陰極保護(hù)技術(shù)在埋地鋼質(zhì)管道中的應(yīng)用
摘要：通過(guò)介紹陰極保護(hù)技術(shù)在3個(gè)工程中的實(shí)際 應(yīng)用 ， 分析 了這一工藝在埋地鋼質(zhì)管道防腐中的重要作用，并且對(duì)陰極保護(hù)的 經(jīng)濟(jì) 性進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
關(guān)鍵詞：埋地鋼質(zhì)管道 外加電流陰極保護(hù) 犧牲陽(yáng)極保護(hù)
陰極保護(hù)在金屬防腐工藝中，是電化學(xué)保護(hù) 方法 的一種。它通過(guò)對(duì)被保護(hù)金屬體施加電流，從而使其電極電位負(fù)移，使金屬減弱由原子態(tài)自發(fā)變?yōu)殡x子態(tài)的趨勢(shì)，因而從根本上抑制了腐蝕的發(fā)生。由于這個(gè)過(guò)程必須在電解質(zhì)中進(jìn)行，因此埋地鋼管非常適宜采取陰極保護(hù)。若陰極保護(hù)與管道本身的防腐層互相補(bǔ)充，從而在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面達(dá)到完美組合，則是 目前 公認(rèn)的最佳防腐方案。
1 寧波城市供水工程
寧波城市供水工程是從奉化市的肖鎮(zhèn)至寧波市江東區(qū)梅墟敷設(shè)一條1600mm的輸水鋼管，管線(xiàn)全長(zhǎng)38 km，外防腐采用環(huán)氧煤瀝青二布三油形式。
1.1外加電流陰極保護(hù)
從肖鎮(zhèn)至北渡的17km以及北渡至江東梅墟的前4.2km管道，基本無(wú)地下金屬構(gòu)筑物，采用了外加電流陰極保護(hù)。
肖鎮(zhèn)陰極保護(hù)站：設(shè)恒電位儀2臺(tái)(1用1備)，將30支YJBSiCr 50mm×1200mm雙端接頭的含鉻高硅鑄鐵陽(yáng)極在距管道100m、沿管道垂直方向上一字形水平埋設(shè)。
北渡陰極保護(hù)站：設(shè)恒電位儀3臺(tái)(2用1備)，向兩側(cè)供電。埋設(shè)兩組陽(yáng)極(規(guī)格、數(shù)量同上)，每臺(tái)儀器對(duì)應(yīng)一組陽(yáng)極。
匯流點(diǎn)設(shè)在進(jìn)、出絕緣法蘭的外側(cè)。
全程設(shè)有電位測(cè)試樁18個(gè)(1個(gè)/km)，電流測(cè)試樁2個(gè)和絕緣法蘭測(cè)試樁4個(gè)。
管道進(jìn)、出站設(shè)絕緣法蘭以進(jìn)行有效的電絕緣(絕緣電阻≥5 MΩ)。由于絕緣法蘭兩側(cè)存在一定的電位差，會(huì)對(duì)另一側(cè)未通電保護(hù)的泵站內(nèi)管道產(chǎn)生陰極干擾、加速腐蝕，因此對(duì)站內(nèi)管道實(shí)施了犧牲陽(yáng)極保護(hù)，即兩個(gè)泵站內(nèi)各埋設(shè)了兩組22 kg/支的鎂陽(yáng)極。此外，為了防止保護(hù)電流的流失，同時(shí)須做好絕緣處理，如架空管橋處的鋼管與支墩接觸處用橡膠墊片進(jìn)行絕緣、所有與管道連接的金屬件不允許接地等。
1.2外加電流陰極保護(hù)的實(shí)施效果
實(shí)際測(cè)定的保護(hù)參數(shù)見(jiàn)表1。
| 保護(hù)參數(shù) | 肖鎮(zhèn)泵站 | 北渡泵站(進(jìn)水側(cè)) | 北渡泵站(出水側(cè)) |
| 土壤電阻率(Ω·m) | 51.33 | 17.08 | 17.9 |
| 陽(yáng)極接地電阻(Ω) | 0.8 | 0.42 | 0.34 |
| 輸出電壓(V) | 6.22 | 7.06 | 3.40 |
| 輸出電流(A) | 7.21 | 7.50 | 3.96 |
| 控制點(diǎn)電位(V) | -1.251 | -1.125 | -1.053 |
| 保護(hù)電位(V) | -0.852～-1.166 | -0.970～-1.092 | -0.960～-1.062 |
結(jié)果表明：①陽(yáng)極地床接地電阻<1 Ω，符合規(guī)范要求。②各測(cè)試樁中電位數(shù)據(jù)均達(dá)到≤-0.85V的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。③匯流點(diǎn)最高控制電位為-1.251V時(shí)，說(shuō)明管道全線(xiàn)達(dá)到了保護(hù)電位;儀器輸出電流、電壓都不大，說(shuō)明該段管道防腐層做得好，絕緣法蘭絕緣效果好;陽(yáng)極地床接地電阻小，使得陰極保護(hù)的日常維護(hù)費(fèi)用低。
1.3 犧牲陽(yáng)極保護(hù)
北渡至江東梅墟段管道除去實(shí)施外加電流的4.2km外，其余17km因地下金屬構(gòu)筑物較多，且多次與其他管道平行、交叉，故采用了犧牲陽(yáng)極保護(hù)，這是為了減輕與其他金屬構(gòu)筑物之間的相互干擾。
犧牲陽(yáng)極選用鎂陽(yáng)極，1km設(shè)4組，每組由4支14kg的鎂陽(yáng)極組成，其中3組直接焊在管道上，1組通過(guò)測(cè)試樁連接，以便進(jìn)行電參數(shù)測(cè)量，了解陽(yáng)極使用壽命。
1.4犧牲陽(yáng)極保護(hù)的實(shí)施效果
犧牲陽(yáng)極保護(hù)的實(shí)施效果見(jiàn)表2。
| 保護(hù)參數(shù) | 數(shù)值 |
| 陽(yáng)極開(kāi)路電位(V) | -1.598～-1.697 |
| 管道保護(hù)電位(V) | -1.03～-1.05 |
| 管道 自然 電位(V) | -0.573～-0.741 |
| 埋點(diǎn)土壤電阻率(Ω·m) | 10.36～15.26 |
| 陽(yáng)極輸出電流(4支)(A) | 0.11～0.15 |
結(jié)果表明：①陽(yáng)極開(kāi)路電位符合要求。②管道保護(hù)電位≤-0.85V，且比較均勻。③按陽(yáng)極出電流 計(jì)算 陽(yáng)極壽命>20a。
2 陜氣進(jìn)津管道工程
陜甘寧氣田—北京輸氣管道天津支線(xiàn)工程(簡(jiǎn)稱(chēng)陜氣進(jìn)津管道工程)是天津市的重點(diǎn)工程，對(duì)于改善天津市的能源結(jié)構(gòu)具有重大意義。管線(xiàn)西起河北省永清縣，東至天津市第一煤氣廠(chǎng)，全長(zhǎng)64km，選用426mm螺旋縫埋弧焊接鋼管。鋼管外防腐采用陰極保護(hù)與聚乙烯三層結(jié)構(gòu)的聯(lián)合保護(hù)方式。
2.1外加電流陰極保護(hù)
從永清至天津西青區(qū)子牙河的54km管線(xiàn)主要在農(nóng)田中敷設(shè)，沿線(xiàn)的金屬構(gòu)筑物少，相互干擾較小，采用外加電流的保護(hù)方式。為了避免保護(hù)電流的流失，在外加電流保護(hù)管段的兩端加裝了高電阻值的絕緣接頭(因輸氣管內(nèi)壁不做防腐，為防止管內(nèi)有積水時(shí)絕緣接頭兩端的管段在電解液中導(dǎo)電而失去絕緣作用，故將其埋設(shè)在高點(diǎn)處)。在王慶坨設(shè)置陰極保護(hù)站，沿永清方向保護(hù)36km、天津方向保護(hù)18km。站內(nèi)設(shè)恒電位儀兩臺(tái)(PS—1型)，可以互相切換，并由自動(dòng)控制臺(tái)控制，以保證陰極保護(hù)系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行。陽(yáng)極地床位于管道垂直方向250m處，由40支100mm×1500mm的高硅鑄鐵陽(yáng)極組成，陽(yáng)極為立式埋設(shè)，埋深3m，周?chē)畛?50mm厚的焦炭(粒徑≤10mm，含碳量≥85%)。
2.2外加電流陰極保護(hù)的實(shí)施效果
外加電流陰極保護(hù)的實(shí)施效果見(jiàn)表3。
| 保護(hù)參數(shù) | 數(shù)值 |
| 管道沿線(xiàn)自然電位(V) | -0.468～-0.693 |
| 絕緣接頭電阻(埋地安裝前) | (MΩ)100 |
| 土壤電阻率(陽(yáng)極地床處)(Ω·m) | 25.13 |
| 陽(yáng)極接地電阻(Ω) | 0.16 |
| 輸出電壓(V) | 1.7 |
| 輸出電流(A) | 1.2 |
| 控制點(diǎn)電位(V) | -1.250 |
| 管道沿線(xiàn)保護(hù)電位(V) | -1.029～-1.456 |
| 絕緣接頭外側(cè)電位(V) |
-0.710(永清非保護(hù)側(cè)) -1.344(子牙河犧牲陽(yáng)極側(cè)) |
| 注以上數(shù)據(jù)均系相對(duì)于Cu/CuSO4參比電極測(cè)得。 | |
由表3可知：①陽(yáng)極接地電阻1Ω，當(dāng)恒電位儀大功率狀態(tài)運(yùn)行時(shí)能大量節(jié)約電能。②管道沿線(xiàn)各測(cè)試樁內(nèi)測(cè)得的極化電位均達(dá)到了-0.85V的標(biāo)準(zhǔn)，保護(hù)效果良好。有的保護(hù)電位小于控制點(diǎn)電位是因?yàn)樵谟刑坠艿牡胤桨惭b了鎂帶陽(yáng)極，而鎂陽(yáng)極的電位為-1.8V左右，所以在相鄰近的管道上測(cè)得的電位較小。③兩個(gè)絕緣接頭的里外側(cè)有明顯的電位差，表明其絕緣有效。
2.3犧牲陽(yáng)極保護(hù)
全部管線(xiàn)除外加電流的54km外，余下的10km管道全部采用了犧牲陽(yáng)極保護(hù)，共埋設(shè)鋅陽(yáng)極79支，其中22.2kg/支的陽(yáng)極30支，14.8kg/支的陽(yáng)極49支。鋅陽(yáng)極以成組方式(4～5支為一組)埋設(shè)于管道旁，距管道垂直距離>1.5m，陽(yáng)極周邊用填料包圍以減少接地電阻及促進(jìn)腐蝕產(chǎn)物的溶解。匯流點(diǎn)及中間點(diǎn)設(shè)測(cè)試樁12支，測(cè)試樁基本按照1支/km的原則埋設(shè)，并附有1支長(zhǎng)壽命參比電極。在管道穿越公路、鐵路等處設(shè)有套管的部位實(shí)施了鎂帶陽(yáng)極保護(hù)，以使套管內(nèi)受屏蔽的管道得到保護(hù)，鎂帶規(guī)格為19mm×9.5mm。施工時(shí)沿螺旋焊縫方向纏繞，使保護(hù)電流盡可能地均勻。
2.4犧牲陽(yáng)極保護(hù)的實(shí)施效果
①管道自然電位：-0.410～-0.738 V
②管道保護(hù)電位：-0.934～-1.092 V
③陽(yáng)極輸出電流(每組)：15.6～23.4mA
④陽(yáng)極開(kāi)路電位：-1.003～-1.104V
⑤土壤電阻率：9.19～13.56 Ω·m
由此可知：
①保護(hù)電位達(dá)到了保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-0.85 V，保護(hù)效果好。
②陽(yáng)極開(kāi)路電位符合要求。
③陽(yáng)極可確保使用30a。
3 天津市外環(huán)線(xiàn)高壓管道工程
工程位于天津市外環(huán)線(xiàn)的南半環(huán)，西起南開(kāi)區(qū)華苑小區(qū)，東至東麗區(qū)麗津路的高中壓調(diào)壓站，全長(zhǎng)21.7 km。管材選用529mm螺旋縫埋弧焊接鋼管。鋼管外防腐采用陰極保護(hù)與聚乙烯三層結(jié)構(gòu)的聯(lián)合保護(hù)方式。
3.1保護(hù)方案
該工程全部采用犧牲陽(yáng)極進(jìn)行保護(hù)。在管道穿越李港鐵路處有套管的地方還實(shí)施了套管陽(yáng)極的施工，陽(yáng)極采用塊狀鋅陽(yáng)極，埋于套管與輸送管之間的下部空腔中。為保護(hù)絕緣接頭不被高壓擊穿，在絕緣接頭處還埋設(shè)了接地電池。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土壤電阻率的不同，犧牲陽(yáng)極采用鋅及鎂兩種合金材料，共埋設(shè)鋅合金陽(yáng)極(25kg/支)121支，鎂合金陽(yáng)極(14.5kg/支)31支。犧牲陽(yáng)極單只分散式水平埋設(shè)于管道旁，距管道垂直距離>0.3m，埋深>1 m，間距為150～250m，在施工難點(diǎn)處間距<100m。陽(yáng)極周?chē)?0kg填料包圍，以減小接地電阻及促進(jìn)腐蝕產(chǎn)物的溶解，匯流點(diǎn)及中間點(diǎn)設(shè)測(cè)試樁23支。
3.2犧牲陽(yáng)極保護(hù)的實(shí)施效果
具體測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4。
| 保護(hù)參數(shù) | 犧牲陽(yáng)極種類(lèi) | |
| 鋅合金 | 鎂合金 | |
| 管道 自然 電位(V) | -0.495～-0.698 | -0.512～-0.700 |
| 管道保護(hù)電位(V) | -1.053～-1.139 | -0.971～-1.474 |
| 陽(yáng)極開(kāi)路電位(V) | -1.109～-1.181 | -1.572～-1.687 |
| 陽(yáng)極輸出電流(mA) | 4～10 | 8～30 |
| 土壤電阻率(Ω·m) | 7.54～13.82 | 25.12～32.66 |
表4表明：
①保護(hù)電位達(dá)到了保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-0.85V，保護(hù)效果良好。
②陽(yáng)極開(kāi)路電位符合要求。
③絕緣接頭絕緣有效。
④陽(yáng)極可確保使用50a。
4 經(jīng)濟(jì) 效益及 分析
上述3個(gè)工程的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)情況見(jiàn)表5。
| 工程名稱(chēng) | 總造價(jià)(萬(wàn)元) | 陰極保護(hù)投資(萬(wàn)元) | 保護(hù)面積(m2) | 價(jià)格(元/m2) |
| 寧波供水工程 | 13000 | 130 | 180000 | 7.2 |
| 陜氣進(jìn)津工程 | 11000 | 83 | 85600 | 9.7 |
| 外環(huán)線(xiàn)高壓管道 | 60000 | 56 | 36000 | 15.6 |
可以看出，陰極保護(hù)在工程總造價(jià)中的比例基本<1%，其造價(jià)為10元/m2左右。只要保證施工質(zhì)量，及時(shí)監(jiān)測(cè)，確保管道達(dá)到保護(hù)電位，就可確保管線(xiàn)在設(shè)計(jì)年限內(nèi)(20～30a)不因腐蝕 問(wèn)題 出現(xiàn)事故，屬于典型的低投入、高產(chǎn)出技術(shù)。若單獨(dú)采用增加防腐層等級(jí)的 方法 ，不僅費(fèi)用增加很多，而且并不安全，在現(xiàn)場(chǎng)施工中不可避免地會(huì)造成防腐層的破損，而在破損處會(huì)形成“大陰極、小陽(yáng)極”的腐蝕原電池，使破損處很快穿孔，造成巨大損失。
只有采用防腐層與陰極保護(hù)的聯(lián)合技術(shù)才能從根本上防止腐蝕事故的發(fā)生，建議在埋地鋼質(zhì)管道中大力推廣 應(yīng)用 。
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