一种地铁线附近杂散电流引起埋地金属燃气管道腐蚀的综合判定方法与流程
本发明属于城市埋地管网安全性检测技术领域，尤其是涉及一种地铁线附近杂散电流引起埋地金属燃气管道腐蚀的综合判定方法。
背景技术：
随着近些年全球能源消耗与环境污染等问题日益凸显，我国正不断进行能源结构调整，以天然气为主的清洁燃气能源越来越受到重视与应用。而埋地燃气管道作为输送燃气的重要载体，不仅在我国经济发展中具有重要的战略地位，同时也是保障城市正常运行的生命线，对地区经济发展有着极其重要的意义。但是随着城市化进程的加快，城市埋地燃气管道受地铁等轨道交通线路的不良影响而导致异常泄漏事故频发，其运行的安全稳定性面临着一系列挑战。
上海市早期建设的埋地燃气管道以金属钢质为主且多为大口径，管网铺设范围广泛，在多处交通枢纽以及重要的地铁线附近分布较为集中。其中，位于上海市内一路段的一条直径为1m的埋地大口径燃气管道在杂散电流的作用下发生了严重的腐蚀穿孔泄漏，管道底部存在着大量的孔洞。按照管道建设时期的工程设计要求，该路段管道的正常使用寿命为30年，但是运行了20年就如此频繁的发生管道泄漏事故，且事故程度愈演愈烈，这严重影响了整个城市埋地燃气管网系统的安全稳定运行，给社会经济发展和人民群众的生命财产安全带来了重大的安全隐患。
城市埋地金属燃气管道泄漏失效的案例虽然在国内外已有报道，对杂散电流引起的管道腐蚀研究也正逐步深入，但是本发明方法所涉及到的新杂散电流复合腐蚀机理、特殊的杂散电流腐蚀形貌以及系统的综合判定方法在目前国内外都没有对其进行研究或报道过。该判定方法中所研究的新的复合腐蚀机理以及管道发生异常泄漏的根本原因对于未来城市埋地燃气管网的安全性检测和燃气管道的正常稳定运行有着重要意义。目前国内外尚没有系统的关于此类地铁线附近杂散电流引起埋地金属管道腐蚀综合失效分析判定方法，很难对管道的异常腐蚀泄漏进行准确分析。所以对其开展系统的表征分析，可以为快速、正确、有效地解决此类金属管道的过早失效提供重要的依据。研究成果不仅有利于其他工况条件下的埋地金属燃气管道的失效模式和机理的判定，而且对各类油气输送管线以及不同环境、口径、型号、材质的管道的失效分析都有着重要的参考意义和实际应用价值。
技术实现要素：
本发明针对背景技术中存在的问题，提出了一种可以快速、准确、有效地判断地铁线附近杂散电流引起埋地金属管道腐蚀的综合判定方法。
本发明提出的一种地铁线附近杂散电流引起埋地金属燃气管道腐蚀的综合判定方法，具体步骤如下：
（１）：背景概况整理与分析，通过对管道的地理位置、周围建筑设施、设计结构、运行工况和杂散电流分布情况进行整理与分析，确定管道发生腐蚀泄漏失效的背景概况；
（２）：检验与试验分析，通过利用设备和理化检验方法对管道进行外观检验与取样、材质检验、宏观形貌观察以及微区分析，得到分析测试结果；所述理化检验方法包括外观检查、形貌判别、切割取样、腐蚀产物化学成分分析试验、夹杂物分析试验、金相组织分析试验、显微硬度分析试验、力学性能分析试验、腐蚀产物成分分析试验、杂散电流检测分析试验、宏观形貌分析试验、三维体视显微镜分析试验、扫描电镜与能谱分析试验以及有限元模拟计算分析；
（３）：综合讨论分析判定，得出结论并给出具体的解决措施，具体为：结合步骤（１）的背景概况整理与分析和步骤（２）得到的各项分析测试结果，通过对腐蚀泄漏影响因素进行综合分析，讨论杂散电流引起管道腐蚀的作用机理以及造成的典型腐蚀形貌特征，并研究均匀腐蚀、局部腐蚀和杂散电流腐蚀间的相关关系，从而准确判定管道发生腐蚀泄漏失效的原因，给出具体的结论，并针对性的提出行之有效的解决措施。
本发明中，所述步骤（１）所述管道的地理位置包括管道准确的位置命名、设计图纸的工程编号、周围河流湖泊分布情况、地质情况和相对深度；所述管道的周围建筑设施包括管道周围的人为建筑的桥梁、隧道、楼宇和周围另行铺设管道的地上、地下建筑设施；所述管道的设计结构包括以管道工程设计图纸为参考的实际管道设计结构，所述管道的运行工况包括管道内部输送介质的种类成分和管道输送压力；所述管道的杂散电流分布情况包括以往杂散电流的测试情况和杂散电流对管道造成的腐蚀情况。
本发明中，步骤（２）中所述外观检查的具体实验步骤为：
（１）对管道的外防腐绝缘层进行观察检验；
（２）对管道的腐蚀物形貌进行观察检验；
（３）对管道的腐蚀发生位置进行观察检验；
（４）对管道的上、下位置进行观察检验。
本发明中，步骤（２）中所述形貌判别的具体实验步骤为：
（１）观察腐蚀凹坑、孔洞的外观形貌；
（２）观察腐蚀凹坑、孔洞的聚集形态与分布规律；
（３）与杂散电流腐蚀形貌进行对比，观察异同点；
（４）以管道圆周最上方为0°位置，管道圆周的最下方为180°位置，按照顺时针为正方向的方法对管道进行周向标记，即通过0°到360°周向分区命名；
（５）对腐蚀程度较为严重的区域进行重点划分和标记。
本发明中，步骤（２）中所述切割取样的具体实验步骤为：
（１）将失效管道按照腐蚀程度不同进行分区划分；
（２）在无明显的腐蚀凹坑和穿孔，腐蚀程度略轻，锈层分布均匀的区域内选取一处进行切割取样；
（３）将大量凹坑或穿孔存在且管壁发生严重腐蚀减薄的区域再进行细分标定并切割分区；
（４）将切割分区后的各个区域试样再根据典型的形貌特征进行切割；
（５）根据凹坑、穿孔的形貌和分布特点，每个部分切割成尺寸为30mm*30mm的几块正方形试样。
本发明中，步骤（２）中所述腐蚀产物化学成分分析试验的具体实验步骤为：
（１）收集管道内不同颜色和形貌特征的腐蚀产物；
（２）将腐蚀产物放在研钵中研磨成均匀的细小粉末；
（３）利用x-射线衍射分析仪和热重分析仪对其成分进行分析。
本发明中，步骤（２）中所述宏观形貌分析试验的具体实验步骤为：
（１）被挖掘出的泄漏管道经纵向切割分为上下两部分，分别对管道内外形貌进行观察；
（２）对局部腐蚀缺陷处利用数码相机进行具体观察；
（３）对腐蚀产物脱落处利用数码相机进行具体观察；
（４）对外防腐绝缘层的完整性进行观察检测；
（５）对管壁厚度进行宏观观测，并利用数码相机进行具体观察。
本发明中，步骤（２）中所述三维体视显微镜分析试验的具体实验步骤为：
（１）将切割好的失效管道试样分别在无水乙醇和丙酮中进行超声波清洗；
（２）调整三维体视显微镜的光圈、焦距、成像模式，在最小倍率下对试样表面形貌进行观察，观察试样表面的颜色、腐蚀凹坑和孔洞的分布情况，并测量试样壁厚；
（３）逐步放大倍率，对腐蚀凹坑区域进行形貌观察，利用3d建模的功能对部分凹坑或大景深区域进行观察，并测量深度、高度和宽度；
（４）逐步放大倍率，对腐蚀孔洞域进行形貌观察，利用3d建模的功能对部分孔洞或大景深区域进行观察，并测量深度、高度和宽度；
（５）逐步放大倍率，对表层腐蚀产物区域进行形貌观察，利用3d建模的功能对部分腐蚀产物或大景深区域进行颜色形貌观察，并总结归纳其特征；
（６）更换不同观察角度，在不同视角下对失效管道试样的形貌进行观察，对腐蚀凹坑、孔洞以及腐蚀产物区域进行重点观察分析，为后续扫描电子显微镜的观察提供参考。
本发明中，步骤（２）中所述的扫描电镜与能谱分析试验具体实验步骤为：
（１）将失效管道试样分别在无水乙醇和丙酮中进行超声波清洗；
（２）利用扫面电子显微镜在低倍率的观察视场下，分别对清洗后的各区域样品的形貌进行观察，分辨腐蚀凹坑、孔洞以及表面腐蚀产物特征区域的位置；
（３）按照宏观到微观的方式，逐步放大观察倍率，对腐蚀凹坑区域进行形貌观察，观察凹坑内部、外部的形貌特征，并结合能谱分析对特征点或面进行化学成分的测定，判定腐蚀产物元素的种类与含量并确定其来源；
（４）按照宏观到微观的方式，逐步放大观察倍率，对腐蚀孔洞区域进行形貌观察，观察腐蚀孔洞表面和边缘区域形貌特征，并结合能谱分析对特征点或面进行化学成分的测定，判定腐蚀产物元素的种类与含量并确定其来源；
（５）按照宏观到微观的方式，逐步放大观察倍率，对表面腐蚀产物区域进行形貌观察，观察腐蚀产物的形貌特征，并结合能谱分析对特征点或面进行化学成分的测定，判定腐蚀产物元素的种类与含量并确定其来源。
本发明中，步骤（２）中化学成分分析试验具体为：采用两种不同型号的直读光谱仪（oes）对管道材质进行化学成分分析，采用碳硫分析仪对测定材质中的c、s元素含量分别进行测定，测试结果取每次测量三组数据的平均值；
夹杂物分析试验具体为：通过纵向切割获取失效管道试样，抛光态下利用金相显微镜在100倍视场下观察夹杂物分布情况，并选取代表性区域，根据相关标准判定其种类和评级；
金相组织分析试验具体为：将失效管道纵向试样利用镶嵌料制成分析试样，经磨抛、腐蚀后在金相显微镜下观察试样的金相显微组织，并在不同的放大倍率下对不同视场的金相组织进行观察，根据相关标准判定其种类；
显微硬度试验具体为：将试样的横截面研磨抛光后利用镶嵌料制成分析试样，采用显微硬度计在试验载荷980.7mn（hv0.1)、保持时间为10秒的试验条件下，对试样进行显微硬度测试，并根据不同区域统计其维氏显微硬度分布情况；
力学性能试验具体为：将失效管道制成标准试样后，根据需要进行拉伸试验、压缩试验、冲击试验、扭转试验和疲劳试验；
杂散电流检测分析试验具体为：利用scm杂散电流测绘仪、cips管道密间距电位检测系统等对土壤电位梯度、管地电位、管道内电流流动情况、杂散电流变化情况进行检测。
本发明中，步骤（３）中所述综合讨论分析判定，具体为：
（３.１）管道失效影响因素，通过利用设备和理化检验方法对管道进行外观检验与取样、材质检验、宏观形貌观察以及微区分析确定管道腐蚀失效的来源，并通过分析管道材质、内部输送介质、外部环境等因素对管道失效影响因素进行综合讨论；
（３.２）失效模式与机理，通过外观检查、形貌判别、切割取样、化学成分分析试验、夹杂物分析试验、金相组织分析试验、显微硬度分析试验、力学性能分析试验、腐蚀产物成分分析试验、杂散电流检测分析试验、宏观形貌分析试验、三维体视显微镜分析试验、扫描电镜与能谱分析试验以及有限元模拟计算分析等对管道的腐蚀失效模式进行再次确认，并结合试验结果分析各腐蚀机理的相互作用与相互关系；
（３.３）结论与解决对策，通过理化检验方法表征结果和综合讨论分析，确定了管道发生过早失效的根本原因，给出相应的结论并对应的提出了如下行之有效的解决对策，为未来城市埋地金属燃气管道的防护和检测以及城市管网的安全稳定运行提供有效借鉴。
本发明的有益效果在于：
1、本方法综合利用了多种现代检验检测仪器和多种表征分析手段，发现了区别于常见杂散电流腐蚀的特殊复合腐蚀形貌和机理，可以准确判断出地铁线附近杂散电流引起埋地金属燃气管道腐蚀的失效机理。
2、本方法可以快速、有效地判定地铁线附近杂散电流引起埋地金属燃气管道腐蚀失效的原因，从而提出针对性的解决措施，为未来城市埋地金属燃气管道的防护和检测以及城市管网的安全稳定运行提供了有效的借鉴。
3、本方法对石油、化工、电力等其他工业的埋地金属管道的正确防护也具有实用参考价值，给国家经济发展带来极大的经济效益，给社会的安全稳定发展带来重要的保障。
附图说明
图1为管道位置结构示意图。其中，（a）管道位置示意图，（b）管道结构示意图，（c）现场情况，（d）工作井勘查情况。
图2为管道外观检查。其中，（a）外部防腐绝缘层，（b）底部区域腐蚀情况，（c）不同角度分区，（d）区域标定，（e）切割取样。
图3为材质检验。其中，（a）夹杂物分析，（b）金相组织分析，（c）显微硬度分析，（d）腐蚀产物成分分析。
图4为三维体视显微镜分析试验。其中，（a）表面形貌，（b）腐蚀凹坑，（c）背面形貌，（d）3d形貌，（e）彩色深度图，（f）厚度测量。
图5为扫描电镜与能谱分析试验。其中，（a）孔洞形貌，（b）上半部分微区分析，（c）下半部分微区分析。
图6为典型的失效管道试样外观形貌特征。其中（a）切割后方形试样外观形貌，（b）切割后部分管道典型外观形貌特征。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例１：具体步骤如下：
（一）背景概况整理与分析，包括对管道的地理位置、周围建筑设施、设计结构、运行工况、杂散电流分布情况等进行整理与分析，确定管道发生腐蚀泄漏失效的背景概况，主要内容包括：
①管道的地理位置包括管道准确的位置命名、设计图纸的工程编号、周围河流湖泊分布情况、地质情况、相对深度等。图1（a）所示为管道位置示意图，该段管道位于上海市闸北区共和新路路段下方，作为一条燃气输配管道，其主要作用是将燃气输送至调压站，然后经过调压后再供给到居民用户。管道于1996年5月正式运行，起初管道内的输送介质为水煤气，现在为天然气。从图中可以看出，共和新路与交通路和地铁3号线垂直相交，地铁3号线则与交通路平行，以高架轨道线路的形式架设于路面上方。失效管道位于共和新路下方，即图中的ab段，共和新路上方建设有南北高架路。图中ab段管道于地下横穿过交通路和地铁3号线，a点到b点管道地下穿越段的长度约为97.4m。
②管道的设计结构包括以管道工程设计图纸为参考的实际管道设计结构，如管道自身材质、走向设计、埋深设计、管配件结构设计、保护措施设计等。管道走向设计为“u”形下穿式的铺设方式，如图1(b)。管道横穿段距路面约为4.7m到4.8m，直径为1m，外部保护套管直径为2m。管道两端放置两个三角铁支墩来支撑管道。两个铁支墩直接与管道底部焊接固定，铁支墩直接固定接地，未采取任何的防腐绝缘措施。在管道南侧外保护套管外设置有三口水井，用来在对管道进行维修和检测时排出管道内部的积水。图1(c)中可以发现，管道位于路面下方，疾驰而过的地铁3号线从管道上方经过。图1(d)可以清晰的观察到管道弯曲处的形貌，铺设在地下的管道直接裸露在工作井内的积水当中。
③管道的运行工况包括管道内部输送介质的种类成分、管道输送压力等技术参数。管道型号为dn1000，口径为1000mm，厚度为10mm，管道钢牌号为20，运行压力0.5mpa，压力等级为中压b级。管道外部被“沥青—玻璃布”防腐绝缘层包裹，管道沿线有镁合金牺牲阳极保护等杂散电流保护措施等，设置标准为普通管线每隔1公里设置3组保护装置，在管道加强防护段每隔1公里设置4组保护装置。
（二）检验与试验分析，通过利用设备和理化检验方法对管道进行外观检验与取样、材质检验、宏观形貌观察以及微区分析，所述理化检验方法包括外观检查、形貌判别、切割取样、化学成分分析试验、夹杂物分析试验、金相组织分析试验、显微硬度分析试验、力学性能分析试验、腐蚀产物成分分析试验、杂散电流检测分析试验、宏观形貌分析试验、三维体视显微镜分析试验、扫描电镜与能谱分析试验以及有限元模拟计算分析等十四个试验项目，每个试验项目的具体内容为：
①外观检查，包括管道腐蚀形貌的基本观察、确定腐蚀起始位置、外防腐绝缘层完好性检查、腐蚀物形貌检查、区分管道为上半部分和下半部分，具体包括的实验步骤为：
（１）对管道的外防腐绝缘层进行观察检验；
（２）对管道的腐蚀物形貌进行观察检验；
（３）对管道的腐蚀发生位置进行观察检验；
（４）对管道上下位置进行观察检验。
图2(a)所示管道外部防腐绝缘层出现部分缺失损坏现象，并且表面存在皱折、气泡等质量问题，并且存在着大量的腐蚀穿孔。特别是在管道底部，集中出现了一连串的与杂散电流腐蚀形貌相似的圆形光滑孔洞。
②形貌判别，包括腐蚀形貌的规律分类、特征归纳、杂散电流腐蚀形貌对比、按不同角度进行周向命名、针对典型的腐蚀特征区域进行分区命名，具体包括的实验步骤为：
（１）观察腐蚀凹坑、孔洞的外观形貌；
（２）观察腐蚀凹坑、孔洞的聚集形态与分布规律；
（３）与杂散电流腐蚀形貌进行对比，观察异同点；
（４）以管道圆周最上方为0°位置，管道圆周的最下方为180°位置，按照顺时针为正方向的方法对管道进行周向标记，即通过0°到360°周向分区命名。
（５）对腐蚀程度较为严重的区域进行重点划分和标记。
图2(b)可以看出底部180°附近的区域腐蚀情况最为严重，孔状、蜂窝状的圆形腐蚀凹坑分布密集，并且该位置附近存在较多的腐蚀穿孔。并且通过观察可以发展凹坑、孔洞等在内表面直径较大，随着深度的增加直径减小，因此可以判断是从管道内表面形成，向外表面逐渐延伸。为了便于对管道各区域进行综合比较分析，将管道按不同角度进行命名。如图2(c)所示，以管道圆周最上方为0°位置，管道圆周的最下方为180°位置(，按照顺时针为正方向的方法对管道进行周向标记。上半部分对应的顺时针方向为270°-0°-90°区域，下半部分对应的顺时针方向为90°-180°-270°区域。
③切割取样，包括根据标定的不同区域进行切割取样，命名为1-6号，各区域再分别进行切割，取正方形试样，具体包括的实验步骤为：
（１）将失效管道按照腐蚀程度不同进行分区划分；
（２）在无明显的腐蚀凹坑和穿孔，腐蚀程度略轻，锈层分布均匀的区域内选取一处进行切割取样；
（３）将大量凹坑或穿孔存在且管壁发生严重腐蚀减薄区域再进行细分标定并切割分区；
（４）将切割分区后的各个区域试样再根据典型的形貌特征进行切割；
（５）根据凹坑、穿孔的形貌和分布特点，每个部分取1-3块切割成尺寸约为30mm*30mm的正方形试样。
分别在0°、90°和150°-210°三个区域进行切割取样。由于在0°和90°区域内无明显的腐蚀凹坑和穿孔，腐蚀程度略轻，锈层分布均匀，因此在该区域内各选取一处进行切割取样。如图2(d)所示，将150°-210°区域切割下来的试样再次按照凹坑和穿孔的分布情况分为六个区域进行切割。接下来从切割下来的六个部分以及0°和90°试样中，根据凹坑、穿孔的形貌和分布特点，每个部分取1-3块切割成尺寸约为30mm*30mm的正方形试样，如图2(e)。
④化学成分分析试验，采用两种不同型号的直读光谱仪（oes）对管道材质进行化学成分分析，采用碳硫分析仪对测定材质中的c、s元素含量分别进行测定，测试结果取每次测量三组数据的平均值。根据gb/t699-1999《中华人民共和国国家标准优质碳素结构钢》进行成分比对，确认该管道钢对应的牌号。
⑤夹杂物分析试验，通过纵向切割获取失效管道试样，抛光态下利用金相显微镜在100倍视场下观察夹杂物分布情况，并选取代表性区域，根据相关标准判定其种类和评级。利用金相显微镜对试样进行观察，如图3(a)所示，试样中所含有夹杂物的数量极其微少。根据gb/t10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》，对夹杂物的种类和数量进行评定，最终确定为b类夹杂物，级别小于0.5级。
⑥金相组织分析试验，将失效管道纵向试样利用镶嵌料制成分析试样，经磨抛、腐蚀后在金相显微镜下观察试样的金相显微组织，并在不同的放大倍率下对不同视场的金相组织进行观察，根据相关标准判定其种类。如图3(b)所示，在放大500倍的观察条件下，可以清晰的看到块状和片状的晶粒。其中白色晶粒细小而均匀为铁素体，晶界处的黑色块状组织为片状珠光体，分布较为均匀。通过查阅《金属材料金相图谱》并结合对失效管道试样金相显微组织的观察，可以得知失效管道材质的金相显微组织正常，符合20号低碳碳素钢的热处理工艺，有着较好的塑韧性。
⑦显微硬度试验，将试样的横截面研磨抛光后利用镶嵌料制成分析试样，采用显微硬度计在试验载荷980.7mn（hv0.1)、保持时间为10秒的试验条件下，对试样进行显微硬度测试，并根据不同区域统计其维氏显微硬度分布情况。如图3(c)所示，根据gb/t699-1999《中华人民共和国国家标准优质碳素结构钢》，20号钢的维氏硬度应不大于165mpa。通过测量结果可以发现，失效管道所采用钢的材质的硬度平均值为144mpa，符合国家标准。
⑧力学性能试验，将失效管道制成标准试样后，根据需要进行拉伸试验、压缩试验、冲击试验、扭转试验和疲劳试验。
⑨腐蚀产物成分分析试验，对不同位置不同颜色的腐蚀产物进行x-射线衍射分析(xrd)以及热重分析(tga)，分析不同腐蚀产物的物相结构和主要化学成分组成，具体包括的实验步骤为：
（１）收集管道内不同颜色和形貌特征的腐蚀产物；
（２）将腐蚀产物放在研钵中研磨成均匀的细小粉末；
（３）利用x-射线衍射分析仪和热重分析仪对其成分进行分析。
管壁表面的腐蚀产物主要有黄色、黄褐色、黑褐色三种不同的颜色，如图3(d)所示。为了查明不同颜色以及不同位置的腐蚀产物的物相结构与化学组成的差别，我们分别针对三种不同颜色的腐蚀产物分别进行取样，并进行x-射线衍射分析(xrd)以及热重分析(tga)，分析结果表明表面腐蚀物的成分主要为铁的硫酸盐，证明管道内部含有较多的硫元素，且含量超标严重；并且水合物组成较多，与管道内部存在积水的情况相匹配。
⑩杂散电流检测分析试验，利用scm杂散电流测绘仪、cips管道密间距电位检测系统等对土壤电位梯度、管地电位、管道内电流流动情况、杂散电流变化情况进行检测。
⑪宏观形貌分析试验，通过肉眼观察和相机拍摄观察，对失效管道进行宏观形貌分析，并分别切割后的不同区域的试样进行形貌观察分析，具体包括的实验步骤为：
（１）被挖掘出的泄漏管道经纵向切割分为上下两部分，分别对管道内外形貌进行观察；
（２）对局部腐蚀缺陷处利用数码相机进行具体观察；
（３）对腐蚀产物脱落处利用数码相机进行具体观察；
（４）对外防腐绝缘层的完整性进行观察检测；
（５）对管壁厚度进行宏观观测，并利用数码相机进行具体观察。
（１）将切割好的失效管道试样分别在无水乙醇和丙酮中进行超声波清洗；
（２）调整三维体视显微镜的光圈、焦距、成像模式，在最小倍率下对试样表面形貌进行观察，观察试样表面的颜色、腐蚀凹坑、孔洞的分布情况等，并测量试样壁厚；
（３）逐步放大倍率，对腐蚀凹坑区域进行形貌观察，利用3d建模的功能对部分凹坑或大景深区域进行观察，并测量深度、高度和宽度；
（４）逐步放大倍率，对腐蚀孔洞域进行形貌观察，利用3d建模的功能对部分孔洞或大景深区域进行观察，并测量深度、高度和宽度；
（５）逐步放大倍率，对表层腐蚀产物区域进行形貌观察，利用3d建模的功能对部分腐蚀产物或大景深区域进行颜色形貌观察，并总结归纳其特征；
（６）更换不同观察角度，在不同视角下对失效管道试样的形貌进行观察，对腐蚀凹坑、孔洞以及腐蚀产物区域进行重点观察分析，为后续扫描电子显微镜的观察提供参考。
图4(a)为0°试样的外观形貌，可以看出试样表面被一层锈层以及腐蚀产物覆盖，呈现黄褐色，表面较为粗糙，附着有很多翘起的腐蚀产物等。并且表面腐蚀产物颜色深浅不一，有黑褐色物质附着在其表面，为焦油与腐蚀物结合的产物。放大观察，如图4(b)所示，可以看到纤维状杂质以及开裂腐蚀层。对背面进行观察发现，由于涂布了环氧沥青漆，呈现出灰黑色，表面较为平整，无严重腐蚀痕迹，如图4(c)所示。对试样内表面其他部位继续进行局部放大观察，发现一个内部较为光滑的微小凹坑，如图4(d)所示，凹坑周围分布着黄色和深褐色的腐蚀产物。凹坑的深度可以用颜色来表示，图4(e)中，蓝色越深则证明凹坑的深度越深。将试样侧面向上竖起放置，对管壁厚度进行测量和观察，如图4(f)，分别选取5个位置进行测量，结果取平均值。同样的，对其他各试样分别进行三维体视显微镜分析试验。
（１）将失效管道试样分别在无水乙醇和丙酮中进行超声波清洗；
（２）利用扫面电子显微镜在低倍率的观察视场下，分别对清洗后的各区域样品的形貌进行观察，分辨腐蚀凹坑、孔洞以及表面腐蚀产物等特征区域的位置；
（３）按照宏观到微观的方式，逐步放大观察倍率，对腐蚀凹坑区域进行形貌观察，观察凹坑内部、外部的形貌特征，并结合能谱分析对特征点或面进行化学成分的测定，判定腐蚀产物元素的种类与含量并确定其来源；
（４）按照宏观到微观的方式，逐步放大观察倍率，对腐蚀孔洞区域进行形貌观察，观察腐蚀孔洞表面和边缘等区域形貌特征，并结合能谱分析对特征点或面进行化学成分的测定，判定腐蚀产物元素的种类与含量并确定其来源；
（５）按照宏观到微观的方式，逐步放大观察倍率，对表面腐蚀产物区域进行形貌观察，观察腐蚀产物的形貌特征，并结合能谱分析对特征点或面进行化学成分的测定，判定腐蚀产物元素的种类与含量并确定其来源。
首先对试样进行清洗，然后采用扫描电镜(sem)和能谱分析(eds)对试样进行观察和分析。图5(a)为某一试样中间的孔洞，孔洞四周的边缘比较清晰，周围附着有一些颜色较亮的颗粒状物质。然后按照上下两个半圆的顺序进行观察分析，首先对上半部分进行微区分析，如图5(b)所示。深色微区1的成分主要为fe、o、c、s，其中s含量高达到了1.96%，证明s元素是导致管道发生严重腐蚀穿孔的重要原因；凸起状微区2的成分组成与1相同，但c、o比例偏高，同样有s的存在；微区3和颗粒状微区4中也都检测到了s元素。在如此多的选区内检测到s，足以说明s在管道发生腐蚀作用的过程中以及凹坑、孔洞形成的过程中产生了重要影响。接下来对下半部分进行观察和eds分析，如图5(c)所示。颗粒状微区5含有较高含量的s元素；微区6和7中除了普遍存在的fe、o、c、s外，还有较高含量的cl元素，部分区域含量甚至超过了s元素；深色微区8中仅仅检测到了较高含量的s元素，未发现cl元素；微区9中有极其微量的cl元素，这也与在微区6、7两个地方均检测出较高含量的cl元素是相匹配的。类似地，对其他各试样分别进行扫描电镜与能谱分析试验。
（三）综合讨论分析判定，得出结论并给出具体的解决措施，结合步骤一的背景概况信息和步骤二的各项分析测试结果，通过对各影响因素进行综合分析，讨论杂散电流引起管道腐蚀的作用机理以及造成的典型腐蚀形貌特征，并梳理均匀腐蚀、局部腐蚀、杂散电流腐蚀等各种腐蚀机理间的相关关系，从而准确判定管道发生腐蚀泄漏失效的原因，给出具体的结论，并针对性的提出行之有效的解决措施，主要内容包括：
①管道失效影响因素，通过利用设备和理化检验方法对管道进行外观检验与取样、材质检验、宏观形貌观察以及微区分析确定管道腐蚀失效的来源，并通过分析管道材质、内部输送介质、外部环境等因素对管道失效影响因素进行综合讨论。
②失效模式与机理，通过外观检查、形貌判别、切割取样、化学成分分析试验、夹杂物分析试验、金相组织分析试验、显微硬度分析试验、力学性能分析试验、腐蚀产物成分分析试验、杂散电流检测分析试验、宏观形貌分析试验、三维体视显微镜分析试验、扫描电镜与能谱分析试验以及有限元模拟计算分析等对管道的腐蚀失效模式进行再次确认，并结合试验结果分析各腐蚀机理的相互作用与相互关系。
通过一系列宏观形貌观察和微观分析，可以判定管道的失效模式为腐蚀失效模式。但是在此腐蚀模式下，管道的失效是在杂散电流腐蚀为主结合均匀腐蚀、局部腐蚀等腐蚀机理的综合作用下发生的，是多种机理交互作用下的复合腐蚀。因此，从杂散电流腐蚀机理的角度来看，管道内壁表面堆积的杂质积水层等同于腐蚀反应所需的电解质，因此在该界面既存在杂散电流腐蚀的阳极区，又存在杂散电流腐蚀的阴极区，内壁表面在杂散电流的作用下会迅速产生腐蚀凹坑、穿孔的现象，如图6。从局部腐蚀的角度来看，杂散电流充当了外加电流的角色，杂质积水层与管道内壁界面上的fe相当于电解池的阳极，电流对fe的溶解作用一方面直接促进了局部腐蚀的阳极反应，另外一方面又起到提供电子的作用，加速了阴极反应。因此，发生在此失效管道上杂散电流腐蚀的反应机理在本质上与一般的外壁杂散电流腐蚀是相一致的，但是由于管道内部环境的特殊性，以及在与局部腐蚀的交互作用下，在管道底部发生特殊的内壁杂散电流腐蚀现象。
③结论与解决对策，通过一系列表征结果和综合讨论分析，确定了管道发生过早失效的根本原因，给出相应的结论并对应的提出了如下行之有效的解决对策，为未来城市埋地金属燃气管道的防护和检测以及城市管网的安全稳定运行提供有效借鉴。
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