在役燃氣管網(wǎng)追加強制電流陰極保護關(guān)鍵技術(shù)

岑 康 王 磊 孫華鋒 韓 滔 王 飛

1.西南石油大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院 2.中國石油西南油氣田公司輸氣管理處成都輸氣作業(yè)區(qū)3.中國石油西南油氣田公司管道管理部

0 引言

截至2017年底，國內(nèi)城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)總長度已達到62.3×104km[1]。隨著服役時間的延長，腐蝕失效必將成為埋地鋼質(zhì)燃氣管道失效的主要形式之一[2-3]。據(jù)統(tǒng)計，1962—2016年英國陸上管道因腐蝕失效比例為21.3%，僅次于外部干擾[4]。2006—2016年歐洲天然氣管道腐蝕失效的比例為25%，僅次于外部干擾[5]。川渝地區(qū)油氣管道運行43年以來，由于腐蝕導(dǎo)致的失效比例達到39.5%[6]。由于燃氣管網(wǎng)常處于人口稠密地區(qū)，輸送介質(zhì)為易燃易爆氣體，一旦發(fā)生腐蝕穿孔泄漏，極易引發(fā)火災(zāi)、爆炸等惡性事故，嚴重威脅周邊居民的生命和財產(chǎn)安全[7]。

實踐證明，采用外防腐層和陰極保護相結(jié)合的方式，可有效防止鋼質(zhì)管道腐蝕[8]。由于強制電流陰極保護可能對鄰近金屬構(gòu)筑物存在一定雜散電流干擾，在燃氣管網(wǎng)腐蝕防護中應(yīng)用較少。目前，在役燃氣管網(wǎng)主要采用犧牲陽極的陰極保護法[9]。但由于強制電流法具有輸出電流大且可調(diào)、保護范圍廣、較犧牲陽極法土石方開挖量大大降低、在城區(qū)易于實施等顯著優(yōu)點，福州、北京等少數(shù)城市先后嘗試將強制電流陰極保護技術(shù)運用于城區(qū)埋地鋼質(zhì)燃氣管網(wǎng)的腐蝕防護上[10-11]。

然而，在役燃氣管網(wǎng)環(huán)枝結(jié)合、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，分布于城市的大街小巷，分支和附屬設(shè)備設(shè)施多，建設(shè)投運時間不一致，外防腐層類型多且質(zhì)量參差不齊，管道防腐層破損點多，閥門一般也沒有進行專門的絕緣處理，且雜散電流干擾源多。在運營過程中，可能還間或埋設(shè)有聚乙烯管道、犧牲陽極包、絕緣接頭等，但又未準確標注在管網(wǎng)圖上。上述特殊性，導(dǎo)致在役燃氣管網(wǎng)追加陰極保護設(shè)計過程中，往往面臨管網(wǎng)電連續(xù)性時斷時續(xù)、防腐層絕緣電阻值變化大、管網(wǎng)末端絕緣改造工作量巨大等難題，給其設(shè)計與調(diào)試工作帶來了很大的挑戰(zhàn)和不確定性。

針對上述問題，在總結(jié)在役燃氣管網(wǎng)追加強制電流陰極保護設(shè)計流程的基礎(chǔ)上，對管網(wǎng)電連續(xù)性檢測、陰極保護分區(qū)、陰極保護電流強度、管網(wǎng)電絕緣性改造（樓棟調(diào)壓箱、閥門、防腐層破損點）方案優(yōu)化等關(guān)鍵問題進行研究。此外，對樓棟調(diào)壓箱前法蘭絕緣改造前后的電阻進行實地測試，并對各種絕緣改造方案進行技術(shù)經(jīng)濟對比分析，旨在為在役燃氣管網(wǎng)追加強制電流保護提供借鑒。

1 追加陰極保護設(shè)計流程

對在役燃氣管網(wǎng)追加強制電流保護設(shè)計工作進行總結(jié)，提出了優(yōu)化的設(shè)計流程，如圖1所示。首先根據(jù)電連續(xù)性檢測結(jié)果，確定陰極保護對象和陰極保護方案。然后劃分保護分區(qū)，確定陰極保護站的位置，并開展饋電試驗。若饋電試驗效果較差，分區(qū)內(nèi)的部分管道達不到有效保護，應(yīng)調(diào)整保護分區(qū)，并重新開展饋電試驗；反之則確定陽極井的數(shù)量，對陽極井的地質(zhì)參數(shù)進行勘察，并確定深井陽極地床深度等參數(shù)。最后對管網(wǎng)的電絕緣性改造方案進行優(yōu)化。

圖1 在役燃氣管網(wǎng)追加陰極保護設(shè)計流程圖

2 陰極保護設(shè)計關(guān)鍵問題

2.1 陰極保護對象及其電連續(xù)性

在役燃氣管網(wǎng)包括市政輸配干網(wǎng)和用戶管道等。其中市政輸配干網(wǎng)管徑較大、輸送壓力較高，一旦發(fā)生腐蝕穿孔，極易引發(fā)火災(zāi)、爆炸等惡性事故。且市政輸配干網(wǎng)的防腐層質(zhì)量往往較好，對其追加陰極保護可以獲得良好保護效果，能有效降低管網(wǎng)運行風險。而用戶管道則往往存在防腐層質(zhì)量較差、與外部金屬結(jié)構(gòu)搭接等問題，嚴重影響陰極保護實施效果。針對這一情況，可依據(jù)用戶管道電連續(xù)性檢測、饋電試驗的結(jié)果，綜合判斷管道防腐層的質(zhì)量和漏電情況。對于防腐層質(zhì)量較好、漏電不嚴重的用戶管道，可考慮將其納入陰極保護范圍。而對于防腐層質(zhì)量較差、漏電嚴重的用戶管道，則不對其追加陰極保護，以免影響陰極保護系統(tǒng)的整體效果。

管道的電連續(xù)性是陰極保護的前提條件。在役燃氣管網(wǎng)中部分位置可能安裝有聚乙烯管道、絕緣接頭、犧牲陽極包，且大部分未有標識，導(dǎo)致管道的電連續(xù)性較差，應(yīng)采用PCM+等儀器對其開展電連續(xù)性檢測。需要排查的問題包括：①對管網(wǎng)中的聚乙烯管道、已建絕緣接頭進行準確定位；②查找原有犧牲陽極包的安裝位置；③排查燃氣管道與外部金屬結(jié)構(gòu)搭接的情況。檢測時，電流測量點應(yīng)沿管道均勻分布，以便根據(jù)管道沿線電流變化趨勢來判斷管道的漏電、搭接、電流屏蔽與已建絕緣接頭等情況。

2.2 陰極保護分區(qū)及保護電流強度

2.2.1 陰極保護分區(qū)

針對在役燃氣管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、難于實施土石方開挖等特點，推薦采用強制電流法進行陰極保護。對強制電流保護區(qū)域內(nèi)無法達到有效保護的管道，應(yīng)采用犧牲陽極法進行補充保護。受最大和最小保護電位的限制，一個強制電流陰極保護站的保護范圍有限，應(yīng)將保護區(qū)域內(nèi)的管道劃分為若干個相對獨立的保護分區(qū)。而在現(xiàn)有標準中，尚未提出適用于在役燃氣管網(wǎng)追加強制電流陰極保護的分區(qū)方法[12]。

針對上述情況，提出在役燃氣管網(wǎng)陰極保護分區(qū)步驟：①根據(jù)河流和鐵路的走向、管道防腐層的類型和等級、管道拓撲結(jié)構(gòu)、電連續(xù)性檢測結(jié)果，對保護區(qū)域進行初步分區(qū)，確定擬建陰極保護站的位置；②在各個擬建陰極保護站的位置開展聯(lián)合饋電試驗，模擬整個陰極保護系統(tǒng)的實際運行狀態(tài)，在饋電試驗過程中，應(yīng)確保管道充分極化后，再測量其陰極保護電位與電流強度[13]；③結(jié)合聯(lián)合饋電試驗結(jié)果，分析管道陰極保護電位分布、深井陽極地床處電流發(fā)散性、管道沿線電流漏損點和雜散電流干擾情況，對保護分區(qū)邊界、深井陽極地床數(shù)量與位置進行調(diào)整和優(yōu)化。

饋電試驗系統(tǒng)由電源設(shè)備和臨時陽極地床組成。電源采用連續(xù)、穩(wěn)定、可調(diào)的直流電源輸出，可根據(jù)管道的極化情況調(diào)整輸出電流的大小，確保管道的極化效果。臨時陽極地床采用鍍鋅角鋼或接地模塊，且臨時陽極地床的接地電阻應(yīng)控制在較低水平，便于電源設(shè)備輸出較大的電流。由于接地模塊可能出現(xiàn)與地下其他金屬結(jié)構(gòu)搭接等情況，容易對電流的走向產(chǎn)生直接影響。因此，推薦采用現(xiàn)場埋設(shè)角鋼的方式制作臨時陽極地床，并通過調(diào)整角鋼埋設(shè)數(shù)量來控制接地電阻。饋電試驗可選擇臨時陽極地床附近的閥井、露空管段作為饋流點。而電位測試點可選擇管道沿線的閥井、樓棟調(diào)壓箱前的露空管段等便于測試的位置，且測試點應(yīng)盡量均勻分布。

2.2.2 陰極保護電流強度

陰極保護電流強度可以通過經(jīng)驗法或饋電試驗確定[13]。經(jīng)驗法是根據(jù)文獻或標準規(guī)范，選取類似管道的保護電流密度推薦值，再根據(jù)被保護管道的表面積來計算保護電流強度。新建管道的保護電流密度可根據(jù)管道外防腐層的絕緣電阻值確定。而在役燃氣管網(wǎng)隨著服役時間的增加，防腐層逐漸老化、破損，絕緣電阻值降低，導(dǎo)致保護電流密度的需求量增大。因此，經(jīng)驗法不適用于確定在役燃氣管網(wǎng)的保護電流強度。

饋電試驗?zāi)M陰極保護站對擬追加陰極保護的管道施加臨時陰極保護，可相對直接、準確地獲取所需保護電流強度，為電源設(shè)備的選型、深井陽極地床接地電阻的控制提供參考依據(jù)。例如，四川省綿陽市高新區(qū)部分燃氣管網(wǎng)（約5 km），采用直流電焊機輸出48 V/28 A的電流進行饋電試驗。管道通電極化4 h后，管道沿線的自然電位和通/斷電電位的測量值如表1所示，電位隨時間的變化趨勢如圖2所示。根據(jù)陰極保護準則可知，電源設(shè)備輸出28 A的保護電流時，該管網(wǎng)能夠達到有效保護。此外，5 km的管道極化4 h后，通電電位波動較小，斷電電位趨于穩(wěn)定，可以避免因極化時間不足引起的電位測量誤差。因此，根據(jù)饋電試驗數(shù)據(jù)，強制電流陰極保護系統(tǒng)電源設(shè)備宜選用50 V/50 A或以上規(guī)格。

表1 管道沿線電位表

斷電電位的測量應(yīng)在斷電0.5 s之后進行[14]，也可使用脈沖示波器記錄斷電后電位的變化曲線。此外，需連續(xù)24 h測量電氣化鐵路對管道的干擾情況。當交流電流密度大于等于30 A/m2時，應(yīng)采取排流措施[15-16]。

開展饋電試驗前，應(yīng)在保護管道與未保護設(shè)施之間安裝電絕緣裝置，使饋電區(qū)域內(nèi)實施陰極保護的埋地管道與外部結(jié)構(gòu)徹底絕緣。然而，在役燃氣管網(wǎng)難以做到饋電區(qū)域與外部結(jié)構(gòu)的徹底絕緣。如閥門絕緣處理不當、樓棟調(diào)壓箱與接地系統(tǒng)相連等，均會導(dǎo)致絕緣不徹底。同時城鎮(zhèn)埋地管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可能存在與其他金屬管道搭接等情況，也會導(dǎo)致保護電流大量流失。因此，根據(jù)饋電試驗結(jié)果，如何準確確定保護電流強度還有待進一步研究。

2.3 深井陽極地床及深度確定

強制電流采用的陽極地床主要分為淺埋點狀、深井、水平和分布陽極地床[17]。其中，深井陽極地床不受地形限制，對外界結(jié)構(gòu)干擾小[18]，能提供更均勻的電流分布，適用于埋地鋼質(zhì)管道或金屬結(jié)構(gòu)密集區(qū)域的管道陰極保護。因此，根據(jù)在役燃氣管網(wǎng)的特點，對其追加強制電流陰極保護時，推薦采用深井陽極地床。

深井陽極地床應(yīng)位于保護管網(wǎng)的中心位置，并盡量與現(xiàn)有燃氣站場合建，便于增大保護范圍，提高土地利用效能。深井陽極地床對外界金屬結(jié)構(gòu)可能存在一定干擾。在確定深井陽極地床位置時，應(yīng)采取適當措施，以盡量減小相應(yīng)干擾的不利影響。常見的措施包括：①確保深井陽極地床與被保護管道之間無其他金屬結(jié)構(gòu)；②避開重要的金屬結(jié)構(gòu)，或與其保持足夠的安全間距；③根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造和地下土壤電阻率分布等情況，盡量將接地電阻控制在1 Ω以下，并盡量增大深井陽極地床的埋深；④監(jiān)測深井陽極地床周圍的電位梯度，當土壤電位梯度大于2.5 mV/m時，應(yīng)采取排流措施[16]。

可根據(jù)深井陽極地床勘察報告中提供的縱向土壤電阻率分布、地下水位等參數(shù)，合理確定深井陽極地床的深度，盡量減小其接地電阻，可有效降低電源輸出電壓（功率），進而減少對外部設(shè)施的干擾。某深井陽極地床所在位置的地下土壤電阻率分布如圖3所示。地下水位深度為8.1 m。隨著井深的增加，平均土壤電阻率在22.9～56.2 Ω·m范圍內(nèi)波動。當井深大于84 m時，土壤電阻率急劇增大，因此建議深井陽極地床深度不超過84 m。根據(jù)陽極體的選用情況，選取陽極段長度中點深度的土壤電阻率值，計算校核深井陽極地床的接地電阻（小于1 Ω），確定陽極體長度和深井陽極地床深度。

圖3 某深井陽極地床土壤電阻率分布圖

2.4 管網(wǎng)電絕緣性改造方案優(yōu)化

2.4.1 樓棟調(diào)壓箱改造

樓棟調(diào)壓箱位于管網(wǎng)末端，一般通過膨脹螺栓或支架安裝于永久性承重墻上，底部距地坪的高度約1.5 m，用于將燃氣從中壓調(diào)壓至用戶所需壓力。部分樓棟調(diào)壓箱的進氣管上焊接有鍍鋅扁鋼等接地線，并通過小區(qū)防雷接地網(wǎng)或人工接地極接地，如圖4所示。對管道施加陰極保護后，如果樓棟調(diào)壓箱處不絕緣，保護電流將會通過此處流失，將直接影響整個陰極保護系統(tǒng)的正常工作。由于樓棟調(diào)壓箱數(shù)量巨大，其對應(yīng)的電絕緣性改造工作量也非常大。

為評價樓棟調(diào)壓箱在未進行電絕緣性改造前的漏電情況，對中石油南充燃氣有限責任公司、成都新都港華燃氣有限公司轄區(qū)內(nèi)共計42個樓棟調(diào)壓箱前法蘭的電阻值進行了實地測量，如圖5所示。測量方式如下：①將法蘭和管道表面的防銹漆刮除，并將其表面打磨出金屬光澤；②將2根導(dǎo)線的一端分別與萬用表的紅黑表筆連接，另一端通過磁鐵分別固定在法蘭盤和管道上；③調(diào)節(jié)萬用表檔位，測量法蘭兩端的電阻值。

法蘭絕緣改造前電阻測量結(jié)果的頻數(shù)分布直方圖及分布曲線如圖6所示。采用統(tǒng)計產(chǎn)品與服務(wù)解決方案（Statistical Product and Service Solutions，SPSS）軟件，對法蘭絕緣處理前的電阻樣本進行非參數(shù)檢驗，表明法蘭絕緣處理前的電阻值服從正態(tài)分布。此外，當置信概率為95%時，法蘭絕緣處理前電阻的置信區(qū)間為 [28.6 Ω，37.6 Ω]。

圖4 樓棟調(diào)壓箱及其接地系統(tǒng)照片

圖5 法蘭電阻的測量照片

圖6 法蘭絕緣改造前電阻值頻數(shù)分布直方圖

在最不利狀態(tài)下（即法蘭兩端的電位差最大，假定法蘭前端為最大保護電位－1.2 V，法蘭后端為管地電位－0.50 V），根據(jù)絕緣處理前法蘭電阻值的置信下限，估算最大漏電量為24.48 mA。上述結(jié)果表明，樓棟調(diào)壓箱的漏電量較大，必須對其進行電絕緣性改造才能確保陰極保護系統(tǒng)的正常運行?？赡艿碾娊^緣性改造方案如下。

1）方案1：樓棟調(diào)壓箱進氣管道上焊接絕緣接頭。樓棟調(diào)壓箱進氣管上無法蘭的，經(jīng)停氣、置換后，將進氣管割斷，焊接絕緣接頭。

2）方案2：樓棟調(diào)壓箱進氣管道上安裝法蘭連接式絕緣接頭。樓棟調(diào)壓箱進氣管上安裝有法蘭的，采用法蘭連接式絕緣接頭，通過預(yù)制法蘭盤與原有法蘭盤進行螺栓連接，替換進氣閥后法蘭盤之間的燃氣管道，如圖7所示。

3）方案3：采用絕緣緊固件替換普通法蘭螺栓。當樓棟調(diào)壓箱前帶法蘭盤時，通過在原法蘭螺栓外增加絕緣膠帶，在原鋼墊圈與法蘭盤之間加裝絕緣墊圈，對樓棟調(diào)壓箱進行電絕緣性改造[11]（圖8-a）。聚四氟乙烯材料具有優(yōu)良的絕緣性能，以及較強的耐輻照性能和較低的滲透性，即使長期暴露于大氣中，其性能仍可保持不變。因此，絕緣膠帶可考慮選用聚四氟乙烯生料帶或絕緣電工膠布，絕緣墊圈選用聚四氟乙烯墊片，絕緣緊固件如圖8-b、c所示。此改造方案施工難度小、效率高，能顯著減少改造時間，降低改造成本。

為了評價方案3的絕緣效果，對改造后的法蘭電阻進行測試，結(jié)果如表2所示。根據(jù)法蘭絕緣改造后的電阻值，估算平均漏電量為0.001 7 mA。法蘭絕緣處理后的電阻雖然低于相關(guān)標準[19]中規(guī)定的絕緣接頭、絕緣法蘭的絕緣電阻值應(yīng)高于20 MΩ的要求，但其電流漏損量與改造前相比，已大大降低?？赏ㄟ^適當增大保護電流來彌補，只會增加少許電費支出，屬于可接受范圍。因此，通過增設(shè)絕緣膠帶、絕緣墊圈可以達到絕緣效果。

圖7 法蘭連接式絕緣接頭安裝圖

圖8 增設(shè)絕緣膠帶、絕緣墊圈的改造原理圖

表 2 絕緣改造后的法蘭電阻值表 MΩ

對上述3種改造方案進行綜合技術(shù)經(jīng)濟對比分析（表3）。由表3可知，若樓棟調(diào)壓箱前安裝有法蘭時，建議采用增設(shè)絕緣膠帶、絕緣墊圈的改造方案；無法蘭時，則采用焊接絕緣接頭的改造方案。

2.4.2 閥門改造

在役燃氣管網(wǎng)的部分閥門在涂刷防銹漆后，埋設(shè)在閥井內(nèi)。部分閥門銹蝕嚴重，存在較嚴重的漏電情況，如圖9所示。為了減少保護電流的漏損量，應(yīng)對其進行電絕緣性改造。

表3 電絕緣性改造方案技術(shù)經(jīng)濟對比表

圖9 埋地閥門現(xiàn)狀照片

燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)的閥井數(shù)量眾多，改造工作量大，短期內(nèi)無法完成。可根據(jù)電連續(xù)性檢測、饋電試驗、陰極保護系統(tǒng)調(diào)試等結(jié)果，判斷不同閥門的漏電嚴重程度，進而制訂合理的改造計劃。對電流漏損嚴重的閥門，可采用將其整體更換為電絕緣性更好的直埋閥等方式，優(yōu)先進行改造。而電流漏損相對較輕的閥門，可通過外包橡膠墊、加纏熱縮帶、包覆粘彈體防腐膏等方式，對閥門及兩側(cè)露空管道進行電絕緣性改造。

2.4.3 管道外防腐層修復(fù)

在役燃氣管網(wǎng)的防腐層多以石油瀝青和三層PE為主。目前，常用的外防腐層修復(fù)材料有冷纏帶、熱收縮帶、無溶劑液體環(huán)氧涂料和粘彈體材料等[20]。然而，部分管道埋設(shè)在機動車道下，不便于對其破損點進行開挖修復(fù)。因此，可根據(jù)電連續(xù)性檢測、PCM檢測和陰極保護系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果，判斷破損點的漏電情況與修復(fù)難易程度，制訂合理的修復(fù)計劃。對防腐層破損較大、漏電較為嚴重的位置優(yōu)先進行修復(fù)。

3 結(jié)論

在役燃氣管網(wǎng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，追加強制電流陰極保護設(shè)計時，需考慮管道參數(shù)、地形、干擾等諸多因素?？偨Y(jié)了在役燃氣管網(wǎng)追加強制電流陰極保護設(shè)計的思路，并對設(shè)計中面臨的管道電連續(xù)性、保護分區(qū)劃分、保護電流強度確定、管網(wǎng)電絕緣性改造方案等關(guān)鍵技術(shù)問題進行分析，提出以下解決辦法：

1）市政干網(wǎng)應(yīng)追加陰極保護，用戶管道應(yīng)根據(jù)其電連續(xù)性檢測、饋電試驗結(jié)果，判斷是否具備追加陰極保護的條件?？衫肞CM+等儀器，排查影響管道電連續(xù)性的各種因素，確保管道的電連續(xù)性。

2）綜合考慮防腐層的類型和質(zhì)量、管道拓撲結(jié)構(gòu)、電連續(xù)性檢測、河流和鐵路的分布等情況，進行初步分區(qū)。開展饋電試驗，確定各分區(qū)所需保護電流強度，并對深井陽極地床的數(shù)量和位置進行優(yōu)化。

3）在役燃氣管網(wǎng)追加強制電流時，推薦采用深井陽極地床。通過深井陽極地床勘察結(jié)果確定深井陽極地床的深度，盡量減小其接地電阻，以降低電源設(shè)備的輸出電壓和功率，進而減少對外部金屬結(jié)構(gòu)的干擾。

4）當樓棟調(diào)壓箱前安裝有法蘭時，推薦采用增設(shè)絕緣膠帶、絕緣墊圈的絕緣改造方案；無法蘭時，則采用焊接絕緣接頭的絕緣改造方案。

5）根據(jù)電連續(xù)檢測、陰極保護系統(tǒng)調(diào)試等結(jié)果，判斷閥門、管道防腐層破損點的漏電情況與修復(fù)難易程度，制訂閥門、防腐層破損點絕緣改造計劃。