蔡宇

摘要：隨著城市化和農(nóng)村現(xiàn)代化的發(fā)展，天然氣已普遍入戶，隨之帶來的燃?xì)夤艿腊踩珕栴}也日益突出。為保證燃?xì)夤艿赖陌踩\(yùn)行，管道的定期檢驗(yàn)成為遏制事故的安全閥。因此，本文從管道腐蝕機(jī)理入手，分析定期檢驗(yàn)過程中管道內(nèi)腐蝕和外腐蝕，通過非開挖和開挖兩種檢測手段，舉例說明檢測中的腐蝕狀況，并計(jì)算管道的壁厚及應(yīng)力情況，以此來提高對燃?xì)夤艿婪栏闹匾暋?/p>

關(guān)鍵詞：燃?xì)夤艿?鋼管 定期檢驗(yàn) 管道腐蝕

1.城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿垃F(xiàn)狀

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和消費(fèi)者的環(huán)保意識增強(qiáng)，人們對清潔能源（如天然氣）的需求會不斷上漲。天然氣已然成為城市生產(chǎn)生活離不開的能源。目前，城鎮(zhèn)用氣的主要輸送方式為管道輸送，城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)施的建設(shè)成為了城鎮(zhèn)生存和發(fā)展的必要保障和重要基礎(chǔ)設(shè)施。

近些年來，聚乙烯類管道已經(jīng)大量用于城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿冷佋O(shè)（本文中燃?xì)夤艿乐柑胤N設(shè)備目錄中公用管道中燃?xì)夤艿?管道代碼8210），但受環(huán)境和工藝限制，鋼制管道仍大量應(yīng)用于城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿乐?。由此可見，提高管道防腐能力，增?qiáng)管道檢驗(yàn)技術(shù)，預(yù)防管道腐蝕是非常重要的。

管道腐蝕會使壁厚急劇減少，不僅制約天然氣集輸能力的提高，還導(dǎo)致維修改造費(fèi)用增大，且由電化學(xué)腐蝕引起的局部腐蝕會使管道出現(xiàn)密集性腐坑，造成應(yīng)力集中開裂或是直接腐蝕穿孔。天然氣具有易燃易爆特性，一旦管道泄漏就可能引起火災(zāi)及爆炸事故，可能產(chǎn)生巨大的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡。例如，6·13十堰燃?xì)獗ㄊ鹿剩?5人死亡，138人受傷;10·21沈陽燃?xì)獗ㄊ鹿剩?人死亡，47人受傷。因此，在定期檢驗(yàn)過程中分析、發(fā)現(xiàn)和預(yù)防燃?xì)夤艿栏g這一重要損傷模式是非常必要的。

2.常見燃?xì)夤艿赖母g類型及機(jī)理

城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿莱Ｒ姷挠袃?nèi)腐蝕和外腐蝕，內(nèi)腐蝕是由管內(nèi)介質(zhì)等引起的管道內(nèi)部腐蝕，外腐蝕則是由管道鋪設(shè)環(huán)境所引起的管道外壁腐蝕[1-2]。

城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿酪话悴捎寐竦睾图芸諆煞N方式。埋地，是城市燃?xì)夤艿朗褂米疃嘁沧罘奖愕匿佋O(shè)方式。不同地區(qū)的土壤電阻率、酸度的差異造成燃?xì)夤艿涝诓煌貐^(qū)的抗腐蝕性有所差別，所以在日常的檢測中，要重點(diǎn)關(guān)注那些腐蝕性強(qiáng)的地方。

2.1內(nèi)腐蝕

內(nèi)腐蝕為電化學(xué)腐蝕，機(jī)理是管道內(nèi)的凝結(jié)水在管道內(nèi)壁形成親水膜，可與鋼質(zhì)管道構(gòu)成原電池，從而造成原電池腐蝕[3]。不僅是水，輸送的燃?xì)庵泻辛蚧瘹?、二氧化碳等均能和金屬起作用，引起化學(xué)腐蝕。隨著脫硫、脫碳技術(shù)的發(fā)展，目前使用的凈化天然氣嚴(yán)格控制了硫化氫、二氧化碳、水等含量，并且成熟的燃?xì)庥霉懿?、管件制造工藝及設(shè)計(jì)、安裝工藝使得內(nèi)腐蝕的強(qiáng)度大大減小。因此，目前燃?xì)夤艿赖亩ㄆ跈z驗(yàn)主要考察管道的外腐蝕。

2.2外腐蝕

燃?xì)夤艿赖耐飧g分為兩種：化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕[4]?；瘜W(xué)腐蝕通常是全面性的腐蝕，對一定長度的管道的管壁均造成腐蝕，所以其管厚呈一定程度的均勻減薄。電化學(xué)腐蝕主要通過原電池機(jī)理，會集中腐蝕管道的某一特定的點(diǎn)或縫，從而在管道上形成腐蝕坑或者裂縫，嚴(yán)重的可能會造成管道穿孔、大面積的應(yīng)力集中開裂等情況。除此之外，雜散電流和土壤微生物也會對燃?xì)夤艿劳獗谛纬刹煌潭鹊母g。

2.3腐蝕原因

對埋地段管道而言，大氣對管道的腐蝕性很小，主要是土壤腐蝕。在沿河鋪設(shè)管道，則要考慮土壤中的高含水對管道的腐蝕;在農(nóng)業(yè)區(qū)，則需要考慮在化肥使用下的土壤的酸度對管道的腐蝕，同時(shí)農(nóng)業(yè)區(qū)土壤微生物也是造成管道腐蝕的重要因素;在電車、電氣化鐵路或者具有接地回路的輸配電系統(tǒng)周圍存在的雜散電流會流經(jīng)管道，從而造成腐蝕;在南方常年溫度較高地區(qū)，也要注意溫度對腐蝕速率的影響。

3.腐蝕檢測方法及防腐措施

3.1檢測過程

通過酸度計(jì)、土壤電阻率、管道外防腐檢測儀、涂層測厚儀等設(shè)備，對影響管道腐蝕的因素和保護(hù)管道腐蝕的方法、設(shè)施進(jìn)行檢測，并通關(guān)科學(xué)的計(jì)算得出結(jié)論及預(yù)防或整改修復(fù)措施。本文主要介紹非開挖檢測和開挖檢測，以及相應(yīng)的評價(jià)。

3.1.1非開挖檢測

使用電位梯度法檢測儀器對全管線段外防腐進(jìn)行檢測評估，同時(shí)找到防腐層存在破損的位置[5]。表1為某地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿婪情_挖檢測結(jié)果。

由表1可知，此段管線的防腐綜合等級為4級，其外防腐層失效較為嚴(yán)重且存在多處破損。

3.1.2開挖檢測

在檢測為外防腐層破損的位置開挖探坑，發(fā)現(xiàn)管道外防腐層出現(xiàn)嚴(yán)重麻面及鼓泡，且有明細(xì)破損痕跡，破開防腐后實(shí)測壁厚為2.50～2.36mm，并有大量腐蝕坑 。

圖1為防腐層老化失效，管道壁出現(xiàn)局部腐蝕的腐蝕坑，長度為40mm，最大腐蝕坑深度為1.8mm，腐蝕位置測量最小壁厚為2.38mm。圖2為防腐層破損處，管道壁出現(xiàn)局部腐蝕的腐蝕坑，長度為60mm，最大腐蝕坑深度為1.8mm，腐蝕位置測量最小壁厚為2.36mm。圖3為局部腐蝕造成的腐蝕穿孔。

由此可知，其埋地環(huán)境較為潮濕，土壤含水較多，且其防腐層出現(xiàn)明顯破損，使得外界環(huán)境直接作用于鋼質(zhì)管道上，從而造成管道腐蝕，形成腐蝕坑乃至腐蝕穿孔。這些腐蝕現(xiàn)象均是由外腐蝕所引起的。

3.1.3最小壁厚計(jì)算

為進(jìn)一步確定管道損傷情況和判斷管道的檢驗(yàn)周期，需要對管道的最小壁厚進(jìn)行計(jì)算。公式如下：

其中， 為計(jì)算壁厚; 為焊縫系數(shù); 為鋼管最低屈服強(qiáng)度;P為工作壓力;D為管道外徑;F為強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù);t為溫度折減系數(shù)。

由上述公式，計(jì)算壁厚為0.66mm。

3.1.4應(yīng)力計(jì)算

應(yīng)力按如下公式計(jì)算[6]：

其中， 為為內(nèi)壓引起的環(huán)向應(yīng)力;P為管道壓力;d為管道內(nèi)徑; 為管道公稱壁厚。

其中， 為由內(nèi)壓和溫度引起的軸向應(yīng)力; 為鋼材線膨脹系數(shù);E為彈性模量;t1為管道安裝閉合時(shí)的環(huán)境溫度;t2為管道工作溫度;? 為泊松比。

當(dāng) 為負(fù)時(shí)，按最大剪應(yīng)力強(qiáng)度理? 論計(jì)算當(dāng)量應(yīng)力，應(yīng)滿足如下要求：

最終計(jì)算可得：校核強(qiáng)度為220.50MPa;軸向應(yīng)力為3.53MPa;環(huán)向應(yīng)力為11.76MPa;當(dāng)量應(yīng)力為15.29MPa。

3.1.5剩余強(qiáng)度計(jì)算

其中，PF為剩余強(qiáng)度;D為管道直徑;t為管道壁厚;d為缺陷深度; 為流變應(yīng)力;M為Folias膨脹系數(shù);L為缺陷長度。

膨脹系數(shù)按如下公式計(jì)算：

管道的最大允許工作壓力為：

其中，K為設(shè)計(jì)系數(shù)。

管道運(yùn)行壓力不得超過最大允許工作壓力8.02MPa

3.1.6剩余壽命計(jì)算

為確認(rèn)管道腐蝕狀況，通過下列公式計(jì)算管道剩余壽命[7]：

其中，RL為剩余壽命，單位為年;C為校正系數(shù)，取0.85;t為名義壁厚，單位為mm;GR為腐蝕速率，單位為mm/年;MAOP 為管段許用壓力，單位為MPa。

其中， 為屈服強(qiáng)度，單位為MPa; 為許用應(yīng)力，單位為MPa;D為管道外徑，單位為mm。

其中，d為缺陷深度; 為流變應(yīng)力;M為Folias膨脹系數(shù);L為缺陷長度。

最終計(jì)算其剩余壽命為5.23年。

3.2防腐措施

3.2.1內(nèi)防腐措施

對于內(nèi)腐蝕而言，目前采用凈化天然氣可大大減小內(nèi)腐蝕，其重點(diǎn)在于源頭控制，減少燃?xì)獾暮亢投趸己康?，很少外加防腐措施?/p>

3.2.2外防腐措施

（1）外加防腐層，常用瀝青和3PE作為防腐外層，以此形成保護(hù)層，阻止鋼質(zhì)管道直接與土壤、空氣接觸[8-9]。

（2）采用電保護(hù)法，如陰極保護(hù)或犧牲陽極保護(hù)。城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿酪话愣嗖捎脿奚枠O保護(hù)法。

（3）使用新材料，采用新型不易被腐蝕的材料作為管材或是防腐涂層，以此來增加管道的防腐能力。

4結(jié)語

燃?xì)夤艿赖膬?nèi)、外腐蝕是造成燃?xì)庑孤┖桶踩鹿实闹饕蛩兀彝飧g的影響更大也更明顯。外腐蝕是一個緩慢的過程，其主要發(fā)生在防腐層破裂的地方。防腐層破裂后，鋼質(zhì)管道上發(fā)生的化學(xué)和電化學(xué)反應(yīng)使管道進(jìn)一步損壞，在鋼質(zhì)表面形成腐蝕坑甚至穿孔，從而導(dǎo)致燃?xì)庑孤斐砂踩鹿省?/p>

在檢驗(yàn)過程中，對管道進(jìn)行的專項(xiàng)檢查能有效地發(fā)現(xiàn)管道腐蝕情況，評定管道的防腐等級，制定管道的檢驗(yàn)周期。但面對國內(nèi)土壤環(huán)境、大氣環(huán)境、防腐措施的巨大差異，燃?xì)獍踩珕栴}仍需更加重視。

參考文獻(xiàn)

[1]唐國平，陳玉寶，陳培寧，等.城鎮(zhèn)燃?xì)夤艿栏g檢測與防護(hù)研究[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2021（3）：27-30.

[2]劉浠堯.燃?xì)夤艿栏g缺陷應(yīng)力分析[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2021（4）：50-52.

[3]龍會成. 城市燃?xì)怃撡|(zhì)管道安全風(fēng)險(xiǎn)與壽命預(yù)測方法研究及實(shí)證應(yīng)用[D].成都：西南石油大學(xué)，2018.

[4]陳國華，曾靜，蔣漳河，等.城市鋼質(zhì)燃?xì)夤艿劳飧g程度評價(jià)方法及應(yīng)用[J].腐蝕與防護(hù)，2008（6）：337-340，350.

[5]王建業(yè)，王會杰，鄭光耀.埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿婪栏瘜悠茡p腐蝕漏氣檢測及其整改措施探討[J].全面腐蝕控制，2019，33（4）：102-106.

[6]周陽，黃小美，彭世尼，等.埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿栏g影響因素的相關(guān)性分析[J].煤氣與熱力，2014，34（10）：6-10.

[7]金昌浩.埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿栏g定期檢測與維修實(shí)踐[J].煤氣與熱力，2011，31（7）：1-4.

[8]黃仁惠.基于優(yōu)化GM-LSSVM組合模型的埋地管道腐蝕失效預(yù)測研究[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2021.

[9]顧晨晨.某長輸管道輸油站場安全風(fēng)險(xiǎn)管控研究[D].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2021.