从检查片的腐蚀谈燃气管道的阴极保护作用

郭小强 成琳琳 李茜璐

（西南油气田分公司集输工程技术研究所，四川 成都 610200）

0 引言

城镇燃气埋地钢制管道由于腐蚀容易导致泄漏甚至引发爆炸，造成巨大的经济损失和人员伤害。为防止腐蚀，在城镇燃气管道的设计和建设初期，埋地钢质管道防腐保护措施主要是在管道外壁涂敷防腐涂层[1]。阴极保护技术在我国长输管道上的应用较广, 对保障管道长期安全平稳运行起到了极其重要的作用，但是在燃气管道上应用相对较少。近年来，各大燃气公司陆续开展了对城镇燃气埋地钢质管道的阴极保护追加工作。由于对阴极保护在复杂的燃气管道中的效果不太了解，加之城市中开挖建设困难，造成阴极保护的推广存在一定困难。本文通过阴极保护的原理介绍和检查片的腐蚀分析，可指导阴极保护在城镇燃气管道上的推广应用。

1 阴极保护技术原理

当管道不同部位存在电位差，电位负的部位失去电子，此处就受到腐蚀，阴极保护是人为地为金属提供多余电子，消除电位差后，腐蚀也就停止。阴极保护方法分为牺牲阳极阴极保护和强制电流阴极保护[2]。

牺牲阳极阴极保护在管道外壁用导线连接金属材料，该金属材料即为牺牲阳极，通常为镁和锌，其相对于管道的金属更加活跃，管道金属能够与附着金属通过土壤电解质的作用形成原电池，这种负电位的活泼金属在所构成的电化学电池中为阳极而优先腐蚀，释放出的电子使被保护金属即管道阴极极化到所需电位范围。强制电流阴极保护则利用外部电源对被保护管道施加一定的负电流，由整流器-导线-钢管-土壤-辅助阳极-导线-整流器构成了一个完整的电流回路，使被保护金属的电极电位通过阴极极化达到规定的保护电位范围。两种方法都是通过消除电位差从而抑阻腐蚀使管道获得保护。

2 检查片现场腐蚀试验

2.1 试验方案

在成都某天然气公司选择6处检查片埋设点，管道材质均为20#钢，采用三层PE防腐层。每处埋设点安装6支检查片，其中3支为电流保护片，3支为自然腐蚀片，总计安装36支检查片。根据《埋地钢质检查片应用技术规范》，确定检查片的裸露面积确定为6.5cm2，材质为20#钢。埋设一年后取出埋设坑中的钢制检查片，经过清洗、酸洗、电镜扫描等步骤后，对钢制检查片进行称重分析及相关检测。

2.2 结果和讨论

2.2.1 试验管段的阴极保护效果

采用EPIPHOT200型电子分析天平对腐蚀前后的碳钢检查片进行质量测试。实验结果显示，电流保护片平均腐蚀速率为0.0166g/（m2.h），自然腐蚀片平均腐蚀速率为0.1062g/（m2.h），阴极保护片腐蚀速率明显低于自然腐蚀片。每处埋设点的阴极保护系统平均保护度在81.29%～91.20%，基本满足《钢质管道外腐蚀控制规范》规定的管道线路阴极保护系统的保护度宜大于85%的要求。

2.2.2 腐蚀形貌和能谱分析

分别采用EPIPHOT200型金相显微镜分别在200倍和500倍下对腐蚀前后的检查片进行金相测试，采用捷克TESCAN公司的VEGA 3SBU型扫描电子显微镜对检查片表面微观形貌进行检测。腐蚀前铁素体被黑色晶界分割为块状的晶粒，在500倍和5000倍下均可以看到珠光体组织内部有黑白交替的条纹，这是20#碳钢的典型金相组织形貌。所有试样未发现组织偏析、夹杂、裂纹、氧化等缺陷。腐蚀后的电流保护片在500倍下整体基本处于一个平面，观察到的腐蚀产物很少，5000倍下仍隐约可见20#钢的显微组织，说明其腐蚀程度较弱，而自然腐蚀片在金相显微镜下呈现凹凸不平的形貌，可以观察到大量的腐蚀产物，5000倍下只能观察到不规则的腐蚀产物，看不到明显的组织形貌，说明其腐蚀程度很严重。

用BRUKER能谱系统对腐蚀后检查片在选中区域进行扫描，分析表面元素。能谱仪的定量分析因其方法特性的限制，在低当量元素分析时会有加大的误差，而且原子量越小，给出的定量结果相对误差越大。元素周期表中原子量大于氧的元素，其定量才比较准确。能谱图中可以看出，电流保护片其Fe的峰较强，而自然腐蚀片由于发生腐蚀而引入了其他元素，使Fe峰减弱，说明处于电流保护片受保护程度较高，检查片腐蚀不严重，自然腐蚀片腐蚀程度严重。

2.2.3 X射线衍射

埋设前对2支备用检查片采用德国布鲁克AXE公司的Bruker/D2 PHASER型X射线衍射仪对其表面进行物相定性分析。 测试结果中只发现代表Fe的特征峰，这表明试样未被氧化、腐蚀。腐蚀试验后，电流保护片测试结果中只发现代表Fe的特征峰，这表明试样被氧化、腐蚀地不严重；而自然腐蚀片测试结果中发现了代表Fe+3O（OH）和Fe1.375（PO4）（OH）的特征峰，表明试样被氧化、腐蚀的严重。常温下，20#碳钢中的碳元素全以Fe3C形式存在，其含量约为0.25%，因此XRD无法测出。

2.2.4 钢制检查片样本计算差异分析

部分试验点中两种检查片腐蚀速率相差不大，产生的原因如下：（1）某埋设点的检查片受到了坑内积水的腐蚀，加之周边存在高压线，导致电流保护片由于受到杂散电流影响造成该埋设点电流保护片的腐蚀速率略小于自然腐蚀片[4]；（2）某埋设点管道处于成都地铁上方，地铁运行时，在同一部位的管地电位随时间交替变化，部分时间出现电位相对于环境为正的情况，此时，管道会遭受腐蚀。地铁停运时，阴极保护电位正常，管道处于有效的阴极保护。总体来看，地铁杂散电流造成一定程度的电流保护片腐蚀加速，使两种保护片的腐蚀速率差距减小。

3 结语

通过阴极保护的原理分析和腐蚀试验可知，阴极保护对城镇燃气埋地钢质管道起到了重要的保护作用，漏点处的腐蚀速率明显下降，受杂散电流干扰段可增加排流措施强化保护效果。虽然增加阴极保护需要投入一定的成本，但可以避免天然气泄漏造成的经济损失和人身伤亡。不管从国家标准的规定还是从经济社会效益出发，都应当也有必要对燃气管道增加相应的阴极保护。