孟繁強1，劉斌2，薛致遠3
(1.天津市管道工程集團有限公司，天津300113；2.中國人民解放軍海軍后勤學(xué)院，天津300450；
3.中國石油天然氣管道勘察設(shè)計院，河北廊坊065000) 摘 要：通過介紹陰極保護技術(shù)在3個工程中的實際應(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，并且對陰極保護的經(jīng)濟性進行了評價。
關(guān)鍵詞：埋地鋼質(zhì)管道；外加電流陰極保護；犧牲陽極保護
中圖分類號：TU992.05
文獻標(biāo)識碼：C
文章編號：1000-4602(2001)05-0059-03 陰極保護在金屬防腐工藝中，是電化學(xué)保護方法的一種。它通過對被保護金屬體施加電流，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，因而從根本上抑制了腐蝕的發(fā)生。由于這個過程必須在電解質(zhì)中進行，因此埋地鋼管非常適宜采取陰極保護。若陰極保護與管道本身的防腐層互相補充，從而在安全性和經(jīng)濟性方面達到完美組合，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，管線全長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
從肖鎮(zhèn)至北渡的17km以及北渡至江東梅墟的前4.2km管道，基本無地下金屬構(gòu)筑物，采用了外加電流陰極保護。
肖鎮(zhèn)陰極保護站：設(shè)恒電位儀2臺(1用1備)，將30支YJBSiCr 50mm×1200mm雙端接頭的含鉻高硅鑄鐵陽極在距管道100m、沿管道垂直方向上一字形水平埋設(shè)。
北渡陰極保護站：設(shè)恒電位儀3臺(2用1備)，向兩側(cè)供電。埋設(shè)兩組陽極(規(guī)格、數(shù)量同上)，每臺儀器對應(yīng)一組陽極。
匯流點設(shè)在進、出絕緣法蘭的外側(cè)。
全程設(shè)有電位測試樁18個(1個/km)，電流測試樁2個和絕緣法蘭測試樁4個。
管道進、出站設(shè)絕緣法蘭以進行有效的電絕緣(絕緣電阻≥5 MΩ)。由于絕緣法蘭兩側(cè)存在一定的電位差，會對另一側(cè)未通電保護的泵站內(nèi)管道產(chǎn)生陰極干擾、加速腐蝕，因此對站內(nèi)管道實施了犧牲陽極保護，即兩個泵站內(nèi)各埋設(shè)了兩組22 kg/支的鎂陽極。此外，為了防止保護電流的流失，同時須做好絕緣處理，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外加電流陰極保護的實施效果
實際測定的保護參數(shù)見表1。 表1 保護參數(shù)測量值| 保護參數(shù) | 肖鎮(zhèn)泵站 | 北渡泵站(進水側(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 | | 控制點電位(V) | -1.251 | -1.125 | -1.053 | | 保護電位(V) | -0.852～-1.166 | -0.970～-1.092 | -0.960～-1.062 | 結(jié)果表明：①陽極地床接地電阻＜1 Ω，符合規(guī)范要求。②各測試樁中電位數(shù)據(jù)均達到≤-0.85V的保護標(biāo)準(zhǔn)。③匯流點最高控制電位為-1.251V時，說明管道全線達到了保護電位；儀器輸出電流、電壓都不大，說明該段管道防腐層做得好，絕緣法蘭絕緣效果好；陽極地床接地電阻小，使得陰極保護的日常維護費用低。
1.3 犧牲陽極保護
北渡至江東梅墟段管道除去實施外加電流的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，故采用了犧牲陽極保護，這是為了減輕與其他金屬構(gòu)筑物之間的相互干擾。
犧牲陽極選用鎂陽極，1km設(shè)4組，每組由4支14kg的鎂陽極組成，其中3組直接焊在管道上，1組通過測試樁連接，以便進行電參數(shù)測量，了解陽極使用壽命。
1.4犧牲陽極保護的實施效果
犧牲陽極保護的實施效果見表2。 表2 犧牲陽極保護的實施效果| 保護參數(shù) | 數(shù)值 | | 陽極開路電位(V) | -1.598～-1.697 | | 管道保護電位(V) | -1.03～-1.05 | | 管道自然電位(V) | -0.573～-0.741 | | 埋點土壤電阻率(Ω·m) | 10.36～15.26 | | 陽極輸出電流(4支)(A) | 0.11～0.15 | 結(jié)果表明：①陽極開路電位符合要求。②管道保護電位≤-0.85V，且比較均勻。③按陽極出電流計算陽極壽命＞20a。 2 陜氣進津管道工程 陜甘寧氣田—北京輸氣管道天津支線工程(簡稱陜氣進津管道工程)是天津市的重點工程，對于改善天津市的能源結(jié)構(gòu)具有重大意義。管線西起河北省永清縣，東至天津市第一煤氣廠，全長64km，選用426mm螺旋縫埋弧焊接鋼管。鋼管外防腐采用陰極保護與聚乙烯三層結(jié)構(gòu)的聯(lián)合保護方式。
2.1外加電流陰極保護
從永清至天津西青區(qū)子牙河的54km管線主要在農(nóng)田中敷設(shè)，沿線的金屬構(gòu)筑物少，相互干擾較小，采用外加電流的保護方式。為了避免保護電流的流失，在外加電流保護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)在高點處)。在王慶坨設(shè)置陰極保護站，沿永清方向保護36km、天津方向保護18km。站內(nèi)設(shè)恒電位儀兩臺(PS—1型)，可以互相切換，并由自動控制臺控制，以保證陰極保護系統(tǒng)連續(xù)運行。陽極地床位于管道垂直方向250m處，由40支?100mm×1500mm的高硅鑄鐵陽極組成，陽極為立式埋設(shè)，埋深3m，周圍填充150mm厚的焦炭(粒徑≤10mm，含碳量≥85%)。
2.2外加電流陰極保護的實施效果
外加電流陰極保護的實施效果見表3。 表3 外加電流陰極保護的實施效果| 保護參數(shù) | 數(shù)值 | | 管道沿線自然電位(V) | -0.468～-0.693 | | 絕緣接頭電阻(埋地安裝前) | (MΩ)100 | | 土壤電阻率(陽極地床處)(Ω·m) | 25.13 | | 陽極接地電阻(Ω) | 0.16 | | 輸出電壓(V) | 1.7 | | 輸出電流(A) | 1.2 | | 控制點電位(V) | -1.250 | | 管道沿線保護電位(V) | -1.029～-1.456 | | 絕緣接頭外側(cè)電位(V) | -0.710(永清非保護側(cè))
-1.344(子牙河犧牲陽極側(cè)) | | 注以上數(shù)據(jù)均系相對于Cu/CuSO4參比電極測得。 | 由表3可知：①陽極接地電阻1Ω，當(dāng)恒電位儀大功率狀態(tài)運行時能大量節(jié)約電能。②管道沿線各測試樁內(nèi)測得的極化電位均達到了-0.85V的標(biāo)準(zhǔn)，保護效果良好。有的保護電位小于控制點電位是因為在有套管的地方安裝了鎂帶陽極，而鎂陽極的電位為-1.8V左右，所以在相鄰近的管道上測得的電位較小。③兩個絕緣接頭的里外側(cè)有明顯的電位差，表明其絕緣有效。
2.3犧牲陽極保護
全部管線除外加電流的54km外，余下的10km管道全部采用了犧牲陽極保護，共埋設(shè)鋅陽極79支，其中22.2kg/支的陽極30支，14.8kg/支的陽極49支。鋅陽極以成組方式(4～5支為一組)埋設(shè)于管道旁，距管道垂直距離＞1.5m，陽極周邊用填料包圍以減少接地電阻及促進腐蝕產(chǎn)物的溶解。匯流點及中間點設(shè)測試樁12支，測試樁基本按照1支/km的原則埋設(shè)，并附有1支長壽命參比電極。在管道穿越公路、鐵路等處設(shè)有套管的部位實施了鎂帶陽極保護，以使套管內(nèi)受屏蔽的管道得到保護，鎂帶規(guī)格為19mm×9.5mm。施工時沿螺旋焊縫方向纏繞，使保護電流盡可能地均勻。
2.4犧牲陽極保護的實施效果
?、俟艿雷匀浑娢唬?0.410～-0.738 V
②管道保護電位：-0.934～-1.092 V
?、坳枠O輸出電流(每組)：15.6～23.4mA
?、荜枠O開路電位：-1.003～-1.104V
?、萃寥离娮杪剩?.19～13.56 Ω·m
由此可知：
?、俦Ｗo電位達到了保護標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-0.85 V，保護效果好。
?、陉枠O開路電位符合要求。
?、坳枠O可確保使用30a。 3 天津市外環(huán)線高壓管道工程 工程位于天津市外環(huán)線的南半環(huán)，西起南開區(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與聚乙烯三層結(jié)構(gòu)的聯(lián)合保護方式。
3.1保護方案
該工程全部采用犧牲陽極進行保護。在管道穿越李港鐵路處有套管的地方還實施了套管陽極的施工，陽極采用塊狀鋅陽極，埋于套管與輸送管之間的下部空腔中。為保護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)場土壤電阻率的不同，犧牲陽極采用鋅及鎂兩種合金材料，共埋設(shè)鋅合金陽極(25kg/支)121支，鎂合金陽極(14.5kg/支)31支。犧牲陽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，在施工難點處間距＜100m。陽極周圍由60kg填料包圍，以減小接地電阻及促進腐蝕產(chǎn)物的溶解，匯流點及中間點設(shè)測試樁23支。
3.2犧牲陽極保護的實施效果
具體測量結(jié)果見表4。 表4 保護參數(shù)測量值| 保護參數(shù) | 犧牲陽極種類 | | 鋅合金 | 鎂合金 | | 管道自然電位(V) | -0.495～-0.698 | -0.512～-0.700 | | 管道保護電位(V) | -1.053～-1.139 | -0.971～-1.474 | | 陽極開路電位(V) | -1.109～-1.181 | -1.572～-1.687 | | 陽極輸出電流(mA) | 4～10 | 8～30 | | 土壤電阻率(Ω·m) | 7.54～13.82 | 25.12～32.66 | 表4表明：
?、俦Ｗo電位達到了保護標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的-0.85V，保護效果良好。
?、陉枠O開路電位符合要求。
?、劢^緣接頭絕緣有效。
?、荜枠O可確保使用50a。 4 經(jīng)濟效益及分析 上述3個工程的經(jīng)濟指標(biāo)情況見表5。 表5 陰極保護經(jīng)濟效果評價| 工程名稱 | 總造價(萬元) | 陰極保護投資(萬元) | 保護面積(m2) | 價格(元/m2) | | 寧波供水工程 | 13000 | 130 | 180000 | 7.2 | | 陜氣進津工程 | 11000 | 83 | 85600 | 9.7 | | 外環(huán)線高壓管道 | 60000 | 56 | 36000 | 15.6 | 可以看出，陰極保護在工程總造價中的比例基本＜1%，其造價為10元/m2左右。只要保證施工質(zhì)量，及時監(jiān)測，確保管道達到保護電位，就可確保管線在設(shè)計年限內(nèi)(20～30a)不因腐蝕問題出現(xiàn)事故，屬于典型的低投入、高產(chǎn)出技術(shù)。若單獨采用增加防腐層等級的方法，不僅費用增加很多，而且并不安全，在現(xiàn)場施工中不可避免地會造成防腐層的破損，而在破損處會形成“大陰極、小陽極”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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收稿日期：2000-09-09 | 
