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摘要：通过对埋地天然气管道进行外防腐层、土壤电阻率等关键参数检测分析，并根据分析结果提出新的防護方案，改善了埋地天然气管道运行的安全性。
关键词：埋地天然气管道；防腐层失效；电化学腐蚀；阴极保护
引言
如今我国天然气的消耗占一次能源的比重逐渐升高，其中天然气发电项目开展火热，天然气燃料主要依靠管道运输，其中又以埋地敷设居多，埋地天然气管道的使用安全越来越受到重视，本文对某燃气电厂管道防腐检测修复工程的实际情况展开分析讨论，以便同类工程防腐设计考虑借鉴。
1、埋地天然气管道系统简介
某电厂建有三套F级燃气-蒸汽联合循环机组，于2006年投产。厂区埋地天然气主管道共有四路，其中三路并行供机组，一路供启动锅炉。天然气从终端气站通过长6.5米，OD406×22的#20碳钢管母管输入该厂，经该厂一期调压站降压后分别经由上述四路埋地管输送到一期3台机组和2台启动锅炉。其中，供机组管的规范为：#20碳钢管OD219×15，设计压力10MPa，运行压力3.5MPa，温度5-45℃，三路总长约1550米；供启动锅炉管的规范为：#20碳钢管OD325×13，设计压力6.3MPa，运行压力0.1MPa，温度1-45℃，长约450米。各埋地管外部采用环氧煤沥青防腐层，厚度1mm，管道埋地深度1.55-2.2米。
2、埋地管道防腐检测情况介绍
该厂天然气管道已运行多年，需排查管道防腐层有无出现老化而导致腐蚀甚至穿孔的情况，故对埋地天然气管道进行全面检测、评估，其中采用了以下几种检测方式。
2.1外防腐层检测
本次外防腐层检测采用管中电流法（PCM）结合交流地电位梯度法（ACVG），优点是无需进行管道开挖、检测速度快且能准确定位破损点。
检测原理如图1所示。设备系统分两大部分：①大功率信号发射机，用其向埋地管道接入一组低频率电流信号；②手提接收器A字架（交流地电位差测量仪），当信号电流沿埋地管道方向流动时，管道周围将产生相应磁场，与管道流入电流大小成正比，在地表进行磁分量测量就可以准确地测得流过此处的电流大小。同时，当管道的防腐层出现破损点、搭接点、管材裸露等导致管道母材与其周围土壤介质或其他金属物体直接联通时，检测信号电流就会流出管道，在缺陷点周围形成叠加电场，通过检测、分析土壤中电场的交流电位梯度变化，即可判断缺陷点的准确位置。
本次使用PCM+ACVG检测法共查出管道疑似腐蚀点112处，开挖后检查发现腐蚀深度超过管道壁厚30%有8处，其中最深腐蚀深度为6.3mm（管厚15mm），见图2、3所示。
检测中还发现，外防腐层绝缘电阻率低于3000Ω.m2从而需要更换防腐层的管道长度约为269米，占全厂埋地天然气管道总长13%。下图4为#1机埋地管道绝缘电阻分级图。
2.2土壤电阻率检测
土壤腐蚀是埋地管道腐蚀中最常见的一种，而土壤电阻率是表征土壤导电能力的重要指标。在研究长距离埋地金属管道宏观电池腐蚀过程中，电阻率起主导作用，因为在宏观电池腐蚀中，电极电位可达数百毫伏，此时腐蚀电流大小将受电阻控制。在其他条件相同的情况下，土壤电阻率越小，腐蚀电流越大，土壤腐蚀性也就越强。
本次在使用ACVG法测出管道大致埋深后，采用四极法测算出该厂各区域平均土壤电阻率，数据见表1。
从地表至深度为a的平均土壤电阻率计算公式：
按照GB/T 19285-2003《埋地钢质管道腐蚀防护工程检验》的规定，该厂土壤电阻率均大于50Ω ·m，土壤腐蚀性为弱。
2.3管地电位及杂散电流监测
由于该厂埋地天然气管道与高压电缆管沟存在间隔交叉布置，而杂散电流腐蚀速率较土壤腐蚀更为迅速，故本次也对天然气管道杂散电流情况进行了监测，方法如下。
局部开挖后将硫酸铜参比电极置于管道正上方潮湿土壤处，测管地电位时，将数字万用表打到直流DC档，按下图5接线方式接线，万用表正表笔接测试桩内管道测试电缆，负表笔接参比电极；测交流电压时，将万用表打到交流AC档，读取万用表读数。
经24小时杂散电流监测，管地电位在-0.333V～-0.754V间波动，管道上交流电压值在0.3～0.55V间波动，见下图6，可以排除有杂散电流的干扰。
3、埋地管道腐蚀原因分析
结合本次检测数据以及后期开挖实际检查情况，发现该厂埋地天然气管道已部分失效，分析原因如下。
3.1原外防腐层选材不当、施工质量不理想
该厂埋地天然气管道采用环氧煤沥青防腐层，此种防腐材料是将环氧树脂改性煤沥青，黏结性与耐温性较煤焦油瓷漆均有进一步改善，并同时具有环氧树脂优良的物理化学性能与煤焦油沥青优良的耐水、抗微生物性能。
但环氧煤沥青防腐层抗机械冲击能力较差，易受砂石割破（该厂处于炸山填海区，回填砂石较多）。且此防腐层的施工工序复杂，要求涂刷防腐前对母材外表喷砂除锈，要求达到Sa2.5级别，防腐材料底漆和面漆需多次涂刷，对施工人员水平以及施工管理都有较高要求。
但本次开挖检查发现，外防腐层大面积老化、失效，可轻松剥落，防腐底漆与管材表面基本已无黏结力，见下图5。
3.2 电化学腐蚀
开挖检查发现，在管道接地极附近，管道腐蚀缺陷点腐蚀程度相对严重，分析原因如下。
该厂燃气管道与接地干线连接，而接地干线采用截面为 185mm?的裸铜绞线作为接地干线。形成了以铜线为阴极、管道母材为阳极、土壤为介质的原电池系统，管道母材渐渐在电化学反应中被腐蚀、消耗。
4、解决措施
根据以上检测情况以及分析结果，应从以下几方面进行整改、修复。
4.1外防腐结构更新修复
针对原天然气管道防腐失效的原因，该厂对防腐层进行更新，选择粘弹体防腐材料用于埋地管道外防腐。
粘弹体材料是一种高分子聚合物材料，在20世纪80年代，首先被研发用于防水领域，由于其具有优异的阻水能力、绝缘性能、化学惰性以及冷流性，现被开发为一种新型的管道防腐材料。
粘弹体材料防腐施工特点：
①无需进行喷砂除锈表面处理，只要达到手工除锈ST2级即可保证与管道母材的黏结性；
②无需现场烘烤，只要母材表面干燥，即可进行防腐作业；
③防腐材料缠绕简单方便，对施工人员要求较低，施工质量容易控制；
④由于其具有冷流性，即使被锐物割伤，粘弹体也可自行补充修复伤口。
4.2加装阴极保护装置。
由上述管地电位检测所示，原天然气管道电位低于-0.85V的保护电位，容易发生电化学腐蚀，通过加装阴极保护装置可提供针对性保护。管道阴极保护方法一般分为强制电流法和牺牲阳极法。
强制电流法的优点包括：适用于大管径、长距离的管道；输出电流量较大且可以连续调节；其缺点为：需要外部电源；容易对临近的埋地金属构筑物产生干扰；安装和调试较为复杂，维护管理工作量大。
牺牲阳极法的优点包括：安装方便，维护、管理工作量较小；无需外部电源，电流分布均匀，对临近的金属构筑物无干扰；其缺点为：寿命短，需要定期更换阳极，不适用于土壤电阻率高的地方。
结合该厂实际情况，埋地管道长度较短、表面积较小，采用牺牲阳极的造价远低于强制电流法。且若采用强制电流法会对金属构筑物产生干扰，而采用牺牲阳极则可以避免。故该厂最终采用镁阳极为牺牲阳极的阴极保护系统对埋地管道进行阴极保护。
5、结语
综上所述，影响埋地管道防腐性能的因素较多，在进行充分检测及分析，选取最具针对性的解决方案，才能提高防腐效果，保证管道性能，延长管道使用寿命，同时提高经济效益。天然气管道的安全运行对社会具有极其重要的意义。
关键词：埋地天然气管道；防腐层失效；电化学腐蚀；阴极保护
引言
如今我国天然气的消耗占一次能源的比重逐渐升高，其中天然气发电项目开展火热，天然气燃料主要依靠管道运输，其中又以埋地敷设居多，埋地天然气管道的使用安全越来越受到重视，本文对某燃气电厂管道防腐检测修复工程的实际情况展开分析讨论，以便同类工程防腐设计考虑借鉴。
1、埋地天然气管道系统简介
某电厂建有三套F级燃气-蒸汽联合循环机组，于2006年投产。厂区埋地天然气主管道共有四路，其中三路并行供机组，一路供启动锅炉。天然气从终端气站通过长6.5米，OD406×22的#20碳钢管母管输入该厂，经该厂一期调压站降压后分别经由上述四路埋地管输送到一期3台机组和2台启动锅炉。其中，供机组管的规范为：#20碳钢管OD219×15，设计压力10MPa，运行压力3.5MPa，温度5-45℃，三路总长约1550米；供启动锅炉管的规范为：#20碳钢管OD325×13，设计压力6.3MPa，运行压力0.1MPa，温度1-45℃，长约450米。各埋地管外部采用环氧煤沥青防腐层，厚度1mm，管道埋地深度1.55-2.2米。
2、埋地管道防腐检测情况介绍
该厂天然气管道已运行多年，需排查管道防腐层有无出现老化而导致腐蚀甚至穿孔的情况，故对埋地天然气管道进行全面检测、评估，其中采用了以下几种检测方式。
2.1外防腐层检测
本次外防腐层检测采用管中电流法（PCM）结合交流地电位梯度法（ACVG），优点是无需进行管道开挖、检测速度快且能准确定位破损点。
检测原理如图1所示。设备系统分两大部分：①大功率信号发射机，用其向埋地管道接入一组低频率电流信号；②手提接收器A字架（交流地电位差测量仪），当信号电流沿埋地管道方向流动时，管道周围将产生相应磁场，与管道流入电流大小成正比，在地表进行磁分量测量就可以准确地测得流过此处的电流大小。同时，当管道的防腐层出现破损点、搭接点、管材裸露等导致管道母材与其周围土壤介质或其他金属物体直接联通时，检测信号电流就会流出管道，在缺陷点周围形成叠加电场，通过检测、分析土壤中电场的交流电位梯度变化，即可判断缺陷点的准确位置。
本次使用PCM+ACVG检测法共查出管道疑似腐蚀点112处，开挖后检查发现腐蚀深度超过管道壁厚30%有8处，其中最深腐蚀深度为6.3mm（管厚15mm），见图2、3所示。
检测中还发现，外防腐层绝缘电阻率低于3000Ω.m2从而需要更换防腐层的管道长度约为269米，占全厂埋地天然气管道总长13%。下图4为#1机埋地管道绝缘电阻分级图。
2.2土壤电阻率检测
土壤腐蚀是埋地管道腐蚀中最常见的一种，而土壤电阻率是表征土壤导电能力的重要指标。在研究长距离埋地金属管道宏观电池腐蚀过程中，电阻率起主导作用，因为在宏观电池腐蚀中，电极电位可达数百毫伏，此时腐蚀电流大小将受电阻控制。在其他条件相同的情况下，土壤电阻率越小，腐蚀电流越大，土壤腐蚀性也就越强。
本次在使用ACVG法测出管道大致埋深后，采用四极法测算出该厂各区域平均土壤电阻率，数据见表1。
从地表至深度为a的平均土壤电阻率计算公式：
按照GB/T 19285-2003《埋地钢质管道腐蚀防护工程检验》的规定，该厂土壤电阻率均大于50Ω ·m，土壤腐蚀性为弱。
2.3管地电位及杂散电流监测
由于该厂埋地天然气管道与高压电缆管沟存在间隔交叉布置，而杂散电流腐蚀速率较土壤腐蚀更为迅速，故本次也对天然气管道杂散电流情况进行了监测，方法如下。
局部开挖后将硫酸铜参比电极置于管道正上方潮湿土壤处，测管地电位时，将数字万用表打到直流DC档，按下图5接线方式接线，万用表正表笔接测试桩内管道测试电缆，负表笔接参比电极；测交流电压时，将万用表打到交流AC档，读取万用表读数。
经24小时杂散电流监测，管地电位在-0.333V～-0.754V间波动，管道上交流电压值在0.3～0.55V间波动，见下图6，可以排除有杂散电流的干扰。
3、埋地管道腐蚀原因分析
结合本次检测数据以及后期开挖实际检查情况，发现该厂埋地天然气管道已部分失效，分析原因如下。
3.1原外防腐层选材不当、施工质量不理想
该厂埋地天然气管道采用环氧煤沥青防腐层，此种防腐材料是将环氧树脂改性煤沥青，黏结性与耐温性较煤焦油瓷漆均有进一步改善，并同时具有环氧树脂优良的物理化学性能与煤焦油沥青优良的耐水、抗微生物性能。
但环氧煤沥青防腐层抗机械冲击能力较差，易受砂石割破（该厂处于炸山填海区，回填砂石较多）。且此防腐层的施工工序复杂，要求涂刷防腐前对母材外表喷砂除锈，要求达到Sa2.5级别，防腐材料底漆和面漆需多次涂刷，对施工人员水平以及施工管理都有较高要求。
但本次开挖检查发现，外防腐层大面积老化、失效，可轻松剥落，防腐底漆与管材表面基本已无黏结力，见下图5。
3.2 电化学腐蚀
开挖检查发现，在管道接地极附近，管道腐蚀缺陷点腐蚀程度相对严重，分析原因如下。
该厂燃气管道与接地干线连接，而接地干线采用截面为 185mm?的裸铜绞线作为接地干线。形成了以铜线为阴极、管道母材为阳极、土壤为介质的原电池系统，管道母材渐渐在电化学反应中被腐蚀、消耗。
4、解决措施
根据以上检测情况以及分析结果，应从以下几方面进行整改、修复。
4.1外防腐结构更新修复
针对原天然气管道防腐失效的原因，该厂对防腐层进行更新，选择粘弹体防腐材料用于埋地管道外防腐。
粘弹体材料是一种高分子聚合物材料，在20世纪80年代，首先被研发用于防水领域，由于其具有优异的阻水能力、绝缘性能、化学惰性以及冷流性，现被开发为一种新型的管道防腐材料。
粘弹体材料防腐施工特点：
①无需进行喷砂除锈表面处理，只要达到手工除锈ST2级即可保证与管道母材的黏结性；
②无需现场烘烤，只要母材表面干燥，即可进行防腐作业；
③防腐材料缠绕简单方便，对施工人员要求较低，施工质量容易控制；
④由于其具有冷流性，即使被锐物割伤，粘弹体也可自行补充修复伤口。
4.2加装阴极保护装置。
由上述管地电位检测所示，原天然气管道电位低于-0.85V的保护电位，容易发生电化学腐蚀，通过加装阴极保护装置可提供针对性保护。管道阴极保护方法一般分为强制电流法和牺牲阳极法。
强制电流法的优点包括：适用于大管径、长距离的管道；输出电流量较大且可以连续调节；其缺点为：需要外部电源；容易对临近的埋地金属构筑物产生干扰；安装和调试较为复杂，维护管理工作量大。
牺牲阳极法的优点包括：安装方便，维护、管理工作量较小；无需外部电源，电流分布均匀，对临近的金属构筑物无干扰；其缺点为：寿命短，需要定期更换阳极，不适用于土壤电阻率高的地方。
结合该厂实际情况，埋地管道长度较短、表面积较小，采用牺牲阳极的造价远低于强制电流法。且若采用强制电流法会对金属构筑物产生干扰，而采用牺牲阳极则可以避免。故该厂最终采用镁阳极为牺牲阳极的阴极保护系统对埋地管道进行阴极保护。
5、结语
综上所述，影响埋地管道防腐性能的因素较多，在进行充分检测及分析，选取最具针对性的解决方案，才能提高防腐效果，保证管道性能，延长管道使用寿命，同时提高经济效益。天然气管道的安全运行对社会具有极其重要的意义。