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摘要：建筑燃气管道的设计使用年限在城镇燃气工程设计中具有重要意义，而如何科学地确定其设计使用年限还存在一些问题。本文简述了建筑燃气管道使用寿命的分析方法，重点分析了碳钢和镀锌钢管在不同环境的使用寿命，并提出了相应的解决措施。
关键词：建筑燃气管道；设计使用年限；分析方法
1 引言
在城镇燃气工程设计中，对于建筑燃气管道的设计使用年限，常规做法是按国家规范要求或采用以往的经验确定，设计文件确定的燃气管道设计使用年限与实际使用寿命往往存在差异，如何科学地确定建筑燃气管道的设计使用年限，确保其在正常条件下的可靠运行成为亟待解决的问题。
2 燃气管道设计使用年限的要求
城镇燃气工程设计的主要依据是《城镇燃气设计规范》（GB50028-2006）、《城镇燃气技术规范》（GB50494-2009）等相关规范，对燃气管道设计使用年限的定义和要求是：设计规定的管道、结构或构件等不需要大修即可按其预定目的使用的时间；燃气管道设计使用年限不应小于30年。在设计使用年限内，城镇燃气设施应保证在正常使用条件下的可靠运行。埋地钢制管道在腐蚀控制良好的条件下使用寿命可超过30年，聚乙烯管和铸铁管的使用寿命一般可达到40-50年。从燃气管道实际运行来看，许多情况下难以达到规定的设计使用年限要求，导致管道大修改造不得不提前进行，造成较大浪费。
3 燃气管道设计使用年限的确定问题
燃气工程设计主要是根据设计介质、设计压力、设计年限、设计范围、设计规模等，经设计计算确定管道和材料设备选用以及施工验收要求，而对于建筑燃气管道设计使用年限的确定，按现行国家标准的规定或传统方法，还存在以下一些不足：
（1）注重以计算流量参数的水力计算选取管径忽略燃气管道材料的选择
现行国家标准《城镇燃气设计规范》中明确规定了以设计压力范围来确定的管道材料的选用标准，其主要是以材料力学性能为参考指标，包括管道材料抗拉强度、屈服强度和壁厚等，仅靠设计压力等参数和管道力学性能指标无法确定燃气管道的设计使用年限。
（2）燃气管道设计使用年限缺乏科学的判定标准和方法
我国幅员辽阔，不同地区的环境条件存在巨大差异，一是南北差异，在北方寒冷地区不仅要考虑土壤腐蚀性和环境条件如相对湿度等，还需要考虑管道材料的低温受冻损坏问题；在南方地区，则可能需要考虑台风、环境温度以及酸雨对材料的腐蚀等问题。
同一种材质的管道在不同地区的使用条件和使用寿命是完全不同的。采用传统方法确定燃气管道设计使用年限或直接规定其设计使用年限，是缺乏依据的，相关国家标准也没有提供科学有效的方法。因此，有必要对设计使用年限的确定问题进行分析和比较，得出燃气管道设计使用年限在安全性、可靠性、耐久性方面得到保障的有效方法。
4 分析方法探究
4.1 燃气管道的失效因素分析
金属管道材料最常见的失效是腐蚀引起的，腐蚀与防护是材料研究与应用领域中的专门学科，按腐蚀的过程和机理，可分为以下类型：
（1）金属腐蚀的分类
a. 化学腐蚀
b. 电化学腐蚀
c. 物理腐蚀
（2）金属的腐蚀速度
a. 金属腐蚀速度的质量指标
通常采用质量损失法表示，如g/m2?h、mg/m2?d。
b. 金属腐蚀速度的深度指标
把金属的厚度因腐蚀减小的量，以线量单位表示，并换算成相当于单位时间的数值。如mm/a、μm/a。
（3）金属的腐蚀形态
a. 全面腐蚀
在整个金属表面上进行的腐蚀，也可视为均匀腐蚀，即整个金属表面几乎以相同的速度进行腐蚀，最后使金属变薄直到失效。这类腐蚀的危险性相对较小，只要在设计时增加材料腐蚀裕量就能够使设备达到应有的使用寿命而不被腐蚀破坏。
b. 局部腐蚀
在腐蚀环境中，金属表面的某些区域发生腐蚀，而表面其他部分则几乎未被破坏。在点蚀环境中，在设计时仅靠增加材料腐蚀裕量没有实际意义。
局部腐蚀包括以下主要形态：
1）电偶腐蚀：指两种或两种以上的具有不同电位的金属接触时形成的腐蚀，又称不同金属的接触腐蚀。耐蚀性较差的金属（电位较低）接触后成为阳极，腐蚀加剧；而耐蚀性较高的金属（电位较高）则变成阴极受到保护，腐蚀减轻或甚至停止。
2）孔蚀：是一种从金属表面向内部扩展形成空穴或蚀坑状的局部腐蚀形态，一般是直径小而深。蚀孔的最大深度和金属平均腐蚀深度的比值称为孔蚀系数，该系数越大表示孔蚀越严重。
孔蚀是碳钢、低合金钢、不锈钢以及镍等材料发生腐蚀的最重要因素。
4.2 建筑燃气管道腐蚀因素分析
建筑燃气管道的使用环境主要是大气环境，大气腐蚀的主要因素由大气污染组分：包括SO2、NOX、海盐粒子、O3、颗粒物等决定。
（1）碳钢在大气中的腐蚀行为
在工业或城市大气环境中，当存在着SO2 或其氧化产物SO42-时，首先，它们以干、湿沉降的方式进入碳钢表面的薄液膜，形成硫酸电解质。接着，硫酸与基体金属铁发生反应，生成FeSO4，而FeSO4 又能进一步氧化水解生成硫酸开始新的循环过程：
Fe+SO2+O2 FeSO4
2SO2+ O2+ 2H2 O 2H 2SO4
4H 2SO4+4Fe+2O2 4FeSO4+4H2O
4FeSO4+ O2+6H2O 4FeOOH+4 H 2SO4
在海洋大气环境下，氯化物加速碳钢的腐蚀，碳钢在室外的腐蚀速率比室内高10倍，并且海洋大气对碳钢的腐蚀大约比内陆大气腐蚀高100倍，碳钢腐蚀速度和表面盐沉积量在对数坐标上呈线性关系。总的来说，碳钢是不耐蚀的材料。
（2）镀锌钢在大气中的腐蚀行为
镀锌钢是在铁基体外层采用电镀或热浸方式将锌附着在铁基体表面。其中铁基体的电位是-0.44V，锌的电位是-0.762V，锌是阳极从而起到保护铁基体的作用，同时镀锌层还有隔离大气的保护作用。
由此可见，建筑燃气管道的使用寿命主要取决于两个方面的因素，一是管道材料本身的耐腐蚀性能，二是管道材料的使用环境。
下表是ISO12944－2017提供的大气腐蚀环境分类：
表1 大气腐蚀性典型环境分类1
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注：金属的腐蚀速率并不是恒定不变的。
5 结论与讨论
建筑燃气管道的使用年限不仅取决于管道本身的使用性能，还包括使用环境条件，科学地确定燃气管道设计使用年限，按传统经验确定管道设计使用年限的方法不仅没有实际意义，相反还是有害的。
通过分析燃气管道失效的主要因素和使用寿命与环境条件分级标准的关系，得出以下结论及相关讨论：
燃气管道的使用年限与使用环境密切相关；
在C3区域的镀锌钢管穿孔年限最快小于16年；
当燃气管道达不到设计使用年限时应考虑性能更优良的材料，如不锈钢等新材料；
地区腐蚀等级由大气污染物含量确定，包括SO2、CI-、年平均温度、相对湿度以及降水酸度等，对于燃气管道设计使用年限的分析尤其重要；
参考文献：
[1] ISO12944－2017 Paints and varnishes－Corrosion Protection of Steel Structures by Protective Paint Systems
[2] ASME B31.8S Managing System?Integrity?of?Gas?Pipelines
[3] GB50494－2009城镇燃气技术规范
[4] GB50028－2006城镇燃气设计规范
[5] GB/T3091－2015低压流体输送用焊接钢管
[6] GB/T7306－2000 55°密封管螺纹
论文作者:高慧蓉
论文发表刊物:《防护工程》2018年第26期
论文发表时间:2018/12/17
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