城市燃?xì)夤芫W(wǎng)陰極保護(hù)可行性與設(shè)計(jì)要點(diǎn)

吳林虎，吳發(fā)東，馮岺岺，劉元洪，晁玉滿

（1.中國石油工程設(shè)計(jì)公司青海分公司，敦煌736202；2.川慶鉆探工程有限公司四川油建科宏公司，成都610213；3.西部鉆探青海鉆井公司，敦煌736202）

1 概述

近年來，我國天然氣工程建設(shè)方興未艾，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)建設(shè)得到了迅猛發(fā)展。城市燃?xì)夤芫W(wǎng)建設(shè)區(qū)域往往人口稠密，其突出特點(diǎn)是保護(hù)面積大、雜散電流多、絕緣難度大、施工條件苛刻、腐蝕環(huán)境復(fù)雜、保護(hù)要求高，因而其陰極保護(hù)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。

目前，在大直徑、高壓力供氣干線及城市中壓輸氣管網(wǎng)建設(shè)中，抗壓能力強(qiáng)、塑性良好且易于焊接的鋼質(zhì)管道仍占主導(dǎo)地位［1］。埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿酪酝寥缹芡獗诘木植侩娀瘜W(xué)腐蝕為主要腐蝕形式，并受多種因素影響，其中以土壤電阻率最為重要［2］。

我國早期建設(shè)的在役城市燃?xì)夤芫W(wǎng)有相當(dāng)部分只采用了涂覆層而未采用陰極保護(hù)措施，腐蝕穿孔頻發(fā)，給城市的正常運(yùn)轉(zhuǎn)造成了嚴(yán)重影響，更為嚴(yán)重的是，一旦泄漏不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理，極易造成燃燒和爆炸事故，對公共安全構(gòu)成重大威脅，因此陰極保護(hù)措施的重要性不容置疑。

1971年，美國首次立法規(guī)定，對輸送危險(xiǎn)、重要物料的地下管道在涂層防腐蝕的基礎(chǔ)上，必須實(shí)施陰極保護(hù)；此后，日本、英國、前蘇聯(lián)等國也明文規(guī)定：“禁用未施加陰極保護(hù)而只有防腐蝕涂層的地下金屬管道”。由于覆蓋層和陰極保護(hù)雙重防腐蝕措施的采用，使得地下管線穿孔、斷裂事故顯著減少，在安全性提高的同時(shí)，也大大提高了經(jīng)濟(jì)效益。

我國從1987年首屆城市管道腐蝕與防護(hù)大會以來，陰極保護(hù)的必要性已形成共識，燃?xì)庑袠I(yè)形成了以CJJ95-2003《城市燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》等為代表的燃?xì)夤芫W(wǎng)相關(guān)技術(shù)要求體系，腐蝕控制水平大步提升，取得了顯著的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

2 城市燃?xì)夤芫W(wǎng)采用陰極保護(hù)的可行性

2.1 城市燃?xì)夤芫W(wǎng)實(shí)施陰極保護(hù)的可行性

據(jù)文獻(xiàn)記載，北京市未實(shí)施陰極保護(hù)的早期管網(wǎng)，頻繁發(fā)生穿孔、泄漏事故，而后期實(shí)施陰極保護(hù)的超過1 200km高壓和部分中壓燃?xì)夤艿?，在投運(yùn)的6a間，從未發(fā)生電化學(xué)腐蝕穿孔泄漏［3］。一般而言，陰保設(shè)施僅占項(xiàng)目總投資的2%～4%左右，卻可以延長管網(wǎng)系統(tǒng)使用壽命幾倍甚至幾十倍。根據(jù)我國部分城市實(shí)踐，只要設(shè)計(jì)合理，施工規(guī)范，驗(yàn)收嚴(yán)格，陰極保護(hù)設(shè)施的投資可控制在管道建設(shè)總投資的2%左右，甚至更低；西方國家類似項(xiàng)目則占5%左右。對于已經(jīng)穿孔的舊管道，施加陰極保護(hù)也可有效減少泄漏次數(shù)，延緩腐蝕速率。

以GB／T 21448-2008《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》、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》為依托的技術(shù)規(guī)范體系已逐步完善，國內(nèi)上百個(gè)城市的實(shí)踐也為城市燃?xì)夤芫W(wǎng)陰極保護(hù)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。事實(shí)證明，根據(jù)不同腐蝕環(huán)境，有針對性地采用犧牲陽極或強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，可以取得滿意的效果。

2.2 復(fù)雜腐蝕環(huán)境下的技術(shù)可行性案例

2012年拉薩市燃?xì)夤芫W(wǎng)工程按中心城區(qū)布局劃分片區(qū)設(shè)計(jì)，一級主干管網(wǎng)以環(huán)狀管網(wǎng)為主要布置形式，二級管網(wǎng)以支狀管網(wǎng)為主要布置形式，采用高頻焊接（HFW）鋼管，對管道采用常溫型（N）3LPE加強(qiáng)級防腐蝕（工廠預(yù)制），工程量見表1；管網(wǎng)無跨越段，共有3處大型河流穿越，詳見表2。

表1 管道主要工程量

表2 主要穿越統(tǒng)計(jì)表

該工程區(qū)域南北高山、中間夾河，地形變化較大，地下水位變化幅度很大，絕大部分區(qū)域地下水埋藏較深，個(gè)別管段所在區(qū)域（如拉魯濕地周邊）地下水埋藏高于管線埋深，在埋深以內(nèi)土質(zhì)稍濕～飽和；沿線2.4m深度范圍內(nèi)土壤電阻率介于14.47～1261.3Ω·m，平均土壤電阻率為353.4Ω·m，總體以弱腐蝕性為主，局部具有強(qiáng)腐蝕性。區(qū)域內(nèi)管網(wǎng)交錯(cuò)，陰極保護(hù)實(shí)施難度較大。根據(jù)整體土壤電阻率均值大、無法使用塊狀犧牲陽極的情況，對干線、環(huán)網(wǎng)采用了全線強(qiáng)制電流＋局部帶狀陽極方式，解決了屏蔽問題，在管網(wǎng)交叉段則采用了“安全規(guī)避＋絕緣橡膠板電隔離＋排流措施”，多方位解決干擾腐蝕問題，具備了較高的技術(shù)可行性。

又如，2004年洛陽市燃?xì)廨斉涔こ蹋晒苋L約30km，除個(gè)別地段土壤電阻率在22～41Ω·m外，其余均在20Ω·m以下，大部分屬強(qiáng)腐蝕環(huán)境?？紤]到對外界干擾情況影響、維護(hù)管理費(fèi)用及擴(kuò)展能力，確定采用鎂陽極保護(hù)，并采取了其它補(bǔ)充保護(hù)措施，在投運(yùn)后第1，3，5年分別進(jìn)行測量，保護(hù)電位穩(wěn)定且均負(fù)于-0.85V（CSE），經(jīng)檢查片分析，保護(hù)度達(dá)到89%，處于良好保護(hù)狀態(tài)。

城市燃?xì)夤芫W(wǎng)所處的外腐蝕環(huán)境往往管網(wǎng)縱橫、地質(zhì)地形條件差、限制條件多、腐蝕環(huán)境復(fù)雜，且面臨的干擾及屏蔽問題突出，但只要充分調(diào)查，精心設(shè)計(jì)，技術(shù)問題均可得到妥善解決。

3 城市燃?xì)夤芫W(wǎng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析與建議

與長輸管道相比，城市管道陰極保護(hù)有明顯的復(fù)雜性和特殊性，比如陽極地床布置受限、管線規(guī)格及分支管線繁多（絕緣要求高）、干擾及屏蔽因素普遍、設(shè)施易損壞、外觀要求高（特別是測試樁）等，因此，在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)尤其重視以下幾方面。

3.1 極化電源及陽極地床的選擇

由于城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的復(fù)雜特性，因此在設(shè)計(jì)中，應(yīng)結(jié)合管道等級、防腐蝕層、長度、管網(wǎng)數(shù)量及分布，充分考慮土壤電阻率、地下水位等地質(zhì)條件的影響，加強(qiáng)現(xiàn)場調(diào)研，優(yōu)選陽極地床方案，合理選用極化電源，為陰極保護(hù)系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠和覆蓋全面的電流供應(yīng)。一般而言，在保護(hù)規(guī)模較小時(shí)，可采用塊狀鎂陽極、鋅陽極，陽極塊應(yīng)盡量埋設(shè)在易更換的位置，以提供盡可能均勻的極化電流并減少日常管理難度；如果保護(hù)規(guī)模較大、監(jiān)控要求較高或土壤電阻率大于100Ω·m，可優(yōu)先采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)，以提高保護(hù)的可靠性，減少陰保設(shè)施數(shù)量及有色金屬消耗。此外，根據(jù)近年來國內(nèi)外研究成果，在高電阻率環(huán)境且強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)實(shí)施條件較差時(shí)（如淺層土壤電阻率非常高且缺乏深井陽極地質(zhì)條件），可采用帶狀鋅陽極或帶狀鎂陽極保護(hù)［4］。

針對城市燃?xì)夤芫W(wǎng)的特點(diǎn)，條件具備時(shí)，在主干網(wǎng)、環(huán)網(wǎng)上可采用強(qiáng)制電流（深井式或淺埋式），而在地下金屬構(gòu)筑物密集段的支干網(wǎng)、高壓、次高壓及大于DN100的中壓管道或等于DN200的低壓管道上可采用強(qiáng)制電流（深井式）或犧牲陽極（塊狀或帶狀陽極），而庭院管網(wǎng)則采用可靠防腐蝕涂層而不進(jìn)行陰極保護(hù)。根據(jù)鄰近管網(wǎng)分布、土壤腐蝕性強(qiáng)弱、供電條件、深地層地質(zhì)狀況，還可以有針對性地采用柔性陽極、帶狀陽極（全線）等方式。

相對深井陽極地床、柔性陽極而言，淺埋陽極地床具有工程量小、易于安裝維護(hù)和投資較少的優(yōu)點(diǎn)，其缺點(diǎn)是易產(chǎn)生電流屏蔽且地床布置受地質(zhì)條件限制；深井陽極地床具有占地面積小，利于消除電流屏蔽的突出優(yōu)點(diǎn)，在用地緊張的城市區(qū)域有較大優(yōu)勢；柔性陽極則具有電流分布均勻、保護(hù)充分的優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是投資多，有色金屬及填包料用量大。應(yīng)綜合考慮管網(wǎng)分布、地質(zhì)條件、供電條件及全壽命費(fèi)用等因素，合理選擇陽極地床。

拉薩市燃?xì)庵鞲删W(wǎng)在北京西路以北、拉魯濕地邊緣西南側(cè)地下水位較高，土壤電阻率為區(qū)域最低且大體位于管網(wǎng)中心部位，具有實(shí)施淺埋陽極地床的有利條件，因此陰極保護(hù)站設(shè)在管道和陽極地床附近的北京西路以北、管道里程為K9＋600處，并根據(jù)地質(zhì)條件采用單支連續(xù)焦炭粉水平地床。對保護(hù)規(guī)模較小、土壤腐蝕性為弱～中的經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)B區(qū)則采用鎂合金犧牲陽極管邊軸向臥式埋設(shè)，困難位置采用立式埋設(shè)，每250m布置一組。

3.2 電絕緣與電連續(xù)

（1）電絕緣 沒有絕緣就沒有陰極保護(hù)，不同陰保系統(tǒng)間必須合理采用絕緣措施，對整個(gè)施加陰極保護(hù)的管道系統(tǒng)，在適當(dāng)?shù)奈恢?，分區(qū)塊之間可增加絕緣接頭，以避免部分陰保的失效影響面擴(kuò)大，同時(shí)減少了部分管段受干擾的影響面。在選擇絕緣裝置時(shí)應(yīng)優(yōu)先選用技術(shù)成熟的普通整體型直埋絕緣接頭、電位連接器等。此外，要充分估計(jì)庭院管線與各種非保護(hù)管線搭接、戶內(nèi)管線穿越樓板與鋼筋搭接造成保護(hù)電流大量流失，以及庭院管網(wǎng)對陰極保護(hù)系統(tǒng)的屏蔽作用。可考慮在高壓箱出口采取絕緣措施，把中壓庭院管網(wǎng)保護(hù)起來，而隔離對于整個(gè)陰極保護(hù)系統(tǒng)安全運(yùn)行影響較小、屏蔽作用強(qiáng)而電流消耗過大的低壓庭院管網(wǎng)；或者對低壓庭院管網(wǎng)采用PE塑料管。拉薩市燃?xì)夤芫W(wǎng)在進(jìn)站前、出站后及管網(wǎng)盲板前均設(shè)絕緣接頭進(jìn)行絕緣隔離；同時(shí)，要求后續(xù)分期建設(shè)的非本工程的管道，在接口部位50m范圍內(nèi)必須加設(shè)絕緣接頭以保證電絕緣。

（2）電連續(xù) 為保證內(nèi)部電流均勻、連續(xù)，對非焊接連接的管道與管道設(shè)施（如法蘭連接的閥門），建議設(shè)置跨接電纜或其它有效的電連接方式。對穿跨越管道安裝絕緣裝置的部位，應(yīng)設(shè)置跨接電纜。

3.3 強(qiáng)電沖擊與交／直流干擾防護(hù)措施的選擇

強(qiáng)電沖擊與交直流干擾防護(hù)分高壓交／直流輸電鐵塔及接地系統(tǒng)對附近管道的強(qiáng)電沖擊防護(hù)、輸電線路走廊和電氣化鐵路附近管道的交流干擾防護(hù)、以及高壓輸電線路走廊內(nèi)管道組焊時(shí)的容性防護(hù)等三部分，在選線、定線中，應(yīng)嚴(yán)格按GB／T 21447規(guī)定的安全距離進(jìn)行交流干擾規(guī)避。

（1）強(qiáng)電沖擊防護(hù) 管道與高壓交流／直流輸電線路或通訊鐵塔等設(shè)施靠近時(shí)，在雷擊或輸電線路發(fā)生工頻故障時(shí)，接地系統(tǒng)會在地下形成脈沖電弧，擊傷附近管道，因此需考慮進(jìn)行屏蔽防護(hù)。拉薩燃?xì)夤芫W(wǎng)對與當(dāng)熱西路1處的110kV高壓輸電鐵塔（接近北京西路與德吉路北段交匯處）處管道采取強(qiáng)電沖擊屏蔽措施，距高壓輸電鐵塔、通訊鐵塔或其接地線距離小于3m處還應(yīng)采用絕緣橡膠板進(jìn)行了絕緣處理。

（2）交流感應(yīng)電壓防護(hù) 在高壓交流輸電線路走廊內(nèi)的管道，與110kV及以上輸電線路最外側(cè)邊導(dǎo)線間距≤300m且累計(jì)長度超過2km的管段，考慮進(jìn)行交流感應(yīng)電壓排流防護(hù)。此外，管道在與交流電氣化鐵路并行的區(qū)段，如果二者間距在400m范圍內(nèi)，從并行段的起點(diǎn)開始，每2km設(shè)置一處排流防護(hù)點(diǎn)；在與直供式電氣化鐵路交叉的地段，在交叉段的其中一側(cè)位置設(shè)置一處排流防護(hù)點(diǎn)。排流設(shè)施設(shè)置在電阻率盡量小的位置，拉薩燃?xì)夤芫W(wǎng)排流防護(hù)點(diǎn)位置分布見表3。

表3 交流干擾電壓排流防護(hù)點(diǎn)位置分布表

（3）容性影響的防護(hù) 在110kV及以上高壓交流／直流輸電線路下進(jìn)行管道組焊施工時(shí)，管道上的感應(yīng)電壓可能會對施工人員造成電擊傷害，應(yīng)采取防容性影響措施。管道組焊長度超過300m時(shí)，可每隔300m安裝臨時(shí)接地設(shè)施，其接地電阻應(yīng)小于30Ω；臨時(shí)接地極可以是接地棒、裸露的套管或其他適宜的金屬接地體，其接點(diǎn)應(yīng)具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和導(dǎo)電性，管道下溝回填后撤消臨時(shí)接地。

3.4 防止電流屏蔽的技術(shù)措施

（1）管網(wǎng)電流屏蔽 根據(jù)工程條件合理選擇極化電源及陽極地床，是減少或避免電流屏蔽的決定因素。犧牲陽極塊布置較靈活，而強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中，柔性陽極可提供較理想的電流分布，深井陽極地床比淺埋陽極地床更易避免電流屏蔽且具有占地少的突出優(yōu)點(diǎn)。因此，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)管網(wǎng)分布、地質(zhì)條件、管理難度及全壽命費(fèi)用等因素，合理選擇陰保方案。拉薩燃?xì)夤芫W(wǎng)對干線、環(huán)網(wǎng)采用了全線強(qiáng)制電流＋局部帶狀陽極方式，解決了屏蔽問題。

（2）套管電流屏蔽 無論套管采用何種材質(zhì)，套管穿越段都存在屏蔽作用，一旦套管內(nèi)進(jìn)水，盲區(qū)內(nèi)的管道將得不到保護(hù)［5］。針對套管的屏蔽，一般選用開路電位較低、使用壽命較長的鋅帶陽極螺旋式纏繞在管道上，每隔2m與管道焊接一次。

3.5 測試裝置的選用與布置

與長輸管道不同，城市型測試樁更強(qiáng)調(diào)結(jié)實(shí)、耐候、美觀、智能及防盜等功能。目前，我國城市燃?xì)夤芫W(wǎng)測試系統(tǒng)配套裝置還有很大的提高余地，尤其是適應(yīng)城市環(huán)境的普通測試樁、智能測試樁還沒有定型產(chǎn)品，給設(shè)計(jì)與施工造成了極大不便。拉薩燃?xì)夤芫W(wǎng)的河流穿越段兩端均采用城市型智能電位測試樁，其他地段按城市型普通電位測試樁、城市型智能電位測試樁兩種類型間隔500m交替布置。測試樁盡可能設(shè)置在管道交叉、易發(fā)生雜散電流的部位，且盡量安裝在管道沿線中不阻礙通行、土壤腐蝕性強(qiáng)、濕度大、地下水位高的位置。此外，必須注意，城市型智能測試樁主要安裝還應(yīng)充分考慮氣候影響，當(dāng)室外氣溫＜-12℃時(shí)，智能電位采集儀必須敷設(shè)與凍土層之下，避免低溫?fù)p壞。

3.6 其他注意事項(xiàng)

（1）雜散電流的影響 電車、電氣化鐵路、以接地為回路的輸電系統(tǒng)等電力系統(tǒng)，都可能在土壤中產(chǎn)生雜散電流，地下管道在沒有雜散電流時(shí)，腐蝕電池的兩極電位差只有數(shù)百毫伏，而在有雜散電流存在時(shí)，管道上的管地電位可能高達(dá)8～9V甚至更高，通過的電流最大能達(dá)到數(shù)百安培，其影響則可以遠(yuǎn)達(dá)幾十公里的范圍，因此，在進(jìn)行陰極保護(hù)設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮雜散電流的影響，并采取相應(yīng)的排流措施。

（2）臨時(shí)陰極保護(hù) 城市燃?xì)夤芫W(wǎng)由于施工環(huán)節(jié)影響因素眾多，多采取分段、分片、分期施工方式，施工周期較長，因此，建議在管線陰極保護(hù)系統(tǒng)投運(yùn)之前，考慮實(shí)施臨時(shí)陰極保護(hù)。

4 結(jié)束語

對城市燃?xì)饴竦毓艿啦捎酶采w層和施加陰極保護(hù)的聯(lián)合保護(hù)，是行之有效的腐蝕控制措施，已于2003年在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》中進(jìn)行推廣應(yīng)用，預(yù)期“涂層加陰極保護(hù)”的應(yīng)用將得到進(jìn)一步強(qiáng)化。

對城市燃?xì)夤艿朗┘雨帢O保護(hù)是一項(xiàng)專業(yè)性較強(qiáng)的防腐蝕技術(shù)，應(yīng)重要注意極化電源及陽極地床的選擇、電絕緣、干擾防護(hù)、避免電流屏蔽、測試裝置選用與布置等技術(shù)問題，此外，還應(yīng)考慮雜散電流的影響及采取必要的臨時(shí)陰極保護(hù)措施，在工程實(shí)施過程中，陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和維護(hù)，必須由專業(yè)技術(shù)人員執(zhí)行，或在其指導(dǎo)下慎重進(jìn)行。

［1］張峰.陰極保護(hù)技術(shù)在城鎮(zhèn)燃?xì)夤芫W(wǎng)中的應(yīng)用［J］.江西建材，2009，30（1）：24-26.

［2］吳蔭順，曹備.陰極保護(hù)和陽極保護(hù)［M］.北京：中國石化出版社，2007.

［3］李夏喜，丁淑蘭.城市燃?xì)夤芫€陰極保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用探討［J］.城市燃?xì)猓?004，13（2）：13-15.

［4］梁峰.帶狀鋅陽極的應(yīng)用技術(shù)［J］.防腐保溫技術(shù)，2004，23（1）：22-26.

［5］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，2005，28（5）：21-23.