第 1 章 绪 论
1.1 研究背景及研究的目的
刨除地面沉降、野蛮施工、地面重力增加等外力因素，造成北京燃气管道泄漏的最主要问题就是因管道被腐蚀造成的腐蚀漏气。而腐蚀原因中，电化学腐蚀和杂散电流腐蚀是主要问题。电化学腐蚀主要由于金属材质的燃气管线需要穿越不同类型的地质，沿线土壤透气性等物理化学参数有较大变化，导致管段两端存在明显的电位差，造成电化学腐蚀；杂散电流腐蚀主要是因为地铁、地下电力、电信管道的漏电电流以管线作为回流通路，导致流出点的局部坑蚀。阴极保护就是利用外加手段迫使被保护金属表面成为阴极，以达到抑制腐蚀的目的。阴极保护技术根据保护电流的供给方式可分为牺牲阳极阴极保护法和外加电流阴极保护法。所谓牺牲阳极阴极保护法是将被保护金属和一种电位更负的金属或合金（即牺牲阳极）相连，使被保护体阴极极化以降低腐蚀速率的方法。采用牺牲阳极法的主要优点有对管道以外的其他设施影响小、不用借助其他外电即可自行运转、前期施工及后期运行维护所需要的成本低、不用多占面积、保护电流利用率高等特点，特别适合于保护城市范围内的埋地钢管免遭外部腐蚀，因此城镇燃气埋地管道防腐的阴极保护多采用牺牲阳极法。 阴极保护作为防止金属构件腐蚀的有效技术，已经在埋地管道上得到了广泛的应用。北京燃气集团自 1987 年对燃气管道逐步追加牺牲阳极阴极保护技术以来，目前牺牲阳极服役时间达到 10 年及以上的管道长度已超过 500km，临近或已超出牺牲阳极阴极保护系统的设计寿命。随着管道涂层老化，以及近年来高压输电线路、电气化铁路等基础设施的大规模建设，杂散电流干扰问题日益严重，这些服役 10 年以上的牺牲阳极系统逐步暴露出阳极材料消耗殆尽、保护效果下降、遭受杂散电流干扰等一系列的问题，无法再为管道的安全保驾护航，使得管道腐蚀泄漏风险大大增加。
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1.2 国内外现状及发展趋势
近年来随着北京市经济的高速持续发展，城区规模向外快速扩大，地铁轨道交通系统和市政电力设施大规模地建设，其对埋地燃气管道造成的杂散电流干扰日益严重；同时日趋增多的城市建筑，对燃气管道运行的安全性也提出了更高的要求。在埋地燃气管道面临的腐蚀风险加大、安全要求日益提高的情形下，服役10 年以上的牺牲阳极系统却暴露出阳极材料消耗殆尽、保护效果下降、遭受杂散电流干扰等一系列的问题，无法再为管道的安全保驾护航，使得管道腐蚀泄漏风险大大增加。天然气高度易燃易爆，一旦泄漏，就会给公共安全造成极大的威胁。北京市燃气泄漏事故近年来时有发生，仅 2009-2012 年，北京燃气集团就进行燃气漏气抢修 345 起。其中，腐蚀造成的漏气事故共 262 起，占突发事故的76%。2013 年一年北京的城市管道由于腐蚀造成的应急处置事件占 56%，比 2009年多出一倍。因此，如何保证燃气管网的安全运行已经成为北京市政府和首都人民十分关心的一个重大课题。 在国外，19 世纪 20 年代英国的汉弗莱·戴维爵士首次将牺牲阳极阴极保护成功应用于船体的防腐保护；后来，经过法拉第、哈博、戈尔德施密特等人的发展，阴极保护的理论逐渐成熟。20 世纪 30~50 年代期间，比利时、前苏联、英国、德国等欧洲国家也先后对埋地管线采用了阴极保护技术。此后，阴极保护技术在国际上得到了迅速的发展和广泛的应用。国外诸如纽约、伦敦和巴黎等大城市也同样存在类似于北京的城市燃气供给体系安全隐患和城市轨道交通发展与管网相互干扰等问题，牺牲阳极与外加电流两种阴极保护方法在燃气管道上均得到了广泛应用。为了保证管网安全运行，国外在管网服役安全因素识别、安全评价和诊断技术等方面都已经进行了大量探索，形成了一些较为有效的方法，可以达到对管网安全运行进行科学管理、对管网失效和泄漏事故进行预测预警和事前维修之目的。例如纽约为了消减地铁对管网造成的杂散电流腐蚀问题，采用科学埋设腐蚀监测探头的方法对杂散电流腐蚀进行长期监控。国外根据阴极保护系统的服役时间，定期对其进行运行状况的检测与评价，对存在的问题及时进行处理。国外相关研究发现，牺牲阳极材料服役行为与牺牲阳极材料、牺牲阳极所处的土壤环境以及被保护构件涂层状况有很大关系，杂散电流的存在会大大加速牺牲阳极的消耗；有些牺牲阳极材料失效时间远低于设计寿命。在这些方面，我国还没有系统的研究报道，相关技术水平亟待提高。
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第 2 章 牺牲阳极阴极保护系统基础资料调研及牺牲阳极取样点的选取
2.1 前期调研
2.1.1 资料调查
利用北京燃气图档 GIS 系统，查找了北京燃气集团采用牺牲阳极保护的管线约 5000km，阴极保护系统约 1000 多个。对高中压管道牺牲阳极阴极保护系统资料进行调查与分析归类，根据管道压力级制、阴极保护系统的服役年限及类型、管道涂层种类，综合考虑环境因素及实际可开挖条件，最终选取 24 个牺牲阳极保护系统（约 300km 的管线），其中运行年限分为 0-10 年、10-15 年和 15 年以上；管道涂层种类包括 FBE、PE、石油沥青、塑化沥青胶带、环氧煤沥青、煤焦油瓷漆类；压力等级主要为高压和中压；环境因素考虑杂散电流干扰和土壤性质；可开挖条件分为难、中和易。选用皮尔逊法地面检测仪对选取的 300km 管线进行检测，查找牺牲阳极位置、埋深及路面情况，测试管线防腐层面电阻率和周边环境的杂散电流，检测管线阴极保护电位。
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2.2 现场开挖
通过管线检测，对阳极在管道上的焊口进行定位，掌握路面情况后，开挖需找管道，找到阳极焊点，依据管道上阳极焊点连接的阳极线，查找到阳极埋设位置，找到取样阳极。找到阳极后，对阳极的腐蚀产物和周围的土壤进行取样，并在坑内测试阳极现场参数；测试完成后，开挖取出整支阳极，对阳极进行现场预处理。具体的取样情况如表 2-2 所示。 通过对北京燃气集团高中压管道牺牲阳极阴极保护系统资料进行调查与分析归类，根据运行年限、管道图层种类、压力等级、环境因素等条件，选取 24个牺牲阳极保护系统。并对其周边环境和相关参数进行记录和测试，完成阳极选取和更换。
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第 3 章 现场检测、取样 ........... 12
3.1 现场测试内容及测试方法 .......... 12
3.1.1 测试依据 ...... 12
3.1.2 测试内容 ...... 12
3.1.3 测试方法 ...... 12
3.2 现场测试结果及取样 ......... 17
3.3 本章小结 ..... 42
第 4 章 实验室测试及分析 ....... 48
4.1 实验室测试依据及内容 ..... 48
4.2 阳极腐蚀产物测试 ..... 48
4.2.1 阳极腐蚀产物清除及测量过程 ........... 48
4.2.2 阳极腐蚀产物的处理 .......... 49
4.3 本章小结 ..... 75
第 4 章 实验室测试及分析
牺牲阳极取样后，为了对牺牲阳极的服役行为进行进一步的研究，进行了实验室测测试与分析，主要测试内容包括，牺牲阳极的外观测试、腐蚀速率测试、腐蚀形貌测试、腐蚀产物测试、极化特性测试、合金成分测试以及土壤腐蚀性测试等，具体的测试方法及测试结果详细介绍如下。
4.1 实验室测试依据及内容
（1）牺牲阳极腐蚀产物形貌及成分分析（宏观形貌分析，成分分析， XRD能谱分析）； （2）牺牲阳极腐蚀产物清除及腐蚀速率测试：依照标准将牺牲阳极腐蚀产物去除，拍照、称重、测量尺寸；记录阳极腐蚀形貌，计算阳极腐蚀速率； （3）服役环境土样测试：对现场取回土壤进行理化性能分析，得到土壤含水率、PH、土壤腐蚀性等，与现场测得的土壤电阻率结合作为服役系统的环境因素参考因素；经过现场检测取回的具有研究意义的牺牲阳极，取回实验室后在清水中浸泡并测试其自腐蚀电位，结合现场测量参数，选取钝化的牺牲阳极，取其腐蚀产物,进行物相分析。
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结 论
牺牲阳极防腐蚀系统深埋于地下，受周边环境变化影响很大，因此不能完全根据牺牲阳极的设计使用年限来判断其寿命。而城市燃气管道敷设时间及进行防腐蚀保护时间相对集中，如果不能提前对牺牲阳极的寿命进行预判，则牺牲阳极失去保护管道能力的爆发点也会相对集中，就会造成同一时间段内多处管道发生因腐蚀造成的泄漏。届时，对城市燃气管道维护运营单位来讲，就会出现极大地抢修压力。本文通过对北京燃气运行 10 年以上管道牺牲阳极阴级保护系统服役行为的的调查研究，得到了以下结论：
（1）现场测试与实验室测试的各项数据表明：高压管线牺牲阳极的消耗率要明显小于中压管线。因为相对而言，高压管线防腐涂层较好，且每组牺牲阳极支数较多，因此平均到每一支上消耗率就要小；阳极的消耗率与其服役年限基本成正比关系。
（2）管道断电电位越正，牺牲阳极消耗率越大；阴极开路电位越正，牺牲阳极消耗率越小，但如果开路电位过正，管道就会出现欠保护的风险。目前，我国大部分城市燃气管线运营单位在日常的管道腐蚀维护测试中，还仅仅只是检测管道的通电电位，没有考虑断电电位的影响，大大增加了管道腐蚀泄漏的风险，同时也失去了更准确判断牺牲阳极服役寿命的一个有效盘踞。因此建议城市燃气管线日常维护测试中，定期测试管道的断电电位。消除牺牲阳极提前失效的风险。另外也要定期地检测阳极的开路电位，一旦发现其开路电位过正，要及时进行更换。
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参考文献(略)