摘 要

作为一种新能源，天然气在日常生活中扮演着越来越重要的角色。随着武汉新区的开发建设，本文设计了武汉新区天然气管道防腐体系。通过分析武汉新区天然气管道材料和环境等影响管道腐蚀的因素，制定合理的防腐系统方案，降低城市天然气管道腐蚀率，提高天然气管道的使用寿命。最终提高武汉新区天然气管道运营效率。

论文主要研究了天然气管道防腐系统的国内外发展情况，根据武汉新区的实地情况和供应需求对天然气管线的防腐系统进行了分析对比和初步设计，选用三层 PE防腐结构作为管道外防腐层，管道阴极保护采用强加电流阴极保护系统。 基本满足武汉新区天然气管线的防腐需求且对应后续城市发展预留了相应的预留余量，达成了预期的设计要求。

关键词：管道设计；腐蚀机理；外防腐层；阴极保护

Abstract

As a new energy source, natural gas plays an increasingly important role in daily life. However, as its main transportation route, pipelines are often plagued by the phenomenon of corrosion, and are likely to cause economic losses and produce hidden safety hazards. With the development and construction of Wuhan New District, this paper has designed the anti-corrosion system of natural gas pipelines in Wuhan New District in this context. Through the analysis of the factors affecting the pipeline corrosion of the natural gas pipelines in Wuhan New District and the environment in which they are located, a reasonable anti-corrosion system plan has been formulated to reduce the corrosion rate of natural gas pipelines in the city, increase the service life of natural gas pipelines, and ultimately increase Wuhan Operational Benefits of Natural Gas Pipelines in the New District.

The paper mainly studies the development of natural gas pipeline anti-corrosion system at home and abroad. Based on the actual conditions and supply requirements of Wuhan New District, the anti-corrosion system of natural gas pipelines is analyzed, compared and preliminary designed. The three-layer PE anti-corrosion structure is selected as the external anti-corrosion layer of the pipeline. The cathodic protection of the pipeline is carried out using an impressed current cathodic protection system. It basically satisfies the anticorrosion demand of natural gas pipelines in Wuhan New District and reserves corresponding reserves for subsequent urban development. The expected design requirements are achieved.

Key Words：piping design；corrosion mechanism；protecting coating;cathodic protection

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2国内外管道防腐的发展概况 1

1.3主要研究内容 2

第2章 天然气管道的结构设计 3

2.1武汉新区天然气需用量计算 3

2.1.1居民用户年用气量 3

2.1.2商业用户年用气量 4

2.1.3工业企业年用气量 4

2.2武汉新区天然气管道设计 5

第3章 天然气管道腐蚀失效的理论分析 7

3.1化学腐蚀 7

3.2电化学腐蚀 7

3.3杂散电流对钢管的腐蚀 9

3.4细菌作用引起的腐蚀 9

第4章 天然气管道表面防腐设计 10

４.１外防腐涂层性能要求 10

４.２外防腐层介绍 10

４.３防腐层的选用 13

第5章 天然气管道阴极保护系统设计 14

5.1阴极保护工作原理 14

5.1.1阴极保护方法 14

5.1.2阴极保护工作原理 14

5.2阴极保护方法选择 15

5.3阴极保护电流计算 16

5.3.1主要保护参数 16

5.3.2强制电流保护系统参数确定 17

5.3.3强制电流阴极保护长度计算 18

5.4强制电流阴极保护辅助阳极设计 20

5.4.1 辅助阳极材料的选择 20

5.4.2 辅助阳极的布置 20

5.4.3辅助阳极地床安装及相关要求 21

5.4.4辅助阳极接地电阻 21

5.4.5辅助阳极总质量及使用支数 22

5.5强制电流阴极保护电源设计 22

5.5.1直流电源的要求 22

5.5.2常见的电源形式 23

5.5.3强制电流法阴极保护系统的电源功率的计算 23

5.6强加电流阴极保护系统辅助设施 24

5.7强制电流法阴极保护设施的安装与施工 24

第6章 天然气管道内壁防腐保护设计 26

6.1缓蚀剂 26

6.2内涂层防腐与衬里防腐技术 26

6.3武汉新区天然气管道内壁防腐设计 27

结论 29

参考文献 31

致谢 31

第1章 绪论

1.1研究背景及意义

两江交汇、三镇鼎立，是武汉的鲜明特色，这些有利条件也使得武汉具有独特的地理地位。但是，武汉当前还缺少具有国际影响的城市地块，缺乏代表城市形象的新兴城区，伴随着城市发展的高速节奏，现在已经到了规划新城的关键节点。武汉需要在原有的武汉三镇之外，建设最亮丽的第四块主城区，武汉新区也应运而生。武汉新区位于武汉中北部的长江边上，东至武湖泵站河，南至长江北岸，西至滠水河、府河，西南至张公堤路，北至江北铁路，早期规划约30到50平方公里。中期开发区面积约100平方公里，长期规划面积500平方公里。届时，将形成武汉四镇的新格局，打造全新的武汉。

天然气是一种混合气体，主要用于化工，发电和城市民用。天然气管道输送是目前应用最广泛的天然气输送方式，具有成本低和安全可靠的优点。随着武汉新区的快速发展，天然气需求量不断增加，天然气管道的发展呈现出良好的发展前景。然而，由于大部分管道埋在地下，因此它们被传输介质，土壤，地下水和杂散电流腐蚀。腐蚀可能导致管壁变薄甚至穿孔泄漏，最终导致管道失效。这不仅会造成巨大的经济损失和资源浪费，还会造成环境污染。据统计，全球每年约有10％的金属因腐蚀而流失，导致经济损失超过1.8万亿美元。根据中国工程院的调查结果，2016年中国腐蚀造成的经济损失高达1.2万亿元人民币。由于受地理条件和空间的影响，天然气管道必须安装科学合理的防腐措施。鉴于天然气环境和地质条件的差异，天然气管道铺设后所使用的的防腐方法不同。因此，在天然气管道的防腐处理中，应采取合理的防腐措施以延长天然气管道的使用寿命。

1.2国内外管道防腐的发展概况

天然气的主要成分是甲烷，但它也含有少量的乙烷，丁烷，二氧化碳和一氧化碳，硫化氢等。另外，在天然气运输过程中，水蒸汽伴随着流动介质中温度和压力的降低，将发生水蒸气液化现象，并与一氧化碳和硫化氢形成酸性物质，腐蚀管道。电化学腐蚀也是气体管道腐蚀的重要因素，并且在含有水分的天然气介质中也会发生硫化物应力腐蚀。气体流量，温度和压力也会影响管道的腐蚀速度。目前，用于天然气管道防腐的技术包括涂层技术，电化学防护技术和缓蚀剂防腐技术。

涂料技术包括防腐涂料，复合涂料，三层聚乙烯/聚丙烯涂料，环氧粉末涂料和液体聚氯乙烯涂料等。其中，三层聚乙烯具有更好的防腐蚀效果。由于液相抑制剂难以达到管道顶部，管道在潮湿管道中的顶部腐蚀一直是个问题。文献提出将缓蚀剂注入泡沫基质中。这样，腐蚀抑制剂均匀覆盖在水分管顶部，达到抑制腐蚀的目的。

阴极保护是电化学保护的主要方法。阴极保护有两种方法:(1)牺牲阳极法:保护金属与金属或合金（或牺牲阳极）的连接，可提供保护电流，极化保护体并降低腐蚀速率;(2)强制电流保护法:保护金属连接到外部电源，外部电源提供保护电流来控制电化学腐蚀速率。中国的阴极保护技术始于1958年，20世纪60年代初，油田规模有限，遂开始在各油田进行测试。到现在已经能够成功控制埋地管道的腐蚀，延长管道使用寿命，为管道的安全生产提供技术保证。在石油行业，管道阴极保护技术标准已经初步形成了10多个相关标准的体系。而在国外，由于技术的较早发展，阴极保护技术现状有下面几个方面相较国内具有优势:先进的设计，阴极保护遥测和遥控技术，强干扰现状，非传统条件下的阴极保护，阴极保护电位测量和涂层电阻测量技术，阴极保护柱保护标准和多样性。近年来，国内外技术进步使国内阴极保护技术达到了先进水平。在中国，阴极保护项目的设计和建设可以独立完成。一些阴极保护产品已销往欧洲和美国的发达国家。然而，在软件、电气设备和遥测技术方面还存在一定的差距。

腐蚀抑制剂的防腐蚀效果与管道的情况，缓蚀剂的种类，注入缓蚀剂的周期和注入量有关。该工艺成本不高，初期投资比较少，但操作工艺相对复杂，对生产过程的影响较大。

1.3主要研究内容

1.从钢管的多个腐蚀因素入手，结合实际情况对武汉新区城市天然气管道的失效进行分析。

2.收集管道外防腐涂层的相关资料，探究各项材料的防腐性能和安装成本，以既能满足防腐需求又具有经济性为主要目标来设计武汉新区城市天然气管道外防腐涂层。

3.了解两种主要的阴极保护系统，分析其优劣性和经济性，根据实际需求在能满足防腐需要的条件下选择更为合适的阴极保护法，并进行详细设计。

4.从缓释剂和内防腐层的角度着手设计武汉新区管道的内防腐系统。

第2章 天然气管道的结构设计

2.1武汉新区天然气需用量计算

在武汉新区天然气输送管道设计中，首先要确定天然气的需求，每年的气体消耗量是确定气源、管网和设备容量的基础。年用气量主要取决于用户的类型，数量和用气量指标。根据用户的特点，城市天然气供应对象一般分为以下几类：

（1）居民用户

居民用户指的是使用天然气作为做饭和准备热水的燃料的天然气用户。居民用户是城市天然气供应的基本对象，必须确保天然气供应的持续稳定。

（2）商业用户

商业用户指的是为商业或公共建筑生产热水或其他用途的天然气用户。商务用户包括餐厅、幼儿园、医院、宾馆酒店、浴室、洗衣房、超市、办公室和学校等。对于学校和研究机构，天然气也用于实验室。

（3）工业用户

工业用户是天然气用作工业生产燃料的用户。工业用户主要用于各种生产活动。

（4）采暖、制冷用户

采暖、制冷用户是指以天然气为燃料进行采暖、制冷的用户。

根据武汉新区的实际情况，当前供气用户以居民用户为主，考虑到今后的发展，应给工业用户以及商业用户预留充足的供应余量。同时武汉属中部地区，采暖制冷多以电力为主要来源，故对应用户可忽略。

2.1.1居民用户年用气量

在计算居民的年用气量时，有必要确定居民的用气量。城镇居民用气量取决于城镇居民人数和气化率。气化率是指在城市总人口中使用天然气的城市居民的百分比。根据居民用气指数，居民人数和气化率，按照公式（2-1）计算居民的年生活费用：

（式2-1）

式中 Q——居民生活年用气量(m³/a)

N——居民人口数(人)

k——气化率(%)

q——居民生活用气定额(kJ/人·a)

H——天然气低热值(kJ/m³)

根据武汉新区的相关信息，平均每人年用气量q/H取2100m³/a，居民人口数100万人，气化率按武汉城市未来规划取60%，则算得居民生活年用气量Q=1.26×10⁹m³/a。

2.1.2商业用户年用气量

在计算商业用户年燃气消耗量时，首先要确定总人口的用气量、居民数和各种气体消耗的比例。对于商业用户，用户数量取决于城市居民的数量和商业用户设施的标准。本标准包括:1000名居民配套的医院和旅馆病床数量等。商业用户每年的气体消耗量可按压力计算(公式2-2):

（式2-2）

式中 Q——商业用户年用气量(m³/a)

N——居民人口数(人)

M——各类用气人数占总人口的比例数

Q——各类商业用户用气定额(kJ/人·a)

H——天然气低热值(kJ/m³)

由于目前武汉新区还处于在发展阶段，具体数据不易获取，故此处可按照居民用户年用气量的一定比率进行估算，此处取30%，求得商业用户年用气量3.78×108m³/a。

2.1.3工业企业年用气量

工业企业年燃气消耗量与生产规模、等级制度和技术特征有关，通常由计算确定。有两种计算方法:（1）工业企业的年用气量可根据各种工业产品的用气量和年产量计算。工业产品的燃气配额可以根据燃气公司的设计数据或燃气配额选择。（2）在没有产品气体配额数据的情况下，工业企业中其他燃料的年消耗量通常转化为气体消耗量，并可按公式（2-3）来计算:

（式2-3）

式中 Q——年用气量(m³/a)

G——其他燃料年用量(t/a)

H'——其他燃料的低热值(kJ/kg)

H——天然气低热值(kJ/Nm³)

η'——其他燃料燃烧设备热效率

η——天然气燃烧设备热效率

基于武汉新区现状与未来发展情况，工业企业用气量应根据居民用气量进行估算，结合近几年武汉供气情况，取工业企业用气量6.3×10⁸m³/a。

结合以上分析计算，并加入未预见量的5%总供气量，最终算得武汉新区年天然气需用量约为2.38×10⁹m³/a。

2.2武汉新区天然气管道设计

求得年需用气量之后应结合用气的不均匀性确定天然气管道的小时设计流量，其中包含三个不均匀系数，即：

1. 月不均匀系数K₁

（式2-4）

这个公式中的K₁^max被称为月最大非均匀系数,也称为月高峰系数。

1. 日不均匀系数K₂

（式2-5）

这个月最大的非均匀系数K₂^max被称为该月的日高峰系数。

1. 小时不均匀系数K₃

（式2-6）

该日小时的不均匀系数的最大值K₃^max被称为当天的小时高峰系数。

配气管网的小时设计流量是按计算月的小时最大用气量计算的，其公式为：

（式2-7）

式中：Q——设计流量，m³/h；

Q_a——年用气量，m³/a；

K₁^max——月高峰系数；

K₂^max——计算月的日高峰系数；

K₃^max——计算月中最大日的小时高峰系数。

天然气消耗高峰应根据城市天然气消耗的实际统计数据确定。工业企业生产中使用的气体的不均匀性可以通过叠加用户的气体消耗变化来确定。住宅和公共建筑用气量的最高值和实际用气量的统计应结合当地实际情况。可以根据以下范围选择：月峰值系数1.1-1.3，日峰值系数为1.05-1.2，小时峰系数为2.2~3.2。对于中国北部一些城市，月均布系数和峰值变化不大。在长期给用户供电时，峰值因数应该取较小值。

在此取K₁^max=1.2，取K₂^max=1.15，取K₃^max=3.0，

带入公式求得Q=1.12×10⁶m³/h