燃氣鋼質管道犧牲陽極陰極保護實踐

摘 要

摘要：總結了犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)的設計、施工、運行等方面的主要關鍵技術。對犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)設計參數(shù)的選擇、絕緣接頭測試樁及絕緣性能測試、套管內鋼管的陰極保護、
摘要：總結了犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)的設計、施工、運行等方面的主要關鍵技術。對犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)設計參數(shù)的選擇、絕緣接頭測試樁及絕緣性能測試、套管內鋼管的陰極保護、雜散電流的干擾及防護、極化探頭的應用和防腐層缺陷點的檢測及維修策略等進行了探討。
關鍵詞：埋地鋼管；犧牲陽極；陰極保護；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
   實踐證明，防腐層和陰極保護結合使用是控制燃氣埋地鋼質管道腐蝕的有效方法[1]。犧牲陽極陰極保護技術以其安裝方便、經(jīng)濟有效、對環(huán)境產生的雜散電流污染少、不干擾鄰近地下金屬構筑物等許多優(yōu)點在城市燃氣領域獲得廣泛應用。犧牲陽極除了具有管道防腐蝕作用，也用于燃氣鋼管排流、防雷擊接地等方面。本文就燃氣鋼質管道犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)設計、施工、運行等方面進行探討。
1 犧牲陽極系統(tǒng)設計參數(shù)選擇
    燃氣鋼質管道犧牲陽極陰極保護工程應按照《埋地鋼質管道陰極保護技術規(guī)范》GB/T 21448進行工藝設計[2]，工藝設計各參數(shù)除根據(jù)管道實際檢測數(shù)據(jù)計算外(如土壤電阻率等)，其他設計參數(shù)選擇如下。
1.1 最小保護電流密度
    影響陰極保護電流密度的因素很多，主要有防腐層類別及質量(防腐層絕緣電阻率)、土壤環(huán)境條件(如介質狀態(tài)、pH值、含鹽量及種類、含氧量、微生物活動等)和被保護金屬種類等。對不同類型的防腐層和土壤介質，犧牲陽極陰極保護電流密度在實踐中差別較大，并且對犧牲陽極用量影響較大。
   對于新建燃氣管道，基本采用3PE防腐層，其防腐絕緣性能良好，保護電流密度可取0.03～0.05mA/m2。對于在役燃氣管道，在追加犧牲陽極陰極保護時，可根據(jù)實測防腐層面電阻率選取最小保護電流密度，見表1[3]。
表1 防腐層面電阻率與所需最小電流密度
序號
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 犧牲陽極組間距
   如果犧牲陽極組間距過大，則在兩陽極組中間的管道的保護電位就會較高，可能達不到保護電位的最高值(-0.85V)，所以要根據(jù)管道實際情況，合理確定各犧牲陽極組之間的間距。犧牲陽極組間距選?。撼鞘腥細夤艿罏?00～500m，輸氣管道約為1000m，然后再由公式計算每組犧牲陽極用量。
1.3 犧牲陽極規(guī)格選擇
   鎂合金犧牲陽極規(guī)格的選擇見表2，主要依據(jù)管道沿線實測土壤電阻率[4]。當土壤電阻率＜15Ω·m時，建議選用鋅合金犧牲陽極；當土壤電阻率＞100Ω·m時，應采取相應措施，例如：管溝內局部換土以改善土壤導電性，或采用柔性犧牲陽極等。
表2 鎂合金犧牲陽極規(guī)格的選擇
土壤電阻率
/(n·m)
＜15
15～20
20～30
30～40
40～60
60～100
鎂合金犧牲陽極規(guī)格/kg
22
14、22
11、14
8、11
8
4、8
注：1.此表僅供計算時參考，也可選取其他規(guī)格；
2.鎂合金犧牲陽極規(guī)格的選擇還應符合系統(tǒng)設計壽命要求；
3.鎂合金犧牲陽極規(guī)格的選擇還與每組陽極的數(shù)量及犧牲陽極組間距有關。
1.4 犧牲陽極使用壽命
犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)設計時，應保證犧牲陽極的使用壽命與受保護管道的壽命一致。可通過下式計算犧牲陽極的使用壽命：
 
式中tg——犧牲陽極使用壽命，a，一般取tg≥25a
    mg——單支犧牲陽極凈質量，kg
    ωg——陽極消耗率，kg/(A·a)，鎂合金犧牲
          陽極取7.92kg/(A·a)，鋅合金犧牲
          陽極取17.25kg/(A·a)
    Ig0——單支犧牲陽極輸出電流，A
2 絕緣接頭測試樁及絕緣性能測試
   絕緣接頭是對陰極保護管道與非保護管道進行電絕緣的部件，絕緣接頭絕緣性能對燃氣管道陰極保護系統(tǒng)正常運行有較大影響，可以說，沒有絕緣就沒有陰極保護。為保證絕緣接頭絕緣性能良好，絕緣接頭產品檢驗及陰極保護系統(tǒng)運行時的定期檢查都需要對絕緣接頭的絕緣性能進行測試。
2.1 絕緣接頭測試樁
    為防止絕緣接頭被強電流涌擊穿而失效，在絕緣接頭測試樁處應安裝鋅接地電池，鋅接地電池是用來提供一個低電阻通道，排放強電流涌但不泄漏陰極保護直流電流的一種裝置，見圖1。它是由2支或4支鋅棒用絕緣墊塊隔開，并用膠帶綁在一起，共同填裝在導電的填料包內，填料包的配方(質量比例)為75%石膏粉、20%膨潤土、5%硫酸鈉。應用時，將與鋼芯連接的電纜引線分別接到絕緣接頭的兩側，為絕緣接頭提供一個低電壓旁接回路，連接電纜多選用VV-1kV/1×16mm2的銅芯電纜。
 

2.2 絕緣接頭性能測試
    未使用的絕緣接頭性能測試可采用兆歐表法進行[5]，以測量未安裝到管道上的絕緣接頭的絕緣電阻值，測量儀器選用500V、500Mn(相對誤差不大于±10%)的兆歐表。當絕緣接頭兩側的絕緣電阻≥10MΩ時，可認為其絕緣性能良好。
    在役絕緣接頭性能測試采用電位法進行，電位法測量接線見圖2。若絕緣接頭位置處設置接地電池，在測量前24h應斷開接地電池連接線。有時為了防止絕緣接頭兩端的電壓差過大，在非保護端也會設置一處犧牲陽極，在測量前24h應將其斷開。
 

在絕緣接頭性能良好的情況下，點b處電位Vb在數(shù)值上和管道陰極保護電位相近(-850～-1200mV)，點a處電位Va在數(shù)值上與管道自然電位相近。根據(jù)測量結果，若Vb明顯地比Va更小(電位差的絕對值為200～500mV)，則認為絕緣接頭的絕緣性能良好。如果電位差的絕對值小于200mV，則應該使用其他檢測方法進一步測量怕-，以確定絕緣接頭是否失效。
3 套管內鋼管陰極保護
    套管對燃氣鋼管的影響有2個方面：一是，由于有些套管對陰極保護電流具有屏蔽作用，使陰極保護電流不能對套管內的鋼管起到保護作用，使其成為管道陰極防護的薄弱環(huán)節(jié)；二是，由于套管與燃氣鋼管的不均勻沉降，套管易搭接在燃氣鋼管上而造成陰極保護電流的大量流失。
    為了防止套管對陰極保護電流的屏蔽，對于新建埋地管道，應盡量避免使用套管，可以通過加大壁厚及增加埋深來代替套管穿越方案[6]。在不可避免使用套管時，應優(yōu)先考慮使用水泥套管，其次考慮鋼質套管。鋼質套管要做外壁防腐，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。
    考慮到帶外防腐層的鋼質套管的屏蔽作用，可以在套管內設置局部陰極保護以解決套管屏蔽的問題[7]。套管內的鋼質燃氣管道可采用帶狀犧牲陽極。帶狀犧牲陽極具有一定的柔性，可以緊緊纏繞在管道之外，位于套管之內，陽極電纜可以直接焊接在燃氣管道的外壁上，帶狀犧牲陽極示意圖見圖3。
 
    套管內帶狀犧牲陽極的用量可根據(jù)保護面積進行設計計算得出所需陽極的質量。當燃氣管道外徑≤219mm時，鎂陽極帶沿管道外壁等距且與管道軸向成30°角纏繞；當燃氣管道外徑為219～377mm時，沿管道外壁等距且與管道軸向成45°角纏繞；當燃氣管道外徑≥377mm時，沿管道外壁等距且與管道軸向成60°角纏繞。
    在帶狀犧牲陽極施工完成之后，套管兩端應采用柔性的防腐、防水材料密封，套管內使用木質擋板固定，然后用瀝青油麻密封。也可根據(jù)實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題，套管可能會下沉，壓破燃氣管道防腐層與其搭接，這樣管道就會消耗一部分陰極保護電流?？梢栽谔坠芤欢硕嗦裨O一組犧牲陽極或者將埋設在附近的陽極組改埋在套管一端，以便提供上述情況時套管的電流消耗。
4 雜散電流干擾及保護
    雜散電流對燃氣管道會產生強烈腐蝕作用。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源于工廠中的直流電解設備、電焊機、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，它們是造成燃氣管道雜散電流腐蝕的主要原因[8]。交流雜散電流主要來源于交流電氣化鐵路、輸配電線路系統(tǒng)，通過阻性、感性和容性耦合在相鄰的燃氣管道中產生交流雜散電流，但交流雜散電流對管道腐蝕較輕微，一般為直流腐蝕量的1%。雜散電流干擾程度指標[9]見表3。
表3 雜散電流干擾程度指標
指標
級別
弱
中
強
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
    當管道附近土壤電位梯度大于0.5mV/m或管道任意點的管地電位較自然電位正向偏移大于20mV時，可確認管道受到雜散電流干擾；當管道附近土壤電位梯度大于2.5mV/m或管道任意點的管地電位較自然電位正向偏移大于100mV時，應采取排流保護或其他防護措施[9]。
   如果管道上存在較大雜散電流干擾，可通過雜散電流檢測儀器，檢測出雜散電流的流入、流出點，再進一步采取排流措施。
   ① 直接排流：管地電位偏移穩(wěn)定在正方向時，可采用直接排流的保護措施。通過導線將管道和干擾源側的負極直接連通，使管道中的干擾電流引入干擾源的負極。此法適用于變電所附近，簡單經(jīng)濟、效果好，但范圍有限。
   ② 強制排流：強制排流主要用于管地電位正、負極性交變，電位差小，且環(huán)境腐蝕較強的情況下使用。通過強制排流器將管道和軌道連通，雜散電流通過強制排流器的整流環(huán)排放到軌道上，當無雜散電流時，強制排流器給管道提供陰極保護電流，使管道處于陰極保護狀態(tài)。此法保護范圍大，地鐵停運時可對管道提供陰極保護，但對軌道電位分布有影響。
5 極化探頭的應用
   陰極保護電位的測量由于受到土壤介質中IR降(電流流動在參比電極與金屬管道之間電解質上產生的電壓降)的影響，用普通的Cu/飽和CuSO4參比電極無法準確測量實際保護電位，影響到對管道是否處于充分保護狀態(tài)的判斷。而極化探頭是通過對Cu/飽和CuSO4參比電極的改造，從而能消除土壤介質中90%左右的IR降，測量出管道的真實保護電位。
5.1 極化探頭的基本原理及構造
   消除IR降對陰極保護電位測量結果的影響，有兩條路線可以實現(xiàn)，其中一條為盡量減小測量參比電極與被測量對象之間的阻抗。極化探頭消除IR降的基本原理就是盡量減4,N量參比電極與被測量對象之間的阻抗，從而達到減小IR降對陰極保護電位測量結果影響的目的[10]。
   極化探頭由測試試片(自然腐蝕試片和極化試片)、參比電極和電解質組成，其基本結構見圖4。極化試片用和管道相同的材質制成，并用導線與管道相連，外部用絕緣體隔離，只留一個多孔塞子(滲透膜)作為測量通路，這樣的結構可使參比電極和燃氣管道之間的電阻壓降最小，直接測量無IR降電位，而不必斷開管道保護電流或間歇中斷與管道連接的電纜。只有將電位測試探頭處于與管道相同的土壤中，電位測試探頭才有效。
 

5.2 極化探頭的安裝與測試
    當把極化探頭作為監(jiān)測電極長期埋入地下時，首先要把極化探頭裝入犧牲陽極用的填料包內再埋入土壤中，并對極化探頭周圍的土壤澆水潤濕。在圖4中，1號線連接參比電極；2號線連接自然腐蝕試片，連接到檢測樁上用來測量自然電位；3號線連接到極化試片，并通過檢測樁連接到被測體(燃氣管道)用來測量極化電位，極化試片最好為與被測鋼管同材質的鋼片，也可采用普通A3鋼片。
    極化探頭連接導線與極化探頭本體連接處應進行密封。極化探頭應置于棉布袋中，棉布袋中裝滿填料，并保證填料的最小厚度不小于200mm。
    在進行陰極保護電位測量時，將萬用表連接在1號線和2號線之間時，萬用表的讀數(shù)即為管道的自然電位；將萬用表連接在1號線和3號線之間時，萬用表的讀數(shù)即為消除IR降的真實的陰極保護電位。
6 管道防腐層缺陷點檢測及維修
    燃氣管道在下溝覆土施工過程中，土壤中的石塊等都會造成管道防腐層的破損，這些防腐層破損點將成為陰極保護電流的流失點，將加快犧牲陽極的消耗速度，使犧牲陽極失效而使管道處于欠保護狀態(tài)。因此，有必要對竣工的燃氣管道進行防腐層缺陷點檢測及維修，以保證陰極保護系統(tǒng)的正常運行。
    管道防腐層破損點檢測定位[11]常用的間接檢測方法有管內交流電流衰減法(PCM法)、直流電位梯度法(DCVG法)和皮爾遜法(Pearson法)。防腐層破損點定位誤差±0.2m。防腐層缺陷點的分類標準如下。
    ① 一類破損點：防腐層破損嚴重或破損面積較大，已經(jīng)失去防腐作用，相當于管道裸露在土壤中。這類破損點處的管道已經(jīng)或正在發(fā)生嚴重腐蝕，無論此管道有無陰極保護，都必須立即對破損的防腐層進行修復。
    ② 二類破損點：防腐層很差，破損點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)生嚴重剝離，有些點已發(fā)生不同程度的腐蝕。這類破損點需要在1～2年內進行有計劃性的修復。
    ③ 三類破損點：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，漏電嚴重，或防腐層很薄。裸露后用肉眼觀察不出露鐵點，用電火花儀檢測時有火花產生。這類破損點在陰極保護電位＜-850 mV(Cu/飽和CuSO4參比電極測試值，消除IR降)時，可以不用修復，只要監(jiān)控即可。
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(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 城市建設與環(huán)境工程學院 重慶 400045)