第六節 燃氣管道的防腐

一、燃氣管道腐蝕的原因

腐蝕是金屬在周圍介質的化學、電化學作用下所引起的一種破壞。金屬腐蝕按其性質可分為化學腐蝕和電化學腐蝕。

化學腐蝕是金屬直接和介質接觸發生化學作用而引起金屬的溶解過程，電化學腐蝕則是金屬和電解質組成原電池所發生的電解過程。

輸送燃氣的鋼管按其腐蝕部位的不同，分為內壁腐蝕和外壁腐蝕。

（一）內壁腐蝕

由于燃氣中常含有少量的水分，因此，在輸送過程中，水在管道內壁生成一層親水膜，形成了原電池腐蝕的條件，產生電化學腐蝕。還由于輸送的燃氣中可能含有硫化氫、二氧化碳、氧、硫化物或其他腐蝕性化合物直接和金屬起作用，引起化學腐蝕。因此，在鋼管內壁一般同時存在化學腐蝕及電化學腐蝕。內壁防腐的根本措施首先應是將燃氣凈化，使其雜質含量達到規范要求的允許值以下。還可以在管道內用合成樹脂或環氧樹脂等作內涂層，可防止管道內壁的腐蝕，并能降低管壁的粗糙度，相應地提高了管道的輸氣能力。

（二）外壁腐蝕

鋼管外壁腐蝕同樣可以在架空或埋地情況下發生。對于架空鋼管的外壁防腐一般用油漆覆蓋層防護。而埋地鋼管外壁腐蝕的原因比較復雜。其中化學腐蝕是全面性的腐蝕，在化學腐蝕的作用下，管壁厚度的減薄是均勻的，所以從鋼管受到穿孔破壞的觀點看，化學腐蝕的危害性不大，一般也可采取外壁覆蓋層保護。除全面性的化學腐蝕而外，一般還有如下三類：

1.電化學腐蝕

這種腐蝕的原理如圖2-30所示。由于土壤各處物理化學性質不同、管道本身各部分的金相組織結構不同，如晶格的缺陷及含有雜質、金屬受冷熱加工而變形產生內部應力，特別是鋼管表面粗糙度不同等原因，使一部分金屬容易電離，帶正電的金屬離子離開金屬，而轉移到土壤里，在這部分管段上電子越來越過剩，電位越來越負；而另一部分金屬不容易電離，相對來說電位較正。因此電子沿管道由容易電離的部分向不易電離的部分流動，在這兩部分金屬之間的電子有失有得，發生氧化還原反應。失去電子的金屬管段成為陽極區，得到電子的這段管段成為陰極區。腐蝕電流沿金屬管段從陰極區流向陽極區，然后從陽極區流離管道，經土壤又回到陰極區，形成回路，土壤中發生離子遷移，帶正電的陽離子（如H+）趨向陰極，帶負電的陰離子（如OH-）趨向陽極。使陽極區的金屬離子不斷電離而受到腐蝕，使鋼管表面出現凹穴，以至穿孔，而陰極則保持完好。

圖2-30 燃氣管道在土壤中的電化學腐蝕原理

2.雜散電流對鋼管的腐蝕

由于外界各種電氣設備的漏電與接地，在土壤中形成雜散電流。其中對鋼管危害最大的是直流電，泄漏直流電的設備有電氣化鐵路和有軌電車的鋼軌、直流電焊機、整流器外殼接地和陰極保護站的接地陽極等，在電流離開鋼管流入土壤處，管壁產生腐蝕。雜散電流對鋼管的腐蝕如圖2-31所示。

3.細菌作用引起的腐蝕

根據對微生物參與腐蝕過程的研究發現，不同種類細菌的腐蝕行為，其條件各不相同。例如在缺氧土壤中存在厭氧的硫酸鹽還原菌，它能將可溶的硫酸鹽轉化為硫化氫，使土壤中氫離子濃度增加，加速了埋地鋼管的腐蝕過程。硫酸鹽還原菌的活動與土壤的pH值有關。pH值在4.5～9.0時細菌生長最為適宜，pH值在3.5以下或11.0以上時，細菌的活動完全受到抑制。

圖2-31 雜散電流對鋼管腐蝕示意圖

1—電線 2—鋼軌 3—有軌電車 4—埋地鋼管 5—陰極區 6—過渡區 7—陽極區

二、土壤的腐蝕性及其測定

土壤顆粒內充滿空氣、水和各種可溶鹽，使土壤具有電解質溶液的特征，可以導電。土壤的腐蝕性與土壤的結構、含水量、透氣性、導電性、有無各種鹽類和酸類等因素有關。

干燥土壤對金屬的腐蝕作用比潮濕土壤小。當土壤含水量11%～13%時，土壤的腐蝕性最大，而超過20%～24%時，土壤的腐蝕能力趨于下降。被水分飽和的土壤的腐蝕性最小。

當含水量經常變化，水分和氧共同對金屬起腐蝕作用時，這樣的腐蝕最為嚴重。城市中有污水淤積的土壤，其中的土壤結構各不相同，而且雜質很多，這種土壤的腐蝕性很大。沼澤地區、潮濕的泥炭質土壤以及爐渣覆蓋的土壤等，腐蝕性也很大。純砂土對管道的腐蝕作用甚小。

研究土壤時，考慮上述全部因素是相當復雜的。應找出一個既易測定、而又基本上能反映土壤腐蝕性的物理量。研究結果證明，土壤的電阻率是土壤腐蝕性能的最重要特征，而電阻率又能迅速而較精確地測定。

圖2-32是用二極法測定電阻率的示意圖。它由兩個電極和電流表組成，電源是干電池（3V）供給直流電。極桿和極尖分別由木桿和鋼制成，陰極極尖尺寸較大，以減少極化作用。兩極用穿在極桿內的導線與電池相連。電流表有兩種刻度，25mA和100mA。測定土壤電阻率時，兩極插入土壤的深度與管道的基礎深度相等。土壤電阻率由測得的電流按下式計算：

式中 ρ——土壤電阻率，Ω·m；

V——干電池組的電壓，V；

I——電流，A；

K——測量儀器的常數，每臺儀器的常數均需事先在實驗室測定。

用二極法測定電阻率是在需要測定土壤腐蝕性處的探井內進行的，而四極法則能在地面上進行測定，并可測定電極間范圍較大的，從地表面到規定深度的土壤腐蝕率。但當土壤的非均質程度較高時，四極法的誤差較大。

四極法是用對稱的A、M、N、B四個電極裝置來測量電阻率，見圖2-33。四個電極在地面上按一直線安裝，其中兩個供電極A、B與電源及電流表相連，構成供電回路。兩個測量極M、N與電位計相連。由電源供給的電流經A、B兩極，流入土壤，在測量極M、N之間建立電位差，該電位差值與經A、B兩極的電流量及M、N兩極間的土壤電阻值成正比。故當四個電極的間距一定時，可根據測量儀表上指示的電位差ΔV和電流值I，計算土壤電阻率ρ，其關系式為

式中 ρ——土壤電阻率，Ω·m；

K——儀器系數，其數值取決于四個電極的相對位置。

選擇四個電極的間距時，一般應使M、N兩極的距離等于需要測定的深度，A、B的距離約為M、N的3～5倍。

還有管盒法，如圖2-34所示。將一段標準鋼管試件放在土樣中，使一定電壓的電流通過，以形成腐蝕電解電池。經過一定時間后，測量其重量損失，以此表示土壤的腐蝕性。

圖2-32 二極法測定電阻率示意圖

1—干電池 2—電流表 3—極桿上金屬罩 4—陰極極尖 5—陽極極尖 6—導線 7—極桿

圖2-33 四極法測定土壤電阻率示意圖

1—干電池 2—電流表 3—電位計

圖2-34 管盒法測定土壤腐蝕性的裝置

1—鋼管試件 2—金屬盒 3—土樣 4—電壓表 5—干電池 6—橡皮塞

試驗時先將土樣按規定要求壓碎、烘干，然后重新磨碎、過篩。再用蒸餾水潤濕土樣至飽和。用直徑19mm、長100mm、重約165g的鋼管作試件。試件擦洗干凈后，稱重至0.01g的精度。試件上端連導線，下端用橡皮塞支承。試件放在直徑為80mm、高120mm的金屬盒內，其中充滿土樣，盒底與導線相連。導線接電壓為6V的干電池，電池的正極與試件相連，負極與金屬盒相連，形成電解電池。

在試驗期間回路內的電流值可能改變，但電池電壓應保持穩定。24h后從盒內取出試件，用金屬刷清除腐蝕產物后，用酒精沖洗，干燥后稱重。根據試驗前后試件稱重的數據，計算重量損失。

一些國家用土壤電阻率及失重判斷指標確定土壤腐蝕等級的標準，見表2-10。

表2-10 土壤腐蝕等級劃分參考表

結合我國土壤實際情況，對一般地區土壤腐蝕性分級可按表2-11確定。

表2-11 一般地區土壤腐蝕性分級標準

對于腐蝕因素較復雜地區，可參考表2-12確定腐蝕性指數。然后根據十二項指數的代數和按表2-13進行分級。

表2-12 腐蝕因素較復雜地區的土壤腐蝕性評價指數

（續）

①分析方法編號，見Steinrath，H：Untersuchungsmethoden zur Beurteilung der Aggressivitat von boden（有關土壤腐蝕性評價的分析方法）；

②mval/kg，毫克當量/kg。

表2-13 土壤腐蝕性分級

注：取自Baeckmann編著的《陰極保護手冊》。

三、理地鋼管的腐蝕防護法

針對土壤腐蝕的特點，可以從下述三個途徑來防止腐蝕的發生和降低腐蝕的程度：第一，可采用耐腐蝕的管材，如鑄鐵管（球墨鑄鐵管）、聚乙烯（PE）管或其他非金屬管道；第二，增加金屬管道和土壤之間的過渡電阻，減小腐蝕電流，就是采用鋼管外包覆防腐絕緣層使電阻增大；第三，采用電保護法，一般要與絕緣層防腐法相結合，以減小電流的消耗。

（一）絕緣層防腐法

管道的絕緣層一般應滿足下列基本要求：

（1）應有良好的電絕緣性能、耐擊穿電壓強度不得低于電火花檢測儀檢測的電壓標準；

（2）應有足夠的機械強度、韌性及塑性；

（3）絕緣層與鋼管應有良好的粘結性，保持連續完整；

（4）應有良好的防水性和化學穩定性；

（5）材料來源充足，價格低廉，便于機械化施工；

（6）涂層應易于修補。

地下燃氣管道防腐設計，必須考慮土壤電阻率。對高、中壓輸氣干管宜沿燃氣管道途經地段選點測定其土壤電阻率。應根據土壤的腐蝕性、管道的重要程度及所經地段的地質、環境條件確定其防腐等級。

地下燃氣管道的外防腐涂層的種類，根據工程的具體情況，可選用石油瀝青、環氧煤瀝青、聚乙烯防腐膠帶、聚乙烯防腐層、氯磺化聚乙烯、環氧粉末噴涂等。

1.石油瀝青防腐層

石油瀝青防腐層適用于輸送介質溫度不超過80℃的埋地鋼質管道外涂層的防腐，但不宜敷設在水下、沼澤及蘆葦地帶。

石油瀝青防腐層由瀝青、玻璃布和外包聚氯乙烯工業膜組成，其防腐層結構和等級見表2-14。

石油瀝青防腐層的設計、生產以及施工和驗收應符合SY/T 0420-1997《埋地鋼質管道石油瀝青防腐層技術標準》的規定，尚應符合國家現行有關強制性標準的規定。

表2-14 石油瀝青防腐層等級及結構

2.環氧煤瀝青防腐層

環氧煤瀝青防腐層適用于輸送介質溫度不超過110℃的埋地鋼質管道外涂層的防腐，為適應不同腐蝕環境對防腐層的要求，環氧煤瀝青防腐層分為普通級、加強級、特加強級3個等級，其結構由一層底漆和多層面漆組成，面漆層間可加玻璃布增強。防腐層的等級與結構見表2-15。

環氧煤瀝青防腐層的設計、生產以及施工和驗收應符合SY/T 0447-1996《埋地鋼質管道環氧煤瀝青防腐層技術標準》。

3.聚乙烯膠粘帶防腐層

聚乙烯膠粘帶防腐層適用于輸送介質溫度30～70℃的埋地鋼質管道外的防腐。聚乙烯膠粘帶按用途可分為防腐膠粘帶（內帶）、保護膠粘帶（外帶）和補口帶三種。防腐時，應根據管徑、防腐要求、施工方法，選用適宜的規格和厚度的內帶、外帶和補口帶。

表2-15 環氧煤瀝青防腐層等級及結構

注：“面漆、玻璃布、面漆”應連續涂敷、也可用一層浸滿面漆的玻璃布代替。

聚乙烯膠粘帶防腐層的等級及結構應符合表2-16的要求，其設計、生產以及施工和驗收應符合SY/T 0414-2007《埋地鋼質管道聚乙烯膠帶防腐層技術標準》的規定，尚應符合國家現行有關強制性標準的規定。

表2-16 聚乙烯膠粘帶防腐層的等級及結構

注：1.對于普通級防腐層，當膠粘帶寬度小于或等于75mm時，搭接寬度可大于或等于10mm；當膠粘帶寬度大于75mm，小于230mm時，搭接寬度可大于或等于15mm；當膠粘帶寬度大于或等于230mm時，搭接寬度可大于或等于20mm。

2.膠粘帶寬度的允許偏差為膠粘帶寬度的±5%。

4.聚乙烯防腐層

擠壓聚乙烯防腐層可分為長期工作溫度不超過50℃的常溫型（N）和長期工作溫度不超過70℃的高溫型（H）兩種。

擠壓聚乙烯防腐層分二層結構和三層結構兩種。二層結構的底層為膠粘劑，外層為聚乙烯；三層結構的底層為環氧粉末涂料，中間層為膠粘劑，外層為聚乙烯。防腐層的厚度應符合表2-17的規定。

埋地鋼質管道擠壓聚乙烯防腐層的設計、生產以及施工驗收應符合《埋地鋼質管道聚乙烯防腐層技術標準》SY/T 0413的規定，尚應符合國家現行有關強制性標準的規定。

表2-17 防腐層的厚度

注：要求防腐層機械強度高的地區，規定使用加強級；一般情況采用普通級。

（二）電保護法

1.外加電源陰極保護

利用外加的直流電源，通常是陰極保護站產生的直流電源，使金屬管道對土壤造成負電位保護方法，稱為外加電源陰極保護。其原理如圖2-35所示。陰極保護站直流電源的正極與接地陽極（常用的陽極材料有廢舊鋼材，永久性陽極材料有石墨和高硅鐵）連接，負極與被保護的管道在通電點連接。外加電流從電源正極通過導線流向接地陽極，它和通電點的連線與管道垂直，連線兩端點的水平距離約為300～500m。直流電由接地陽極經土壤流入被保護的管道，再從管道經導線流回負極，這樣使整個管道成為陰極，接地陽極成為腐蝕電池，接地陽極的正離子流入土壤，不斷受到腐蝕，管道則受到保護。

埋地金屬管道達到陰極保護的最低電位值V₂，由土壤腐蝕性質等因素決定，一般需要通過較長期的實踐或在實驗室測定來決定其數值。當陰極保護通電點處金屬管道的電位過大時，可使涂在管道上的瀝青絕緣層剝落而引起嚴重后果，故通電點的最高電位V₁也必須控制在一安全數值之內。

一個陰極保護站的保護半徑R=15～20km，兩個保護站之間的保護距離S=40～60km（見圖2-36）。

圖2-35 陰極保護原理

1—電源開關 2—熔絲 3—變壓器 4—整流器 5—電流表 6—開關 7—熔絲 8—管道 9—接地陽極 10—電源

圖2-36 外加電源陰極保護站的保護范圍

1—管道 2—陰極保護站 3—接地陽極

當被保護的管道與其他地下金屬管道或構筑物鄰近時，必須考慮陰極保護站的雜散電流對它們的影響。當這種影響超過現行標準時，就應考慮燃氣管道與相鄰地下金屬管道或構筑物共同的電保護措施。

圖2-37 犧牲陽極保護原理

1—犧牲陽極 2—導線 3—管道 4—檢測樁 5—填包料

2.犧牲陽極保護法

采用比被保護金屬電極電位較負的金屬材料和被保護金屬相連，以防止被保護金屬遭受腐蝕，這種方法稱為犧牲陽極保護法。電極電位較負的金屬與電極電位較正的被保護金屬，在電解質溶液（土壤）中形成原電池，作為保護電源。電位較負的金屬成為陽極，在輸出電流過程中遭受破壞，故稱為犧牲陽極，其工作原理如圖2-37所示。

所謂標準電極電位，即浸在標準鹽溶液（活度為1）中的金屬的電位，與假定等于零的標準氫電極的電位之間的電位差，是一個相對值。一些金屬可按其標準電極電位增長的順序排列成電化學次序，見表2-18。

表2-18 金屬電化學順序表

犧牲陽極又名為保護器，通常用電極電位比鐵更負的金屬，如鎂、鋁、鋅及其合金作為陽極。

使用犧牲陽極保護時，被保護的金屬管道應有良好的防腐絕緣層，此管道與其他不需要保護的金屬管道或構筑物之間沒有通電性，即絕緣良好。

每種犧牲陽極都相應地有一種或幾種最適宜的填包料。例如鋅合金陽極，用硫酸鈉、石膏粉和膨潤土作填包料。填包料的電阻率很小，使保護器流出的電流較大，填包料使保護器受到均勻的腐蝕。陽極應埋設在土壤冰凍線以下。在土壤不致凍結的情況下，陽極和管道的距離在0.3～0.7m范圍內，對保護電位影響不大。

3.排流保護法

防止地下雜散電流腐蝕的方法，除增加回路電阻（即加強防腐絕緣層）、陰極保護和犧牲陽極保護外，還可用排流保護法。

用排流導線將管道的排流點與電氣化鐵路的鋼軌、回饋線或牽引變電站的陰極母線相連接，使管道上的雜散電流不經土壤而經過導線單向地流回電源的負極，從而保證管道不受腐蝕，這種方法稱為排流保護法。排流保護法有直接排流和極化排流兩種。

圖2-38 極化排流保護原理

1—管道 2—電阻 3—整流器 4—開關 5—電流表 6—保險絲 7—鋼軌

直接排流就是把管道連接到產生雜散電流的直流電源的負極上。當回流點的電位相當穩定，負極與管道之間的導電率不大，而“管道—負極”的電位差大于“管道—大地”的電位差，并且總是正電位時，直接排流設備才是有效的。

當回流點的電位不穩定，其數值和方向經常變化時，采用直接排流設備可能由于周期性交變破壞作用而使管道受到損害。在這種情況下就需要采用極化排流設備來防止腐蝕。

極化排流保護與直接排流保護的區別在于設有整流器，其保護原理如圖2-38所示。