第六节 燃气管道的防腐
一、燃气管道腐蚀的原因
腐蚀是金属在周围介质的化学、电化学作用下所引起的一种破坏。金属腐蚀按其性质可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。
化学腐蚀是金属直接和介质接触发生化学作用而引起金属的溶解过程，电化学腐蚀则是金属和电解质组成原电池所发生的电解过程。
输送燃气的钢管按其腐蚀部位的不同，分为内壁腐蚀和外壁腐蚀。
（一）内壁腐蚀
由于燃气中常含有少量的水分，因此，在输送过程中，水在管道内壁生成一层亲水膜，形成了原电池腐蚀的条件，产生电化学腐蚀。还由于输送的燃气中可能含有硫化氢、二氧化碳、氧、硫化物或其他腐蚀性化合物直接和金属起作用，引起化学腐蚀。因此，在钢管内壁一般同时存在化学腐蚀及电化学腐蚀。内壁防腐的根本措施首先应是将燃气净化，使其杂质含量达到规范要求的允许值以下。还可以在管道内用合成树脂或环氧树脂等作内涂层，可防止管道内壁的腐蚀，并能降低管壁的粗糙度，相应地提高了管道的输气能力。
（二）外壁腐蚀
钢管外壁腐蚀同样可以在架空或埋地情况下发生。对于架空钢管的外壁防腐一般用油漆覆盖层防护。而埋地钢管外壁腐蚀的原因比较复杂。其中化学腐蚀是全面性的腐蚀，在化学腐蚀的作用下，管壁厚度的减薄是均匀的，所以从钢管受到穿孔破坏的观点看，化学腐蚀的危害性不大，一般也可采取外壁覆盖层保护。除全面性的化学腐蚀而外，一般还有如下三类：
1.电化学腐蚀
这种腐蚀的原理如图2-30所示。由于土壤各处物理化学性质不同、管道本身各部分的金相组织结构不同，如晶格的缺陷及含有杂质、金属受冷热加工而变形产生内部应力，特别是钢管表面粗糙度不同等原因，使一部分金属容易电离，带正电的金属离子离开金属，而转移到土壤里，在这部分管段上电子越来越过剩，电位越来越负；而另一部分金属不容易电离，相对来说电位较正。因此电子沿管道由容易电离的部分向不易电离的部分流动，在这两部分金属之间的电子有失有得，发生氧化还原反应。失去电子的金属管段成为阳极区，得到电子的这段管段成为阴极区。腐蚀电流沿金属管段从阴极区流向阳极区，然后从阳极区流离管道，经土壤又回到阴极区，形成回路，土壤中发生离子迁移，带正电的阳离子（如H+）趋向阴极，带负电的阴离子（如OH-）趋向阳极。使阳极区的金属离子不断电离而受到腐蚀，使钢管表面出现凹穴，以至穿孔，而阴极则保持完好。
图2-30 燃气管道在土壤中的电化学腐蚀原理
2.杂散电流对钢管的腐蚀
由于外界各种电气设备的漏电与接地，在土壤中形成杂散电流。其中对钢管危害最大的是直流电，泄漏直流电的设备有电气化铁路和有轨电车的钢轨、直流电焊机、整流器外壳接地和阴极保护站的接地阳极等，在电流离开钢管流入土壤处，管壁产生腐蚀。杂散电流对钢管的腐蚀如图2-31所示。
3.细菌作用引起的腐蚀
根据对微生物参与腐蚀过程的研究发现，不同种类细菌的腐蚀行为，其条件各不相同。例如在缺氧土壤中存在厌氧的硫酸盐还原菌，它能将可溶的硫酸盐转化为硫化氢，使土壤中氢离子浓度增加，加速了埋地钢管的腐蚀过程。硫酸盐还原菌的活动与土壤的pH值有关。pH值在4.5～9.0时细菌生长最为适宜，pH值在3.5以下或11.0以上时，细菌的活动完全受到抑制。
图2-31 杂散电流对钢管腐蚀示意图
1—电线 2—钢轨 3—有轨电车 4—埋地钢管 5—阴极区 6—过渡区 7—阳极区
二、土壤的腐蚀性及其测定
土壤颗粒内充满空气、水和各种可溶盐，使土壤具有电解质溶液的特征，可以导电。土壤的腐蚀性与土壤的结构、含水量、透气性、导电性、有无各种盐类和酸类等因素有关。
干燥土壤对金属的腐蚀作用比潮湿土壤小。当土壤含水量11%～13%时，土壤的腐蚀性最大，而超过20%～24%时，土壤的腐蚀能力趋于下降。被水分饱和的土壤的腐蚀性最小。
当含水量经常变化，水分和氧共同对金属起腐蚀作用时，这样的腐蚀最为严重。城市中有污水淤积的土壤，其中的土壤结构各不相同，而且杂质很多，这种土壤的腐蚀性很大。沼泽地区、潮湿的泥炭质土壤以及炉渣覆盖的土壤等，腐蚀性也很大。纯砂土对管道的腐蚀作用甚小。
研究土壤时，考虑上述全部因素是相当复杂的。应找出一个既易测定、而又基本上能反映土壤腐蚀性的物理量。研究结果证明，土壤的电阻率是土壤腐蚀性能的最重要特征，而电阻率又能迅速而较精确地测定。
图2-32是用二极法测定电阻率的示意图。它由两个电极和电流表组成，电源是干电池（3V）供给直流电。极杆和极尖分别由木杆和钢制成，阴极极尖尺寸较大，以减少极化作用。两极用穿在极杆内的导线与电池相连。电流表有两种刻度，25mA和100mA。测定土壤电阻率时，两极插入土壤的深度与管道的基础深度相等。土壤电阻率由测得的电流按下式计算：
式中 ρ——土壤电阻率，Ω·m；
V——干电池组的电压，V；
I——电流，A；
K——测量仪器的常数，每台仪器的常数均需事先在实验室测定。
用二极法测定电阻率是在需要测定土壤腐蚀性处的探井内进行的，而四极法则能在地面上进行测定，并可测定电极间范围较大的，从地表面到规定深度的土壤腐蚀率。但当土壤的非均质程度较高时，四极法的误差较大。
四极法是用对称的A、M、N、B四个电极装置来测量电阻率，见图2-33。四个电极在地面上按一直线安装，其中两个供电极A、B与电源及电流表相连，构成供电回路。两个测量极M、N与电位计相连。由电源供给的电流经A、B两极，流入土壤，在测量极M、N之间建立电位差，该电位差值与经A、B两极的电流量及M、N两极间的土壤电阻值成正比。故当四个电极的间距一定时，可根据测量仪表上指示的电位差ΔV和电流值I，计算土壤电阻率ρ，其关系式为
式中 ρ——土壤电阻率，Ω·m；
K——仪器系数，其数值取决于四个电极的相对位置。
选择四个电极的间距时，一般应使M、N两极的距离等于需要测定的深度，A、B的距离约为M、N的3～5倍。
还有管盒法，如图2-34所示。将一段标准钢管试件放在土样中，使一定电压的电流通过，以形成腐蚀电解电池。经过一定时间后，测量其重量损失，以此表示土壤的腐蚀性。
图2-32 二极法测定电阻率示意图
1—干电池 2—电流表 3—极杆上金属罩 4—阴极极尖 5—阳极极尖 6—导线 7—极杆
图2-33 四极法测定土壤电阻率示意图
1—干电池 2—电流表 3—电位计
图2-34 管盒法测定土壤腐蚀性的装置
1—钢管试件 2—金属盒 3—土样 4—电压表 5—干电池 6—橡皮塞
试验时先将土样按规定要求压碎、烘干，然后重新磨碎、过筛。再用蒸馏水润湿土样至饱和。用直径19mm、长100mm、重约165g的钢管作试件。试件擦洗干净后，称重至0.01g的精度。试件上端连导线，下端用橡皮塞支承。试件放在直径为80mm、高120mm的金属盒内，其中充满土样，盒底与导线相连。导线接电压为6V的干电池，电池的正极与试件相连，负极与金属盒相连，形成电解电池。
在试验期间回路内的电流值可能改变，但电池电压应保持稳定。24h后从盒内取出试件，用金属刷清除腐蚀产物后，用酒精冲洗，干燥后称重。根据试验前后试件称重的数据，计算重量损失。
一些国家用土壤电阻率及失重判断指标确定土壤腐蚀等级的标准，见表2-10。
表2-10 土壤腐蚀等级划分参考表
结合我国土壤实际情况，对一般地区土壤腐蚀性分级可按表2-11确定。
表2-11 一般地区土壤腐蚀性分级标准
对于腐蚀因素较复杂地区，可参考表2-12确定腐蚀性指数。然后根据十二项指数的代数和按表2-13进行分级。
表2-12 腐蚀因素较复杂地区的土壤腐蚀性评价指数
（续）
①分析方法编号，见Steinrath，H：Untersuchungsmethoden zur Beurteilung der Aggressivitat von boden（有关土壤腐蚀性评价的分析方法）；
②mval/kg，毫克当量/kg。
表2-13 土壤腐蚀性分级
注：取自Baeckmann编著的《阴极保护手册》。
三、理地钢管的腐蚀防护法
针对土壤腐蚀的特点，可以从下述三个途径来防止腐蚀的发生和降低腐蚀的程度：第一，可采用耐腐蚀的管材，如铸铁管（球墨铸铁管）、聚乙烯（PE）管或其他非金属管道；第二，增加金属管道和土壤之间的过渡电阻，减小腐蚀电流，就是采用钢管外包覆防腐绝缘层使电阻增大；第三，采用电保护法，一般要与绝缘层防腐法相结合，以减小电流的消耗。
（一）绝缘层防腐法
管道的绝缘层一般应满足下列基本要求：
（1）应有良好的电绝缘性能、耐击穿电压强度不得低于电火花检测仪检测的电压标准；
（2）应有足够的机械强度、韧性及塑性；
（3）绝缘层与钢管应有良好的粘结性，保持连续完整；
（4）应有良好的防水性和化学稳定性；
（5）材料来源充足，价格低廉，便于机械化施工；
（6）涂层应易于修补。
地下燃气管道防腐设计，必须考虑土壤电阻率。对高、中压输气干管宜沿燃气管道途经地段选点测定其土壤电阻率。应根据土壤的腐蚀性、管道的重要程度及所经地段的地质、环境条件确定其防腐等级。
地下燃气管道的外防腐涂层的种类，根据工程的具体情况，可选用石油沥青、环氧煤沥青、聚乙烯防腐胶带、聚乙烯防腐层、氯磺化聚乙烯、环氧粉末喷涂等。
1.石油沥青防腐层
石油沥青防腐层适用于输送介质温度不超过80℃的埋地钢质管道外涂层的防腐，但不宜敷设在水下、沼泽及芦苇地带。
石油沥青防腐层由沥青、玻璃布和外包聚氯乙烯工业膜组成，其防腐层结构和等级见表2-14。
石油沥青防腐层的设计、生产以及施工和验收应符合SY/T 0420-1997《埋地钢质管道石油沥青防腐层技术标准》的规定，尚应符合国家现行有关强制性标准的规定。
表2-14 石油沥青防腐层等级及结构
2.环氧煤沥青防腐层
环氧煤沥青防腐层适用于输送介质温度不超过110℃的埋地钢质管道外涂层的防腐，为适应不同腐蚀环境对防腐层的要求，环氧煤沥青防腐层分为普通级、加强级、特加强级3个等级，其结构由一层底漆和多层面漆组成，面漆层间可加玻璃布增强。防腐层的等级与结构见表2-15。
环氧煤沥青防腐层的设计、生产以及施工和验收应符合SY/T 0447-1996《埋地钢质管道环氧煤沥青防腐层技术标准》。
3.聚乙烯胶粘带防腐层
聚乙烯胶粘带防腐层适用于输送介质温度30～70℃的埋地钢质管道外的防腐。聚乙烯胶粘带按用途可分为防腐胶粘带（内带）、保护胶粘带（外带）和补口带三种。防腐时，应根据管径、防腐要求、施工方法，选用适宜的规格和厚度的内带、外带和补口带。
表2-15 环氧煤沥青防腐层等级及结构
注：“面漆、玻璃布、面漆”应连续涂敷、也可用一层浸满面漆的玻璃布代替。
聚乙烯胶粘带防腐层的等级及结构应符合表2-16的要求，其设计、生产以及施工和验收应符合SY/T 0414-2007《埋地钢质管道聚乙烯胶带防腐层技术标准》的规定，尚应符合国家现行有关强制性标准的规定。
表2-16 聚乙烯胶粘带防腐层的等级及结构
注：1.对于普通级防腐层，当胶粘带宽度小于或等于75mm时，搭接宽度可大于或等于10mm；当胶粘带宽度大于75mm，小于230mm时，搭接宽度可大于或等于15mm；当胶粘带宽度大于或等于230mm时，搭接宽度可大于或等于20mm。
2.胶粘带宽度的允许偏差为胶粘带宽度的±5%。
4.聚乙烯防腐层
挤压聚乙烯防腐层可分为长期工作温度不超过50℃的常温型（N）和长期工作温度不超过70℃的高温型（H）两种。
挤压聚乙烯防腐层分二层结构和三层结构两种。二层结构的底层为胶粘剂，外层为聚乙烯；三层结构的底层为环氧粉末涂料，中间层为胶粘剂，外层为聚乙烯。防腐层的厚度应符合表2-17的规定。
埋地钢质管道挤压聚乙烯防腐层的设计、生产以及施工验收应符合《埋地钢质管道聚乙烯防腐层技术标准》SY/T 0413的规定，尚应符合国家现行有关强制性标准的规定。
表2-17 防腐层的厚度
注：要求防腐层机械强度高的地区，规定使用加强级；一般情况采用普通级。
（二）电保护法
1.外加电源阴极保护
利用外加的直流电源，通常是阴极保护站产生的直流电源，使金属管道对土壤造成负电位保护方法，称为外加电源阴极保护。其原理如图2-35所示。阴极保护站直流电源的正极与接地阳极（常用的阳极材料有废旧钢材，永久性阳极材料有石墨和高硅铁）连接，负极与被保护的管道在通电点连接。外加电流从电源正极通过导线流向接地阳极，它和通电点的连线与管道垂直，连线两端点的水平距离约为300～500m。直流电由接地阳极经土壤流入被保护的管道，再从管道经导线流回负极，这样使整个管道成为阴极，接地阳极成为腐蚀电池，接地阳极的正离子流入土壤，不断受到腐蚀，管道则受到保护。
埋地金属管道达到阴极保护的最低电位值V2，由土壤腐蚀性质等因素决定，一般需要通过较长期的实践或在实验室测定来决定其数值。当阴极保护通电点处金属管道的电位过大时，可使涂在管道上的沥青绝缘层剥落而引起严重后果，故通电点的最高电位V1也必须控制在一安全数值之内。
一个阴极保护站的保护半径R=15～20km，两个保护站之间的保护距离S=40～60km（见图2-36）。
图2-35 阴极保护原理
1—电源开关 2—熔丝 3—变压器 4—整流器 5—电流表 6—开关 7—熔丝 8—管道 9—接地阳极 10—电源
图2-36 外加电源阴极保护站的保护范围
1—管道 2—阴极保护站 3—接地阳极
当被保护的管道与其他地下金属管道或构筑物邻近时，必须考虑阴极保护站的杂散电流对它们的影响。当这种影响超过现行标准时，就应考虑燃气管道与相邻地下金属管道或构筑物共同的电保护措施。
图2-37 牺牲阳极保护原理
1—牺牲阳极 2—导线 3—管道 4—检测桩 5—填包料
2.牺牲阳极保护法
采用比被保护金属电极电位较负的金属材料和被保护金属相连，以防止被保护金属遭受腐蚀，这种方法称为牺牲阳极保护法。电极电位较负的金属与电极电位较正的被保护金属，在电解质溶液（土壤）中形成原电池，作为保护电源。电位较负的金属成为阳极，在输出电流过程中遭受破坏，故称为牺牲阳极，其工作原理如图2-37所示。
所谓标准电极电位，即浸在标准盐溶液（活度为1）中的金属的电位，与假定等于零的标准氢电极的电位之间的电位差，是一个相对值。一些金属可按其标准电极电位增长的顺序排列成电化学次序，见表2-18。
表2-18 金属电化学顺序表
牺牲阳极又名为保护器，通常用电极电位比铁更负的金属，如镁、铝、锌及其合金作为阳极。
使用牺牲阳极保护时，被保护的金属管道应有良好的防腐绝缘层，此管道与其他不需要保护的金属管道或构筑物之间没有通电性，即绝缘良好。
每种牺牲阳极都相应地有一种或几种最适宜的填包料。例如锌合金阳极，用硫酸钠、石膏粉和膨润土作填包料。填包料的电阻率很小，使保护器流出的电流较大，填包料使保护器受到均匀的腐蚀。阳极应埋设在土壤冰冻线以下。在土壤不致冻结的情况下，阳极和管道的距离在0.3～0.7m范围内，对保护电位影响不大。
3.排流保护法
防止地下杂散电流腐蚀的方法，除增加回路电阻（即加强防腐绝缘层）、阴极保护和牺牲阳极保护外，还可用排流保护法。
用排流导线将管道的排流点与电气化铁路的钢轨、回馈线或牵引变电站的阴极母线相连接，使管道上的杂散电流不经土壤而经过导线单向地流回电源的负极，从而保证管道不受腐蚀，这种方法称为排流保护法。排流保护法有直接排流和极化排流两种。
图2-38 极化排流保护原理
1—管道 2—电阻 3—整流器 4—开关 5—电流表 6—保险丝 7—钢轨
直接排流就是把管道连接到产生杂散电流的直流电源的负极上。当回流点的电位相当稳定，负极与管道之间的导电率不大，而“管道—负极”的电位差大于“管道—大地”的电位差，并且总是正电位时，直接排流设备才是有效的。
当回流点的电位不稳定，其数值和方向经常变化时，采用直接排流设备可能由于周期性交变破坏作用而使管道受到损害。在这种情况下就需要采用极化排流设备来防止腐蚀。
极化排流保护与直接排流保护的区别在于设有整流器，其保护原理如图2-38所示。