北京燃气管网外腐蚀泄漏的关键影响因素

王庆余1,王 宁,李夏喜1,杜艳霞

(1. 北京燃气集团有限公司，北京 100035； 2. 北京科技大学 新材料技术研究院，北京 100083)

近年来，我国城市燃气发展迅速，燃气供气总量达到1 291.5×108m3，用气人口5.4亿[1]，燃气已成为我国重要的能源之一。城市燃气的发展不断提速，这使得运输燃气的管道建设不断发展，以北京市为例，北京燃气集团运行的钢质天然气管道已超过2.1万公里，并且，已初步形成遍布整个城市的燃气管网。随着燃气管网的迅猛发展，其运行中存在的安全风险也日益增加。由于燃气管道一般都埋在地下，且布置于人口密集、交通繁忙的区域，因此，一旦发生燃气泄漏事故，就会带来严重的后果，如造成居民财产损失，威胁人民群众生命安全，还会造成严重的社会危害等[2]。据不完全统计，2011-2014年间，我国发生了 3 356起城市燃气事故，燃气事故频繁发生，造成了大量的人员伤亡和经济损失，引发了社会各界对城市燃气管网安全问题的高度关注[3]。

在众多影响燃气管道安全运行的因素中，腐蚀是引起埋地燃气管道破坏和失效的主要原因之一[4]。据相关资料调查统计显示，由腐蚀引起的事故占管道安全事故的40%。对于城市燃气管网来说，主要面临的风险来自于管道的外腐蚀。而影响管道外腐蚀风险的因素众多，如土壤特性、外防腐层、阴极保护及杂散电流干扰等。对于影响管道外腐蚀的关键因素，有不少学者进行了相关研究。赵秀雯[5]指出，影响管道外腐蚀的因素主要来自土壤性质、防腐层状况、阴极保护情况、杂散电流情况等五方面。云中雁[6]根据现场检测数据和已有的管道基础资料，确定影响埋地燃气管道腐蚀的因素主要包括：涂层种类及材料、抢修次数、电流干扰、使用年限、阴极检测频率、防腐层状况、土壤腐蚀性、土壤pH、杂散电流、阴极保护等十个因素。在影响埋地管道外腐蚀风险的诸多因素中，什么是导致北京燃气管道频繁泄漏的关键因素？目前尚未开展过相关调查和研究，为了给北京燃气安全管理提供参考和借鉴，对北京燃气管网2014-2017年的外腐蚀泄漏事故数据进行了统计，分析了服役时间、防腐层类型、管道阴极保护状况等因素与腐蚀泄漏次数之间的相关性，以期明确影响北京燃气管道腐蚀的关键因素。

1 北京燃气2014-2017年外腐蚀泄漏数据收集整理

收集整理了北京燃气管网2014-2017年的腐蚀泄漏数据，并进行了数据清洗和电子化，剔除了无效的数据，对清洗过的数据进行了统计分析。结果表明，2014-2017年间，北京燃气管道约发生了1 075次腐蚀泄漏，由表1可见，2016年发生的管道泄漏次数最多，近400起，2017年的最少，约200起。

表1 2014-2017年间发生的管道腐蚀泄漏次数Tab. 1 Number of pipeline corrosion leaks occurring from 2014 to 2017

2 腐蚀穿孔关键性因素分析

对整理好的数据进行统计学分析，分析服役时间、防腐蚀层类型、运行压力、阴极保护效果等因素对管道腐蚀穿孔的影响。

2.1 服役时间的影响

服役时间是影响管道腐蚀的重要因素。随着服役时间的延长，防腐蚀涂层的性能下降、牺牲阳极逐渐消耗，会对管道腐蚀造成严重影响。由图1可见：当管道的服役时间为25 a时，管道失效泄漏最频繁，最高可达54起；服役时间为12 a时的次之，约发生了32起腐蚀泄漏；管道在服役12～24年间，每年约发生18起失效事故，管道在其余服役年限的失效事故较少，约为10起。目前北京燃气管道一般的设计寿命为30 a，25 a接近服役末期，腐蚀风险加大，大部分的整改大修措施是针对服役25 a以上的管道开展的，大修整改后，管道的泄漏频次下降。

图1 2014-2017年间，北京燃气管道腐蚀泄漏事故随服役时间的分布图Fig. 1 Distribution map of Beijing gas pipeline corrosion leakage accidents with service time from 2014 to 2017

2.2 管道压力等级的影响

由表2可见：管道压力等级不同，其泄漏情况相差很大。低压管道的泄漏事故最多，约745起，约占所有失效事故的75.4%；中压管道的次之(196起)，次高压及高压管道的泄漏事故数较少，分别为18次和20次，占比都在2%左右。防腐蚀层质量较差，同时没有施加有效的阴极保护，是导致低压管道出现高频泄漏的主要原因；中压管道部分施加了阴极保护，而次高压及高压管道普遍施加了阴极保护，因此泄漏事故相对较少。

表2 2014-2017年间，不同压力等级管道的泄漏事故统计结果Tab. 2 Statistical results of leakage accidents of pipelines with different pressure levels from 2014 to 2017

2.3 防腐蚀层的影响

目前，北京燃气管道常用防腐蚀层有沥青类、3PE、胶带类以及环氧粉末等。沥青类防腐蚀层成本较低，施工过程不会对环境造成破坏，但其抗冲击性能比较差；胶带类防腐蚀层操作简单，成本低廉，但易形成防腐蚀层剥离；3PE是比较完善的防腐蚀结构，拥有优良的防腐蚀性能和力学性能，但其成本相对较高。

由表3可见：采用沥青防腐蚀层管道的失效事故最多，为709起，约占总失效事故的84.51%；其次是胶带和3PE类防腐蚀层管道的，失效次数分别为78起和36起；环氧粉末/煤焦油磁漆防腐蚀层管道的失效事故最少(16起)，约占1.91%。沥青类防腐蚀层出现较早，并且绝缘性能较差，因此对管道的保护效果较差；3PE防腐蚀层的防护性能较好，因此对管道的保护作用更强。

表3 2014-2017年间，不同防腐蚀层管道的泄漏事故统计结果Tab. 3 Statistical results of leakage accidents of pipelines with different anticorrosion layers from 2014 to 2017

2.4 阴极保护的影响

阴极保护是土壤环境中用于防止金属管道腐蚀的重要技术，目前，北京燃气埋地管网中，高压管道普遍采用阴极保护，部分中压管道采取阴极保护，但大部分低压管道没有采取阴极保护。由表4可见：没有施加阴极保护的管道发生了817起失效事故，占总失效事故的95%；而施加阴极保护的管道仅发生36起失效事故，占比不到5%。这表明，阴极保护对管道防护效果显著。

表4 2014-2017年间， 有无阴保管道的泄漏事故统计结果Tab. 4 Statistical results of leakage accidents of CP pipelines from 2014 to 2017

对于已施加阴极保护的管道来说，管地电位是反映管道阴极保护效果的一个重要参数。由图2可见：当管地电位正于-0.85 V(相对于铜/硫酸铜参比电极，下同)时，管道失效所占比例高达93.85%；其次是管地电位负于-1.2 V情况下的，所占比例约为3.01%；而管地电位为-1.2～0.95 V和-0.95～-0.85 V时，较少发生失效事故，这说明有效的阴极保护对于抑制燃气管道外腐蚀泄漏效果显著。此外，欠保护(电位正于-0.85 V)条件下，管道的腐蚀泄漏风险大幅增加；过保护情况下(电位负于-1.2 V)，若交流干扰很大时，管道外腐蚀泄漏风险也较高。

3 结论

(1) 管道服役时间、防腐层类型、有无阴极保护及保护效果是影响燃气管道腐蚀的关键因素；

(2) 服役25 a和12 a时，管道腐蚀泄漏事故频发；

(3) 沥青类防腐蚀层的防护效果最差，3PE防腐蚀层的防护效果最好；

(4) 低压管道发生腐蚀泄漏次数最多，其次是中压管道的，泄漏事故最少的是高压管道；

(5) 无阴极保护及阴保不足的管道腐蚀泄漏频繁发生，施加有效阴极保护的管道泄漏很少。