城镇燃气管道检验案例分析

叶佳凤

上海市金山区特种设备监督检验所（上海 201500）

《上海市能源发展“十三五”规划》表明，“十二五”期间新建成高压天然气管道超过750 km。天然气作为一种新型能源广泛应用于工业、商业和居民生活，对于城市发展起着极其重要的作用。天然气主要成分为甲烷，危险货物编号为21007，属甲类气体，爆炸极限为5%～15%。燃气管道大多数敷设于地下，受到土壤和内部介质等影响容易发生泄漏事故。2017年7月4日13时23分，松原市广发建设有限公司对松原市市政公用基础设施建设项目繁华路道路进行改造，旋喷桩机将吉林浩源燃气有限公司在该路段埋设的燃气管道贯通性钻漏，造成燃气大量泄漏，最后发生爆炸，事故共造成7人死亡，85人受伤，直接经济损失4 419万元[1]。2021年6月13日6时42分许，位于湖北省十堰市的集贸市场发生重大燃气爆炸事故，造成26人死亡，138人受伤，其中重伤37人，直接经济损失约5395.411万元[2]。可见，燃气管道的安全运行对于提高城市居民的生活质量、改善城市环境、提高能源利用率，具有十分重要的意义。城市燃气管道的安全与否直接关系到城市的公共安全及社会稳定，因此必须对燃气输配系统的安全给予高度重视。

1 天然气管道腐蚀机理

1.1 内腐蚀

内腐蚀包括二氧化碳腐蚀和硫化氢腐蚀。天然气介质主要是二氧化碳和硫化氢。二氧化碳腐蚀的主要因素有压力、温度、含水量。硫化氢、二氧化碳在水溶液中，对钢质管道产生内腐蚀的反应式如（1）～（3）所示。

反应式（1）中，FexSy为硫化铁的通式，随溶液中硫化氢含量及pH不断变化，FexSy对腐蚀的影响程度也不同。

1.2 外腐蚀

1.2.1 土壤环境腐蚀

土壤中的水与可溶性盐相结合形成腐蚀环境。影响土壤腐蚀的因素有土壤电阻率、含水量、含盐量、pH等。含盐量越高，腐蚀越严重；水中氧气越多，腐蚀越严重；pH越低，腐蚀越快。当土壤中有硫酸盐还原菌存在时，它们会消耗金属表面的氢，在铁表面生成黑色的硫化亚铁，加速管道的腐蚀。

1.2.2 杂散电流腐蚀

大地中的杂散电流会对埋地燃气管道产生严重的腐蚀，其主要来源于电气化铁路、有轨电车、地下电缆、高压变电所等的漏电，分为交流和直流杂散电流。直流杂散电流的腐蚀原理与电解原理一致，电流流入金属管道的区域为阴极区，电流流出的破损位置为阳极区[3]。杂散电流腐蚀多集中在外防腐层破损的局部位置，并可能在短时间内造成管道穿孔。上海地区密集的地铁线路对沿线天然气管道造成了严重的杂散电流干扰，在2008年之前，地铁2号线世纪大道沿线地下的DN300 mm燃气钢管已发生近10次腐蚀泄漏事故[4]。杂散电流干扰主要体现在管地电位正向偏移或异常波动。现场检测时，利用杂散电流测试仪连续监测管道的直流杂散电流、交流杂散电流，判断杂散电流干扰源的特性。

2 检验案例分析

根据TSGD7004—2010《压力管道定期检验规则——公用管道》，对某燃气公司的天然气管道进行定期检验。该管道设计压力为1.6 MPa，材料为20#钢，属于GB1-Ⅲ级次高压燃气管道，由于管道分支较多且分布较为复杂，不具备内检测实施条件。该燃气管道内为净化后的天然气，内腐蚀失效概率较低；该管道主要受防腐层自然老化、植物根系侵蚀、地铁以及高压线杂散电流的影响。因此，危害管道结构完整性的潜在危险主要为外腐蚀。根据风险识别结果制定的检验流程如图1所示。

图1 天然气管道检验流程

2.1 宏观检验

宏观检验的对象主要包括地面装置和架空段管道。检查项目包括管道泄漏检查、管道位置和埋深检查，地面标志检查，管道沿线地表环境调查，穿跨越管段检查，凝水缸检查，以及阀门、法兰、补偿器等管道元件的检查。宏观检验中发现部分阀井存在积水或轻微泄漏现象，放散阀门缺少法兰盖，部分辆牲阳极测试井被施工填埋，部分地面标识被覆盖，个别架空管道补偿器发生变形等现象。

2.2 外防腐层检测与评价

计算埋地管道的电流衰减率，根据GB/T 19285—2014《埋地钢质管道腐蚀防护工程检验》附录E计算外防腐层电阻率Rg，对管道防腐层整体质量等级进行评价统计，评价结果如表1所示。所检测管道总长度约为78203.7 m，其中实际可评价的管道总长度为75 184.2 m（3 019.5 m是支线，距离太短不作评估）。经评估（结果见表1），1级管段占比为42.9%，2级管段比例为9.36%，3级管段比例为6.97%，4级管段比例为40.77%。从整体上来看，3，4级管段占受检可评价管道的47.74%。结合现场检测情况，防腐层等级为3，4级，是因为除防腐层异常点外，支线、阀井、测试桩也会导致检测信号的电流流失，最终软件评价时引起防腐层等级下降。

表1 埋地管道外防腐层评价分级

埋地管道破损点检测一般采用交流电位梯度法（ACVG）。ACVG是通过检测施加在管道上的交流电流泄漏引起土壤电位的梯度变化来确定破损点的位置，其原理如图2所示。本检验项目有效检测管段范围内，共发现79处防腐层信号破损点，外防腐层破损点密度约为每100 m0.101个。当燃气管道穿越绝缘水泥套管或涵洞时，套管内的破损点可能会发生漏检。

图2 ACVG检测原理

2.3 阴极保护有效性检测与评价

阴极保护装置检查采用密间隔电位（CIPS）测量法。该燃气管道的阴极保护采用牺牲阳极与管道直接焊接的方式，无法将所有牺牲阳极进行同步通断，全线只能测出ON电位，无法测出OFF电位，通、断点电位原理如图3所示。通过对检测数据绘制管道ON电位变化图，判断该管道是否处于保护状态。阴极保护装置检查中仅发现个别管段的保护电位未达到要求，其余均达到有效保护，保护率为98.78%；建议对未达到阴极有效保护的管道加装牺牲阳极。对于杂散电流干扰严重的区域以及牺牲阳极难以拆除的区域，也可以采用阴极保护检查片或采用极化探头测试断电电位来消除IR降（阴极保护回路中所有电流与回路电阻的乘积）的影响。

图3 通、断电的电位与时间关系曲线

2.4 环境腐蚀性检测与评价

敷设环境调查主要包括大气腐蚀环境调查、土壤腐蚀性调查和杂散电流检测。管道的杂散电流检测是通过检测管道的管地电位在一定时间内的波动情况，分析该处杂散电流的干扰强度，判断是否需要采取杂散电流排流保护或其他措施。该燃气管道部分位于商业和交通发达的区域，受高压电线、地铁及铁路的影响较大。以50#测试桩杂散电流检测为例：该测试点位于地铁某线路南侧，检测结果如图4所示，直流电位波动范围为-2 103～-991 mV，平均电位为-1 540.4 mV，管地电位波动差值为1 125.2 mV。参照GB/T 19285—2014《埋地钢质管道腐蚀防护工程检验》中直流干扰程度的判断指标，该测试处直流电流干扰强度为强，需进行杂散电流排流保护。

图4 50#测试桩处管地直流电位杂散电流曲线图

2.5 埋地管道开挖（直接）检测

综合考虑防腐层破损、腐蚀活性、阴极保护有效性、杂散电流及土壤腐蚀性等因素，对可能存在外腐蚀损伤的位置进行排序，优先选择外腐蚀概率较高的位置进行开挖。通过开挖直接检测并用肉眼直接观察管道的腐蚀状况，一般需要测量并记录管道的腐蚀形状及面积、埋深、位置、管道剩余壁厚、最大腐蚀凹陷、管地保护电位、防腐层厚度，必要时需要对现场的土壤以及腐蚀产物进行取样分析，也可以在开挖处采用低频导波对套管内的管道进行检测。某埋地管道开挖检测数据如表2所示。

表2 某开挖处检测数据表

2.6 合于使用评价

合于使用评价包括剩余强度评价、剩余寿命预测、材料适用性评价。

含缺陷管道剩余强度评价是在缺陷检测的基础上依据SY/T0087.1—2020《钢制管道及储罐腐蚀评价标准埋地钢质管道外腐蚀直接评价》进行评价。预测管道基于腐蚀状况下的剩余寿命，其实就是预测管道的腐蚀发展趋势。腐蚀剩余寿命预测可以利用公式（4）计算[5]。对材质不明可能发生硫化氢等应力腐蚀，或者使用年限已经超过15年并且发生过与应力腐蚀、焊接缺陷有关的修理改造的管道，还应当进行管道材料适用性评价。

式中：RL为腐蚀寿命，年；C为年校正系数；pf为计算失效压力，MPa；MAOP为最大允许工作压力，MPa；pyield为屈服压力，MPa；GR为腐蚀速率，mm/a；t为名义厚度，mm。

对多处开挖的管道进行壁厚测定，未发现内、外腐蚀，据此计算得到管道剩余强度约为269.5 MPa；对于被评价管道，缺少实际腐蚀速率，按0.4 mm/a的推荐腐蚀速率进行评价，管道剩余寿命预测约为15年。本项目中的燃气管道采用20#钢，没有发生应力腐蚀等缺陷，不进行材料适用性评价。

3 结语

管道的检测与评价是城市燃气管道完整性管理的重要工作，本研究提出了城市燃气管道的检验流程，并以某燃气公司管道为例，介绍了具有针对性的检验技术，在一定程度上提高了缺陷的检出率，保证了管道安全。燃气管道使用单位应当建立健全管道巡查制度和安全生产责任制度，定期对天然气管道沿线环境进行重点隐患排查，建议每年合理制定防腐层修复计划，并对高风险区域进行重点监控。