万云洋，武 旻，徐得甲，孙桂勇

(1.中国石油大学(北京)地层微生物资源与应用研究中心 油气资源与探测国家重点实验室油气污染防治北京市重点实验室 非常规油气科学技术研究院，北京 102249;2.北京燃气昌平有限公司，北京 102200)

近年来，国内外燃气管网建设规模越来越大，相应的各种燃气管道失效频繁发生，造成了巨大的经济损失和严重的环境污染，也直接威胁着生产作业人员的生命安全[1]。燃气管道失效主要受管道材质和环境因素的影响，其中土壤腐蚀性微生物的影响不容忽视[2-3]。据统计，微生物对金属材料的腐蚀占金属材料总腐蚀的20%左右[4]。

北京市的燃气管道发展迅速，截止到2016年其总长已超过20 000 km。迄今为止，关于北京市燃气管道失效分析的研究报道极为少见,因此，分析北京市燃气管道失效特征，并采取有效的防护措施刻不容缓。对2015至2016年北京市燃气管道失效数量进行统计分析，重点探讨人工干扰、环境因素(土壤、降水和季节变化)、管道材质、服役年限等对燃气管道失效的影响，建立燃气管道失效与土壤腐蚀性微生物的相关关系，为燃气管道的腐蚀和防护提供参考，提高燃气管道的安全管理与技术水平。

1 北京市燃气管道失效统计分析

1.1 燃气管道失效的原因分析

北京市燃气管材主要为钢管和塑料管两种类型，其中钢管占大部分比例，塑料管以聚乙烯(PE)管为主。PE管主要应用于中压和低压管道中，截止到2016年北京市PE管普及率约为4%。两年内北京市燃气管道失效数量达到1 518次，平均总失效频率为3.8次/(105m·a)，其中由腐蚀导致的管道失效数量有556次，平均腐蚀失效频率为1.4次/(105m·a)。

北京市燃气管道的失效原因复杂，主要包括腐蚀、第三方破坏、建设施工质量、材料缺陷、设备问题和其他等(见表1)。 从表1 可以看出，由腐蚀引起的管道失效占比最大，为38.7%，腐蚀又分为外腐蚀和内腐蚀，其中外腐蚀又占绝大部分，内腐蚀占比很小。因此，外腐蚀是北京市燃气管道的失效主因。

1.2 燃气管道失效的材质特征

图1为两年内北京市燃气管道失效的材质特征分析。从图1可以看出，失效燃气管材包括钢管、塑料管、铸铁管和镀锌管4种类型，其失效数量按由大到小的顺序排列依次为:钢管>塑料管>铸铁管>镀锌管。其中，朝阳区、丰台区和海淀区的钢管及塑料管失效数量均较多，怀柔区和密云区的4种管材失效数量均较少；西城区和东城区的钢管失效数量远大于塑料管失效数量。

表1 2015至2016年北京市燃气管道失效统计分析

图1 燃气管道失效的材质特征分析

1.3 燃气管道失效的地域特征

北京市中心地区(海淀区、朝阳区、东城区、西城区、石景山区、丰台区)相对周边地区(密云区、怀柔区、昌平区、顺义区、通州区、大兴区、房山区)来说，其管道失效频率较大(见图2)。因地势差异，从中心地区到周边地区土壤类型依次呈现潮土、褐土及棕壤顺序。各区的管道腐蚀失效频率与总失效频率地域分布特征相似，均呈现出由中心地区向周边地区递减的趋势，与人口密度也存在正相关性(见图2(b))。同时随着地域的变化，不同管材的失效数量和频率变化趋势表现一致。在朝阳区、丰台区和海淀区，钢管及塑料管的失效数量较多，且失效频率较高；在怀柔区和密云区，钢管及塑料管的失效数量较少，且失效频率较低。

图2 燃气管道失效的地域分布特征

1.4 燃气管道腐蚀失效的服役年限特征

北京市燃气管道腐蚀失效的服役年限多为7～26 a(见图3)。海淀区、石景山区以及房山区等北京西南部在管道服役17～26 a发生的腐蚀失效数量较多；其余10区发生的腐蚀失效多集中在管道服役7～16 a，这些地区多位于北京市的东南和东北部；另外，大兴区、丰台区、海淀区、石景山区、通州区以及昌平区等区域均在管道服役0～6 a内也发生了一定的腐蚀失效数量。

2 讨 论

2.1 土壤对管道失效的影响

2.1.1 土壤对材质及地域特征的影响

北京市土壤类型复杂，性质多变，主要分为棕壤、褐土和潮土三大类[5],各区土壤类型及分布见表2。北京市燃气管道失效集中分布在中南部地区，其土壤类型多为褐土及潮土。

表2 北京市各区土壤类型及分布

续表2

在朝阳区、丰台区、海淀区以及昌平区，其土壤类型主要为褐土(pH值8.0～8.5)，钢管及塑料管的失效频率均较大；在怀柔区和密云区，其土壤类型多为棕壤(pH值6.0～6.5)，钢管及塑料管的失效频率均较小；在西城区和东城区，其土壤类型多为潮土(pH值8.0～8.3)，钢管的失效频率较大，而塑料管的失效频率较小。由此说明,棕壤与褐土对钢管和塑料管失效的影响无显著差异，而潮土对钢管和塑料管失效的影响却存在较大差异，即土壤类型不同，对管材失效的影响不同。

2.1.2 土壤对服役年限的影响

北京市燃气管道失效的主要原因为外腐蚀，管道腐蚀失效风险与土壤类型及其腐蚀性微生物密切相关。北京市燃气管道腐蚀失效主要集中在管道服役7～26 a。 在海淀区、石景山区以及房山区等北京西南部，其土壤类型主要为褐土和棕壤，管道腐蚀失效频率较高的服役年限为17～26 a；其余10区位于北京市的东南和东北部，其土壤类型主要为潮土和褐土，管道腐蚀失效频率较高的服役年限为7～16 a；另外，在大兴区、丰台区、海淀区、石景山区、通州区以及昌平区等区域，其土壤类型主要为潮土和褐土，在管道服役0～6 a也存在一定的腐蚀失效频率。由此可见，土壤类型影响管材的使用寿命，潮土对其影响最大，其次是褐土，最后是棕壤。

2.2 土壤微生物对管材腐蚀失效的影响

2.2.1 土壤腐蚀性微生物的分类和分布

在所有的环境介质中，土壤中蕴含的微生物数量和种类最多，功能复杂，其中腐蚀性微生物(CIM)也是最全及最多的[6]。腐蚀性微生物是指能够直接或间接引起腐蚀的微生物，根据其腐蚀功能的不同分为七大类腐蚀功能菌，分别为硫酸盐还原细菌、硫氧化细菌、硝化细菌、产甲烷古菌、铁细菌、产黏液细菌以及产有机酸细菌。该文涉及的微生物命名及分类均参考原核微生物资源和分类学词典[7]。

北京市失效管道多位于潮土及褐土中(见图2(a)及表2)。虽然尚缺少土壤类型与微生物类型的关联性研究，但已有的文献显示：变形菌门(Proteobacteria)、杆状菌门(Bacteroidetes)、酸杆菌门(Acidobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、浮霉菌门(Planctomycetes)、疣微菌门(Verrucomicrobia)、厚壁菌门(Firmicutes)和绿屈菌门(Chloroflexi)与褐土存在强相关性，是褐土优势菌群[8]；从土壤类型中腐蚀性微生物分布来看，杆状菌门中的杆状菌属(Bacteroides)是属于产有机酸一类，放线菌门中的酸微菌属(Acidimicrobium)及铁微菌属(Ferrimicrobium)是属于铁细菌一类，变形菌门中的脱硫化弧菌属(Desulfovibrio)是属于硫酸盐还原菌一类；除芽单胞菌门及疣微菌门外，褐土中的其他菌门也都与潮土存在强相关性，为潮土的优势菌群(相对丰度>5%)，占总体比例为62%，硝化螺体门(Nitrospira)是同时存在于潮土中与褐土中的菌门[9]，硝化螺体门中的硝化螺体属(Nitrospira)和亚硝化螺体属(Nitrosospira)是属于硝化类腐蚀性微生物菌属。棕壤中腐蚀性微生物种类较少，主要为变形菌门和放线菌门[10]。

2.2.2 腐蚀性微生物与人类活动相关性

人口分布趋势与管道的腐蚀失效频率趋势有很强的一致性(见图2(b))。第六次全国人口普查(2010年)显示：北京市人口密度与北京市燃气管材腐蚀失效频率存在正相关，平均约每万人发生0.82次管道失效；人口密度越大，燃气管材腐蚀失效频率也越高。大规模地建设燃气管道设施以及反复填埋等人类活动会对土壤原生态造成很大的影响，燃气管道周边的土壤生态系统已经不能和一般的土壤生态系统同日而语。除了土壤理化性质变化以外，人体携带的大量微生物也会进入土壤中，微生物群落结构也随之发生显著变化。人口密度与管材失效频率或是腐蚀导致管材失效频率变化趋势具有很强的一致性，而人体体表的微生物与土壤腐蚀性微生物联系紧密(见表3)，而这些腐蚀性微生物又广泛存在于潮土及褐土中[11]。

表3 人体常见微生物及腐蚀功能

对昌平区失效燃气管材周边1 m范围内土壤进行取样分析，结果显示:样品中亚硝化球菌属(Nitrososphaera)，壤单胞菌属(Solimonas)，日应微所菌属(Iamia)，酸微菌属、铁微菌属及松散杆菌属(Lysobacter)等占比较高。酸微菌属、铁微菌属及日应微所菌属都属于放线菌门，亚硝化球菌属分离自土壤中的耗氧及嗜中温的氨氧化古菌；壤单胞菌属、松散杆菌属则属伽马变形菌纲黄单胞菌目。综上所述，人体、土壤、管道这三者中的微生物高度重合，体现了人类活动对管道腐蚀的微生物影响，同时也可能对燃气管材腐蚀失效造成影响。

2.2.3 腐蚀性微生物与季节的相关性

土壤微生物活性、群落结构及数量等受环境因素特别是季节性降水的影响较大[12-14]。北京市降水量随季节变化趋势为夏季最高，冬季最少，春秋居中，而管道失效总量和由腐蚀失效数量都为冬季最少而秋季最多(见图4)。

图4 燃气管道失效的季节性特征

土壤微生物数量有明显的季节变化，微生物总量呈现夏季>秋季>春季>冬季的变化规律，而燃气管道腐蚀失效数量秋季最多，这是由于微生物对土壤的水热条件等适应性不同造成的[15]。一方面夏季微生物总量多，必然对燃气管材的作用加强，导致燃气管材失效数量在随后的秋季大大增加，秋季以后，微生物由于土壤水热条件的变化逐渐减少，对燃气管材的作用也逐渐减弱，随之冬、春季节管材失效数量逐渐减少；另一方面，微生物中的放线菌门数量呈现秋季>春季>夏季>冬季的变化规律[16]，而放线菌门中的酸微菌属及铁微菌属是属于铁细菌一类，这类细菌对管材的腐蚀作用很强，导致秋季燃气管材失效数量大幅增加。

3 结 论

(1)通过对北京市2015—2016年间燃气管材失效(共1 518起)数据分析，首次总结归纳出北京市20 000 km燃气管材失效因子清单，平均失效频率为3.8次/(105m·a)，腐蚀为失效主因(占38.7%)，管道外腐蚀远高于内腐蚀， 1990—2010年投运的燃气管道是失效频率较高，服役年限7～26 a是腐蚀失效的高发期，且与微生物腐蚀速率一致。

(2)不同土壤类型中燃气管材失效数量和频率差异较大(潮土>褐土>棕壤)，管材在棕壤中运行年限最长，这与土壤腐蚀性微生物数量和类型呈正相关。北京市失效管材多位于褐土及潮土中，其中腐蚀性微生物数量较多，包括变形菌属，杆状菌属，酸微菌属，铁微菌属，脱硫化弧菌属。

(3)人体微生物与土壤微生物有强相关性，数据分析首次揭示了人类活动与燃气管材失效数量(平均约0.82次/万人)的关联性，因此，施工等人类活动带来燃气管材周边(≤1 m)土壤中腐蚀性微生物变化对管材腐蚀的影响不可忽视。

致谢：感谢董超芳教授对本文的阅读和建议。