燃?xì)怃撡|(zhì)管道犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)實(shí)踐

摘 要

摘要：總結(jié)了犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等方面的主要關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇、絕緣接頭測(cè)試樁及絕緣性能測(cè)試、套管內(nèi)鋼管的陰極保護(hù)、
摘要：總結(jié)了犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等方面的主要關(guān)鍵技術(shù)。對(duì)犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇、絕緣接頭測(cè)試樁及絕緣性能測(cè)試、套管內(nèi)鋼管的陰極保護(hù)、雜散電流的干擾及防護(hù)、極化探頭的應(yīng)用和防腐層缺陷點(diǎn)的檢測(cè)及維修策略等進(jìn)行了探討。
關(guān)鍵詞：埋地鋼管；犧牲陽(yáng)極；陰極保護(hù)；極化探頭
Sacrificial Anode Cathodic Protection Practice of Gas Steel Pipeline
LI Fan，MA0 Bin-hui
Abstract：Some key technologies involved in the design，construction and operation of sacrificial anode cathodic protection system are summarized. A discussion is made on the selection of design parameters of the system，the construction of detective pole of insulating joint and the testing of insulation performance，the cathodic protection of steel pipe in sleeve，the interference and protection of stray current，the application of polarized probe，the detection and maintenance of anticorrosive coating defect.
Key words：buried steel pipe；sacrificial anode；cathodic protection；polarized probe
   實(shí)踐證明，防腐層和陰極保護(hù)結(jié)合使用是控制燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道腐蝕的有效方法[1]。犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)以其安裝方便、經(jīng)濟(jì)有效、對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的雜散電流污染少、不干擾鄰近地下金屬構(gòu)筑物等許多優(yōu)點(diǎn)在城市燃?xì)忸I(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。犧牲陽(yáng)極除了具有管道防腐蝕作用，也用于燃?xì)怃摴芘帕?、防雷擊接地等方面。本文就燃?xì)怃撡|(zhì)管道犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等方面進(jìn)行探討。
1 犧牲陽(yáng)極系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)選擇
    燃?xì)怃撡|(zhì)管道犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)工程應(yīng)按照《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》GB/T 21448進(jìn)行工藝設(shè)計(jì)[2]，工藝設(shè)計(jì)各參數(shù)除根據(jù)管道實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算外(如土壤電阻率等)，其他設(shè)計(jì)參數(shù)選擇如下。
1.1 最小保護(hù)電流密度
    影響陰極保護(hù)電流密度的因素很多，主要有防腐層類別及質(zhì)量(防腐層絕緣電阻率)、土壤環(huán)境條件(如介質(zhì)狀態(tài)、pH值、含鹽量及種類、含氧量、微生物活動(dòng)等)和被保護(hù)金屬種類等。對(duì)不同類型的防腐層和土壤介質(zhì)，犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)電流密度在實(shí)踐中差別較大，并且對(duì)犧牲陽(yáng)極用量影響較大。
   對(duì)于新建燃?xì)夤艿?，基本采?PE防腐層，其防腐絕緣性能良好，保護(hù)電流密度可取0.03～0.05mA/m2。對(duì)于在役燃?xì)夤艿?，在追加犧牲?yáng)極陰極保護(hù)時(shí)，可根據(jù)實(shí)測(cè)防腐層面電阻率選取最小保護(hù)電流密度，見(jiàn)表1[3]。
表1 防腐層面電阻率與所需最小電流密度
序號(hào)
防腐層面電阻率
/(Ω·m2)
所需最小電流密度
/(mA·m-2)
1
30000
0.01
2
10000
0.03
3
3000
0.10
4
1000
0.30
5
300
1.00
1.2 犧牲陽(yáng)極組間距
   如果犧牲陽(yáng)極組間距過(guò)大，則在兩陽(yáng)極組中間的管道的保護(hù)電位就會(huì)較高，可能達(dá)不到保護(hù)電位的最高值(-0.85V)，所以要根據(jù)管道實(shí)際情況，合理確定各犧牲陽(yáng)極組之間的間距。犧牲陽(yáng)極組間距選?。撼鞘腥?xì)夤艿罏?00～500m，輸氣管道約為1000m，然后再由公式計(jì)算每組犧牲陽(yáng)極用量。
1.3 犧牲陽(yáng)極規(guī)格選擇
   鎂合金犧牲陽(yáng)極規(guī)格的選擇見(jiàn)表2，主要依據(jù)管道沿線實(shí)測(cè)土壤電阻率[4]。當(dāng)土壤電阻率＜15Ω·m時(shí)，建議選用鋅合金犧牲陽(yáng)極；當(dāng)土壤電阻率＞100Ω·m時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)措施，例如：管溝內(nèi)局部換土以改善土壤導(dǎo)電性，或采用柔性犧牲陽(yáng)極等。
表2 鎂合金犧牲陽(yáng)極規(guī)格的選擇
土壤電阻率
/(n·m)
＜15
15～20
20～30
30～40
40～60
60～100
鎂合金犧牲陽(yáng)極規(guī)格/kg
22
14、22
11、14
8、11
8
4、8
注：1.此表僅供計(jì)算時(shí)參考，也可選取其他規(guī)格；
2.鎂合金犧牲陽(yáng)極規(guī)格的選擇還應(yīng)符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)壽命要求；
3.鎂合金犧牲陽(yáng)極規(guī)格的選擇還與每組陽(yáng)極的數(shù)量及犧牲陽(yáng)極組間距有關(guān)。
1.4 犧牲陽(yáng)極使用壽命
犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證犧牲陽(yáng)極的使用壽命與受保護(hù)管道的壽命一致。可通過(guò)下式計(jì)算犧牲陽(yáng)極的使用壽命：
 
式中tg——犧牲陽(yáng)極使用壽命，a，一般取tg≥25a
    mg——單支犧牲陽(yáng)極凈質(zhì)量，kg
    ωg——陽(yáng)極消耗率，kg/(A·a)，鎂合金犧牲
          陽(yáng)極取7.92kg/(A·a)，鋅合金犧牲
          陽(yáng)極取17.25kg/(A·a)
    Ig0——單支犧牲陽(yáng)極輸出電流，A
2 絕緣接頭測(cè)試樁及絕緣性能測(cè)試
   絕緣接頭是對(duì)陰極保護(hù)管道與非保護(hù)管道進(jìn)行電絕緣的部件，絕緣接頭絕緣性能對(duì)燃?xì)夤艿狸帢O保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行有較大影響，可以說(shuō)，沒(méi)有絕緣就沒(méi)有陰極保護(hù)。為保證絕緣接頭絕緣性能良好，絕緣接頭產(chǎn)品檢驗(yàn)及陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的定期檢查都需要對(duì)絕緣接頭的絕緣性能進(jìn)行測(cè)試。
2.1 絕緣接頭測(cè)試樁
    為防止絕緣接頭被強(qiáng)電流涌擊穿而失效，在絕緣接頭測(cè)試樁處應(yīng)安裝鋅接地電池，鋅接地電池是用來(lái)提供一個(gè)低電阻通道，排放強(qiáng)電流涌但不泄漏陰極保護(hù)直流電流的一種裝置，見(jiàn)圖1。它是由2支或4支鋅棒用絕緣墊塊隔開(kāi)，并用膠帶綁在一起，共同填裝在導(dǎo)電的填料包內(nèi)，填料包的配方(質(zhì)量比例)為75%石膏粉、20%膨潤(rùn)土、5%硫酸鈉。應(yīng)用時(shí)，將與鋼芯連接的電纜引線分別接到絕緣接頭的兩側(cè)，為絕緣接頭提供一個(gè)低電壓旁接回路，連接電纜多選用VV-1kV/1×16mm2的銅芯電纜。
 

2.2 絕緣接頭性能測(cè)試
    未使用的絕緣接頭性能測(cè)試可采用兆歐表法進(jìn)行[5]，以測(cè)量未安裝到管道上的絕緣接頭的絕緣電阻值，測(cè)量?jī)x器選用500V、500Mn(相對(duì)誤差不大于±10%)的兆歐表。當(dāng)絕緣接頭兩側(cè)的絕緣電阻≥10MΩ時(shí)，可認(rèn)為其絕緣性能良好。
    在役絕緣接頭性能測(cè)試采用電位法進(jìn)行，電位法測(cè)量接線見(jiàn)圖2。若絕緣接頭位置處設(shè)置接地電池，在測(cè)量前24h應(yīng)斷開(kāi)接地電池連接線。有時(shí)為了防止絕緣接頭兩端的電壓差過(guò)大，在非保護(hù)端也會(huì)設(shè)置一處犧牲陽(yáng)極，在測(cè)量前24h應(yīng)將其斷開(kāi)。
 

在絕緣接頭性能良好的情況下，點(diǎn)b處電位Vb在數(shù)值上和管道陰極保護(hù)電位相近(-850～-1200mV)，點(diǎn)a處電位Va在數(shù)值上與管道自然電位相近。根據(jù)測(cè)量結(jié)果，若Vb明顯地比Va更小(電位差的絕對(duì)值為200～500mV)，則認(rèn)為絕緣接頭的絕緣性能良好。如果電位差的絕對(duì)值小于200mV，則應(yīng)該使用其他檢測(cè)方法進(jìn)一步測(cè)量怕-，以確定絕緣接頭是否失效。
3 套管內(nèi)鋼管陰極保護(hù)
    套管對(duì)燃?xì)怃摴艿挠绊懹?個(gè)方面：一是，由于有些套管對(duì)陰極保護(hù)電流具有屏蔽作用，使陰極保護(hù)電流不能對(duì)套管內(nèi)的鋼管起到保護(hù)作用，使其成為管道陰極防護(hù)的薄弱環(huán)節(jié)；二是，由于套管與燃?xì)怃摴艿牟痪鶆虺两?，套管易搭接在燃?xì)怃摴苌隙斐申帢O保護(hù)電流的大量流失。
    為了防止套管對(duì)陰極保護(hù)電流的屏蔽，對(duì)于新建埋地管道，應(yīng)盡量避免使用套管，可以通過(guò)加大壁厚及增加埋深來(lái)代替套管穿越方案[6]。在不可避免使用套管時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮使用水泥套管，其次考慮鋼質(zhì)套管。鋼質(zhì)套管要做外壁防腐，防止因套管腐蝕而使環(huán)形空間滲入地下水或腐蝕性介質(zhì)。
    考慮到帶外防腐層的鋼質(zhì)套管的屏蔽作用，可以在套管內(nèi)設(shè)置局部陰極保護(hù)以解決套管屏蔽的問(wèn)題[7]。套管內(nèi)的鋼質(zhì)燃?xì)夤艿揽刹捎脦顮奚?yáng)極。帶狀犧牲陽(yáng)極具有一定的柔性，可以緊緊纏繞在管道之外，位于套管之內(nèi)，陽(yáng)極電纜可以直接焊接在燃?xì)夤艿赖耐獗谏?，帶狀犧牲?yáng)極示意圖見(jiàn)圖3。
 
    套管內(nèi)帶狀犧牲陽(yáng)極的用量可根據(jù)保護(hù)面積進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算得出所需陽(yáng)極的質(zhì)量。當(dāng)燃?xì)夤艿劳鈴?le;219mm時(shí)，鎂陽(yáng)極帶沿管道外壁等距且與管道軸向成30°角纏繞；當(dāng)燃?xì)夤艿劳鈴綖?19～377mm時(shí)，沿管道外壁等距且與管道軸向成45°角纏繞；當(dāng)燃?xì)夤艿劳鈴?ge;377mm時(shí)，沿管道外壁等距且與管道軸向成60°角纏繞。
    在帶狀犧牲陽(yáng)極施工完成之后，套管兩端應(yīng)采用柔性的防腐、防水材料密封，套管內(nèi)使用木質(zhì)擋板固定，然后用瀝青油麻密封。也可根據(jù)實(shí)際情況使用其他密封材料，但要保證具有良好的密封性能。
    由于路面不均勻沉降等問(wèn)題，套管可能會(huì)下沉，壓破燃?xì)夤艿婪栏瘜优c其搭接，這樣管道就會(huì)消耗一部分陰極保護(hù)電流?？梢栽谔坠芤欢硕嗦裨O(shè)一組犧牲陽(yáng)極或者將埋設(shè)在附近的陽(yáng)極組改埋在套管一端，以便提供上述情況時(shí)套管的電流消耗。
4 雜散電流干擾及保護(hù)
    雜散電流對(duì)燃?xì)夤艿罆?huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈腐蝕作用。雜散電流主要表現(xiàn)為直流電流、交流電流狀態(tài)。直流雜散電流主要來(lái)源于工廠中的直流電解設(shè)備、電焊機(jī)、直流輸電線路以及城市地鐵、電氣化鐵路車輛直流供電牽引系統(tǒng)等，它們是造成燃?xì)夤艿离s散電流腐蝕的主要原因[8]。交流雜散電流主要來(lái)源于交流電氣化鐵路、輸配電線路系統(tǒng)，通過(guò)阻性、感性和容性耦合在相鄰的燃?xì)夤艿乐挟a(chǎn)生交流雜散電流，但交流雜散電流對(duì)管道腐蝕較輕微，一般為直流腐蝕量的1%。雜散電流干擾程度指標(biāo)[9]見(jiàn)表3。
表3 雜散電流干擾程度指標(biāo)
指標(biāo)
級(jí)別
弱
中
強(qiáng)
土壤電位梯度/(mV·m-1)
＜0.5
0.5～5.0
＞5.0
管地電位正向偏移/mV
＜20
20～100
＞100
    當(dāng)管道附近土壤電位梯度大于0.5mV/m或管道任意點(diǎn)的管地電位較自然電位正向偏移大于20mV時(shí)，可確認(rèn)管道受到雜散電流干擾；當(dāng)管道附近土壤電位梯度大于2.5mV/m或管道任意點(diǎn)的管地電位較自然電位正向偏移大于100mV時(shí)，應(yīng)采取排流保護(hù)或其他防護(hù)措施[9]。
   如果管道上存在較大雜散電流干擾，可通過(guò)雜散電流檢測(cè)儀器，檢測(cè)出雜散電流的流入、流出點(diǎn)，再進(jìn)一步采取排流措施。
   ① 直接排流：管地電位偏移穩(wěn)定在正方向時(shí)，可采用直接排流的保護(hù)措施。通過(guò)導(dǎo)線將管道和干擾源側(cè)的負(fù)極直接連通，使管道中的干擾電流引入干擾源的負(fù)極。此法適用于變電所附近，簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)、效果好，但范圍有限。
   ② 強(qiáng)制排流：強(qiáng)制排流主要用于管地電位正、負(fù)極性交變，電位差小，且環(huán)境腐蝕較強(qiáng)的情況下使用。通過(guò)強(qiáng)制排流器將管道和軌道連通，雜散電流通過(guò)強(qiáng)制排流器的整流環(huán)排放到軌道上，當(dāng)無(wú)雜散電流時(shí)，強(qiáng)制排流器給管道提供陰極保護(hù)電流，使管道處于陰極保護(hù)狀態(tài)。此法保護(hù)范圍大，地鐵停運(yùn)時(shí)可對(duì)管道提供陰極保護(hù)，但對(duì)軌道電位分布有影響。
5 極化探頭的應(yīng)用
   陰極保護(hù)電位的測(cè)量由于受到土壤介質(zhì)中IR降(電流流動(dòng)在參比電極與金屬管道之間電解質(zhì)上產(chǎn)生的電壓降)的影響，用普通的Cu/飽和CuSO4參比電極無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)際保護(hù)電位，影響到對(duì)管道是否處于充分保護(hù)狀態(tài)的判斷。而極化探頭是通過(guò)對(duì)Cu/飽和CuSO4參比電極的改造，從而能消除土壤介質(zhì)中90%左右的IR降，測(cè)量出管道的真實(shí)保護(hù)電位。
5.1 極化探頭的基本原理及構(gòu)造
   消除IR降對(duì)陰極保護(hù)電位測(cè)量結(jié)果的影響，有兩條路線可以實(shí)現(xiàn)，其中一條為盡量減小測(cè)量參比電極與被測(cè)量對(duì)象之間的阻抗。極化探頭消除IR降的基本原理就是盡量減4,N量參比電極與被測(cè)量對(duì)象之間的阻抗，從而達(dá)到減小IR降對(duì)陰極保護(hù)電位測(cè)量結(jié)果影響的目的[10]。
   極化探頭由測(cè)試試片(自然腐蝕試片和極化試片)、參比電極和電解質(zhì)組成，其基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。極化試片用和管道相同的材質(zhì)制成，并用導(dǎo)線與管道相連，外部用絕緣體隔離，只留一個(gè)多孔塞子(滲透膜)作為測(cè)量通路，這樣的結(jié)構(gòu)可使參比電極和燃?xì)夤艿乐g的電阻壓降最小，直接測(cè)量無(wú)IR降電位，而不必?cái)嚅_(kāi)管道保護(hù)電流或間歇中斷與管道連接的電纜。只有將電位測(cè)試探頭處于與管道相同的土壤中，電位測(cè)試探頭才有效。
 

5.2 極化探頭的安裝與測(cè)試
    當(dāng)把極化探頭作為監(jiān)測(cè)電極長(zhǎng)期埋入地下時(shí)，首先要把極化探頭裝入犧牲陽(yáng)極用的填料包內(nèi)再埋入土壤中，并對(duì)極化探頭周圍的土壤澆水潤(rùn)濕。在圖4中，1號(hào)線連接參比電極；2號(hào)線連接自然腐蝕試片，連接到檢測(cè)樁上用來(lái)測(cè)量自然電位；3號(hào)線連接到極化試片，并通過(guò)檢測(cè)樁連接到被測(cè)體(燃?xì)夤艿?用來(lái)測(cè)量極化電位，極化試片最好為與被測(cè)鋼管同材質(zhì)的鋼片，也可采用普通A3鋼片。
    極化探頭連接導(dǎo)線與極化探頭本體連接處應(yīng)進(jìn)行密封。極化探頭應(yīng)置于棉布袋中，棉布袋中裝滿填料，并保證填料的最小厚度不小于200mm。
    在進(jìn)行陰極保護(hù)電位測(cè)量時(shí)，將萬(wàn)用表連接在1號(hào)線和2號(hào)線之間時(shí)，萬(wàn)用表的讀數(shù)即為管道的自然電位；將萬(wàn)用表連接在1號(hào)線和3號(hào)線之間時(shí)，萬(wàn)用表的讀數(shù)即為消除IR降的真實(shí)的陰極保護(hù)電位。
6 管道防腐層缺陷點(diǎn)檢測(cè)及維修
    燃?xì)夤艿涝谙聹细餐潦┕み^(guò)程中，土壤中的石塊等都會(huì)造成管道防腐層的破損，這些防腐層破損點(diǎn)將成為陰極保護(hù)電流的流失點(diǎn)，將加快犧牲陽(yáng)極的消耗速度，使?fàn)奚?yáng)極失效而使管道處于欠保護(hù)狀態(tài)。因此，有必要對(duì)竣工的燃?xì)夤艿肋M(jìn)行防腐層缺陷點(diǎn)檢測(cè)及維修，以保證陰極保護(hù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
    管道防腐層破損點(diǎn)檢測(cè)定位[11]常用的間接檢測(cè)方法有管內(nèi)交流電流衰減法(PCM法)、直流電位梯度法(DCVG法)和皮爾遜法(Pearson法)。防腐層破損點(diǎn)定位誤差±0.2m。防腐層缺陷點(diǎn)的分類標(biāo)準(zhǔn)如下。
    ① 一類破損點(diǎn)：防腐層破損嚴(yán)重或破損面積較大，已經(jīng)失去防腐作用，相當(dāng)于管道裸露在土壤中。這類破損點(diǎn)處的管道已經(jīng)或正在發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，無(wú)論此管道有無(wú)陰極保護(hù)，都必須立即對(duì)破損的防腐層進(jìn)行修復(fù)。
    ② 二類破損點(diǎn)：防腐層很差，破損點(diǎn)處的防腐層還存在但是已失去防腐作用，防腐層與管道之間已發(fā)生嚴(yán)重剝離，有些點(diǎn)已發(fā)生不同程度的腐蝕。這類破損點(diǎn)需要在1～2年內(nèi)進(jìn)行有計(jì)劃性的修復(fù)。
    ③ 三類破損點(diǎn)：防腐層存在縫隙或滲水現(xiàn)象，防腐層與管道之間存在輕度剝離，防腐層絕緣電阻率很小，漏電嚴(yán)重，或防腐層很薄。裸露后用肉眼觀察不出露鐵點(diǎn)，用電火花儀檢測(cè)時(shí)有火花產(chǎn)生。這類破損點(diǎn)在陰極保護(hù)電位＜-850 mV(Cu/飽和CuSO4參比電極測(cè)試值，消除IR降)時(shí)，可以不用修復(fù)，只要監(jiān)控即可。
參考文獻(xiàn)：
[1] CJJ 95—2003，城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程[S].
[2] GB/T 21448—2008，埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范[S].
[3] 胡士信，廖宇平，王懷冰.管道防腐層設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.
[4] GB/T 17731—2004，鎂合金犧牲陽(yáng)極[S].
[5] GB/T 21246—2007，埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法[S].
[6] SY/T 0325—2001，鋼質(zhì)管道穿越鐵路和公路推薦作法[S].
[7] 樸貞花，袁賡，童高田.埋地套管中鋼質(zhì)燃?xì)夤艿赖母g與防護(hù)[J].煤氣與熱力，2005，25(5)：21-24.
[8] 曹阿林，朱慶軍，侯保榮.油氣管道的雜散電流腐蝕與防護(hù)[J].煤氣與熱力，2009，29(3)：B06-B10.
[9] GB/T 21447—2008，鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范[S].
[10] 楊義軍，李文玉，王芷芳，等.極化探頭在埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)的應(yīng)用[J].煤氣與熱力，2010，30(4)：A24-A27.
[11] ANSI/NACE Standard RP 0502-2002，Pipeline External Corrosion Direct Assessment Methodology[S].
 
(本文作者：李帆1 茅斌輝1、2 1.港華投資有限公司 廣東深圳 518026；2.重慶大學(xué) 城市建設(shè)與環(huán)境工程學(xué)院 重慶 400045)