由于目前的操作工法不够完善，工人操作不够认真，特别是国内的补口施工，由于现场施工受到环境影响的因素比较大，而各家材料的施工性能又各不相同，就会给施工造成一定的难度，施工质量无法得到有效地保证，应加强对施工工法的制定和完善，并且加强现场施工的监督管理。
8.3标准规范
与国外的先进标准相比较，我国的管道防腐标准存在重材料，轻工法，重室内检测，轻现场检测的问题，对材料本省的性能较为重视，规定性能项目较多，而对产品施工性能和安装系统的性能重视不够，以标准SY/T0413-2002为例，目前标准中缺少对热收缩带补口使用性能的控制，包括耐热冲击性能，耐热水浸泡以及温度下的剥离强度等；该标准缺乏对底层熔结环氧粉末涂层厚度的控制，执行起来不好操作。
8.4监理
管道工程建设监理从20实际80年代起步，90年代全面发展，先后建成的陕京输气管道，涩宁兰输气管道，兰成渝成品油管道以及中型输油输气管道普遍采用监理制，在项目的质量，进度，投资控制和合同管理，信息管理等方面取得了明显的成效。
但由于监理制度实施较晚，缺乏专业的培训机构和培训制度，监理费过低，导致监理公司为降低费用，采取监理人员临时聘用制，所以招聘的人员中专业技术人员比例较低，综合素质有待提高，而且目前监理人员的培养速度远远不能满足监理市场的要求，也需要进一步的加强。
8.5设计，监测
国内实施的管道外监测技术始于20世纪80年代中期，检测的方法主要包括标准管地电位检测，皮尔逊检测，涂层绝缘电阻测试等。
但监测的技术还很薄弱，虽然国内也引进了国外先进的检测设备技术，但在缺陷准确定位，合理指导大修方面与国外相比仍然有比较大的差距。
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