【摘 要】作为城市必不可少的基础设施之一，近年来全国大多数城市燃气管网有了很大的发展，对环境保护和人民生活水平的提高做出了很大的贡献。然而城市燃气管网在快速发展的同时，也带来了许多安全隐患。本文就燃气管道失效原因及预防措施进行了分析，结合了具体的工程实例，对失效原因作了详细的分析，并提出了相应的预防解决措施，以期能为燃气管道失效的解决提供参考借鉴。
【关键词】燃气管道；失效原因；预防措施
0 引言
城市燃气迅速发展是城市现代化的重要标志，城市燃气的发展，改善了城市环境，方便了人民生活，促进了城市基础设施建设和社会经济的发展。但是因为燃气管道所处环境的复杂性，一旦发生失效，特别容易引发火灾爆炸等一系列伤亡事故，造成的经济损失和社会影响是不可估量的，因此，有关燃气管道失效的问题需要得到足够的重视。本文就燃气管道失效原因及预防措施进行了分析，并结合了具体的工程实例，以期能为燃气管道失效的解决提供参考借鉴。
1 燃气管道失效原因分析
1.1 管道背景介绍
样品为某埋地燃气管道，材料是按照GB/T3091—2008执行的Q235的镀锌管，图1为管道内外腐蚀宏观照片。由图可以看出管道在经过长时间的使用，管道内外表面均发生腐蚀，管道外表面腐蚀减薄尤其严重，主要腐蚀类型有点蚀、局部腐蚀和均匀腐蚀。为研究这些管道失效原因，对管道腐蚀产物与金属材料的性能进行研究分析。
1.2 金相分析
图2为腐蚀管道的金相显微组织，由图可知燃气管道金相组织为铁素体与珠光体组织，并且铁素体与珠光体的结构和形状并未发生明显变化，表明在经过多年使用后该管道金相组织并未受到较大影响。
1.3 力学性能分析
在部分燃气管道上截取试样进行拉伸实验。由于受燃气管尺寸和形状限制，力学性能取样一般选取靠近腐蚀坑但又相对较厚管段，具有较好的代表性；取样方向为管道轴向方向，以反映腐蚀区域材料强度。
1.4 腐蚀产物分析
对腐蚀产物进行EDS成分分析，进一步研究管道腐蚀环境状况。
表1为管道腐蚀产物EDS能谱成分分析结果，表明管道内表面腐蚀产物主要是Na2S和ZnS（均为白色粉末状），表明该管道输送燃气中含有H2S或Na2S。该管外表面腐蚀产物EDS成分分析结果表明，管道外表面腐蚀产物主要由氯化物（如NaCl）、硫化物（如ZnS）和氧化物（如ZnO）组成。管道外表面腐蚀产物中硫化物可能为管内含硫介质泄漏所致，也有可能为土壤污染所致。
对镀锌层的腐蚀原因进行分析，主要是由于Zn的标准电极电位比基体Fe的标准电极电位负，所以电镀层和基体Fe产生原电池时，电镀Zn起到牺牲阳极作用，防止基体金属发生腐蚀。在pH值为中性的环境中，镀层表面会生成一层耐腐蚀性的钝化膜，但在潮湿的环境中，由于水分凝结于镀锌层表面，当电镀锌层产生缺陷时，锌层与基体金属便形成了原电池，此时镀锌层为阳极，基层Fe为阴极，在液膜中氧气充分时其典型的电化学反应为：
阳极反应：Zn-2e→Zn2+
阴极反应：Zn+12O2+H20→Zn（OH）2
当液膜中O2不足时，发生如下反应：
阳极反应：Zn-2e→Zn2+
阴极反应：2H++2e-→H2
反应后的Zn2+再与水反应：Zn2++2H2O→Zn（OH）2+2H+
通过以上反应生成的Zn（OH）2缓慢地发生脱水反应，生成ZnO。ZnO和介质中的CO2发生反应，生成碱式碳酸锌，即为白色腐蚀产物。
电镀Zn层在理想的环境中腐蚀速度很慢，但在Cl-和SO2环境中腐蚀速度会加速，主要是因为生成的ZnCl和ZnSO4易溶于水，促进了腐蚀的产生。
从上面的镀锌层腐蚀机理可以看出，欲阻止镀锌层的破坏，主要有2条途径：首先要提高镀锌层质量，避免因缺陷产生原电池；其次要注意介质及土壤中S2-和Cl-的含量，减缓腐蚀的加速。
1.5 镀锌层厚度测量
通过对该管道内外表面镀锌层厚度测量，发现管道内外部平均镀锌层厚度均为44μm。根据GB/T3091—2008《低压流体输送焊接钢管》的要求，燃气输送用镀锌管系采用热镀锌钢管，镀锌层厚度不得低于70μm。可见管道内外表面镀锌层厚度低于标准值，由此可见壁厚减薄的原因是介质及土壤中的Cl-和S2-加速了镀锌层的溶解。
2 预防措施
由以上分析可知：经过多年的使用，管道材料的金相组织和力学性能基本完好，失效主要是由腐蚀引起。由宏观照片可以看出，该管道主要的腐蚀类型有均匀腐蚀、局部腐蚀和点蚀。有研究结果均表明：当缺陷深度与管道厚度达到80%时，仍有部分强度余量；而且前2种腐蚀的失效模式为破裂失效，所以在3种主要的腐蚀类型里面潜在危害性最大的当属点蚀。一方面点蚀的电流集中，腐蚀速率要远远大于均匀腐蚀和局部腐蚀，容易导致穿孔泄漏；另一方面泄漏的管内腐蚀性介质将会破坏管道外层的保护膜及穿孔区的未被保护的管道基材快速腐蚀，导致或加速管道的失效及事故的发生。
针对以上原因，建议从以下方面采取措施：
1）在设计的时候要充分考虑介质和土壤对管道及防护层的影响，采取必要的预防措施，并且选择合适的防腐层。例如本案例中所分析的管道，如果设计的时候充分考虑到介质中硫化物以及氯离子对管道腐蚀的影响，一方面可以通过控制Cl-、S2-的含量来减缓镀锌层的腐蚀；另一方面可以通过采用有机防蚀涂料钢管替代镀锌管，例如沥青涂料钢管、合成树脂涂料钢管、富锌末涂料钢管，将管道与土壤隔绝开来，阻止管道的电化学腐蚀的发生，这种涂层能够在含H2S、盐层、高温高压等十分恶劣的情况下工作，目前在燃气管道中已得到了广泛的应用。
2）在制造安装时要严把质量关，排除管道及防腐层表面缺陷，从源头上控制腐蚀的形成。点蚀一般发生在表面有钝化膜或者涂有防腐层的管道，如不锈钢、钛铝合金等，因为表面覆盖保护性的钝化膜，所以腐蚀很少；但由于表面局部可能存在缺陷（划痕、非金属夹杂物等），土壤中又存在破坏钝化膜的活性离子（Cl-、Br-），钝化膜容易在局部破坏，很小的破口暴露的金属成为电池阳极，周围广大面积的膜成为阴极，阳极电流高度集中，使腐蚀迅速向内发展，形成点蚀孔。
3）采用阴极保护等保护系统，在使用中防止腐蚀的形成。埋地钢制管道防蚀技术主要是防腐层结合阴极保护联合措施，这是被国内外证实有效的。国外如美国制订了相关的法规，强制推行阴极保护技术，并对旧管道限期追加阴极保护。目前国内这方面法规还不够完善，人们认识不足，导致推动比较困难。
4）要注意防腐层及阴极保护等防腐系统的维护检测与维护。目前关于埋地管道的非开挖防腐层检测及阴极保护系统检测技术日渐成熟，例如管道电流测绘仪（PCM）、管道杂散电流测绘仪（SCM）等先进检测设备的面世，可以及时的发现防腐层及阴极保护的问题点，将腐蚀扼杀在萌芽状态，可极大的提高管道的使用寿命和安全性能。
5）对于老管网的使用，建议按照TSGD7004—2010压力管道定期检验规则（公用管道）进行全面检验及相关的合于使用评价，以确保管道的安全运行，防止事故的发生。
6）建议每年对当地不同的管道穿越地区进行土壤和大气检测，并录入管道地理信息系统，为管道的剩余强度评价及寿命预测提供依据，并可为其他管道的设计提供依据。
3 结论
综上所述，燃气管道的安全运行，关系人民生命财产安全，关系社会稳定，确保其安全运行是新时期城市建设发展的需要。因此，我们要在加强基础管理，提高技术水平基础上，进一步探索有关燃气管道失效预防和控制的新方法、新思路。相信经过政府、社会、燃气设计、施工、生产、经营单位各负其责，齐心协力，强化对城市燃气的安全管理，一定能预防燃气管道失效以及失效引起的危害，使其更好地造福广大城镇居民。
【参考文献】
[1]李强，王朝.海底管道失效原因分析及其对策[J].城市建设理论研究，2013（03）.
[2]张斌.论城市燃气管道腐蚀原因分析及其防治措施[J].城市建设理论研究，2012（36）.
[责任编辑：丁艳]
