陰極保護技術在埋地燃氣管道中應用研究

劉鵬剛 李妍

摘 ?????要：針對埋地燃氣管道的腐蝕問題，首先對我國埋地燃氣管道的腐蝕現(xiàn)狀進行簡單分析，然后從陰極保護方案選擇、陰極保護系統(tǒng)基本要求及參數(shù)選擇、通電點及參比電極的安裝、測試樁改進、測試樁及恒電位儀的安裝以及陽極布局優(yōu)化等方面入手，對陰極保護技術在埋地燃氣管道中的應用進行具體設計。研究表明：燃氣管道一般均選用犧牲陽極的方法進行陰極保護，在實施陰極保護的過程中，管道保護電位最大為-0.85 V，新建管道自腐蝕電位最大為-0.55 V，接地電流為20 mA/m2，陽極地床與管道之間的水平距離應大于300 mm，垂直距離不應小于1.5 m。

關 ?鍵 ?詞：陰極保護;埋地燃氣管道;腐蝕現(xiàn)狀;陽極地床;測試樁

中圖分類號：TQ050.9+6 ?????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）06-1311-04

Abstract： Aiming at the corrosion problem of buried gas pipelines， the corrosion status of buried gas pipelines in China was briefly analyzed， and then cathodic protection scheme selection， basic requirements and parameters selection of cathodic protection system， installation of electrified point and reference electrode， improvement of test pile， installation of test pile and potentiostat，and optimization of anode layout were discussed. The application of protection technology in buried gas pipeline was designed concretely. The results show that sacrificial anode is generally used for cathodic protection of gas pipelines. In the process of cathodic protection， the maximum protective potential of pipelines is -0.85 V， the maximum self-corrosion potential of new pipelines is -0.55 V， and the grounding current is 20 mA/m2. The horizontal distance between the anode bed and pipelines should be greater than 300 mm， and the vertical distance should not be less than 1.5 m.

Key words： Cathodic protection; Buried gas pipeline; Corrosion status quo; Anode ground bed; Test pile

對于城市中的埋地燃氣管道而言，盡管已經采取了各種涂層防腐措施，但是受到眾多客觀因素的干擾，使得管道仍然會出現(xiàn)嚴重的腐蝕問題。與長輸管道相比，當城市燃氣管道出現(xiàn)腐蝕問題且較為嚴重時，所造成的后果將更為嚴重，因此，十分有必要對埋地燃氣管道實施陰極保護措施[1]。但是，由于城市燃氣管道與油氣長輸管道相比存在較多的區(qū)別，因此，長輸管道中的陰極保護措施并不能直接應用于城市燃氣管道，十分有必要對城市燃氣管道的陰極保護問題進行系統(tǒng)研究。

1 ?埋地燃氣管道腐蝕現(xiàn)狀及原理分析

目前，我國大多數(shù)的城市燃氣管道都采有涂層防腐的方式降低管道腐蝕速率，所采用的涂層技術有環(huán)氧煤瀝青涂層、3PE涂層等，盡管這些涂層技術使得管道腐蝕速率大大降低，但是不管涂層的質量如何，涂層上都會存在一定的缺陷，例如針孔等，這些缺陷主要是在材料加工及運輸?shù)倪^程中產生的[2]。當涂層及管道埋設于地下以后，受到土壤及地層人員活動的影響，會使得涂層缺陷擴大化，進而管道無法被有效保護，使得管道腐蝕速率增加，如圖1所示即為國內某燃氣管道腐蝕圖，這種嚴重的管道腐蝕問題將嚴重威脅燃氣管道的安全，因此，必須進一步采取措施降低管道腐蝕速率。

通過調查及分析后發(fā)現(xiàn)，引起城市燃氣管道腐蝕的因素主要有四點：

（1）城市燃氣管道在日常運行的過程中，極易受到城市中雜散電流的干擾，雜散電流的存在不但會對涂層產生一定的破壞，而且可以加速管道的腐蝕。

（2）目前國內并沒有形成專業(yè)的涂層檢測標準，造成部分涂層材料質量低下，在使用幾年以后，涂層會出現(xiàn)凹凸不平問題，這說明涂層的粘結力嚴重不足。

（3）我國部分燃氣管道施工單位人員水平較低，在施工的過程中會對管道產生一定的損傷，進而造成管道上涂層不嚴密問題的出現(xiàn)，盡管長時間的運行以后，必然會出現(xiàn)嚴重的腐蝕問題。

（4）我國部分城市的地下水位相對較高，且土壤中含有大量的腐蝕性細菌，再加上土壤的透氣性相對較差，使得管道的腐蝕速率加快。

2 ?埋地燃氣管道陰極保護方案

2.1 ?陰極保護方案選擇

目前，常見的管道陰極保護方法主要有兩種，分別是犧牲陽極的保護法及外加電流的保護法，這兩種方法存在原理上的區(qū)別，但是都可以對管道起到有效的保護，對于長輸管道而言，一般都采用外加電流的保護法，這主要是因素長輸管道的距離相對較長，且受到外界雜散電流的干擾相對較小[3]。但是對于城市燃氣管道而言，由于管道所處的范圍相對較小，管道質量相對較高，在管道運行的過程中非常容易受到外界雜散電流的干擾，因此，推薦使用犧牲陽極的保護法。

2.2 ?陰極保護系統(tǒng)基本要求及參數(shù)選擇

（1）保護準則：對于城市燃氣管道而言，在實施犧牲陽極保護法時，其保護電位不應高于-0.85 V，極限保護電位不應低于-1.2 V，即保護電位應處于-0.85～-1.2 V之間。

（2）自腐蝕電位：如果某燃氣管道屬于新建管道，則其自腐蝕電位可設置為-0.55 V。

（3）保護電流密度：管道的保護電流與其涂層有關，其具體數(shù)值如表1所示。

（4）土壤電阻率：土壤電阻率與土壤的腐蝕性有關，其具體數(shù)值如表2所示。

對于犧牲陽極保護法中的陽極地床問題，無論是城市燃氣場站內的管道還是場站外的管道，陽極地床都需要與管道進行同溝敷設，同時，與燃氣管道之間的水平距離不得小于300 mm，在管道與陽極地層之間盡可能保持平行。當陽極地床與城市中的電纜及其它物質需要交叉時，兩者之間的距離不得小于300 mm，同時，如果兩者之間可能出現(xiàn)干擾問題，則需要增設專門的防護網[4]。對于存在凍土地區(qū)的陽極地床而言，其必須埋于凍土之下1 m及以上位置處，如果陽極地床與燃氣管道之間有必要采取垂直敷設，則兩者之間的距離不應小于1.5 m。在進行陽極地層安裝的過程中，如果安裝位置處存在不可移動的障礙物，則需要根據(jù)現(xiàn)在的實際情況，對陽極地床所處的位置進行調整[5]。

2.3 ?通電點、參比電極的安裝

通電點主要包括電纜以及參比電極，電纜又可以分為陰極電纜以及零位接陰電纜，這三者在進行安裝的過程中所使用的電纜存在一定的區(qū)別，一般情況下，參比電纜、陰極電纜以及零位接陰電纜分別選用VV-0.6/kV 1×25 mm2、VV-0.6/kV 1×16 mm2、VV-0.6/kV 110 mm2的材料，同時，三者之間需要采用同溝敷設的方式與管道相連，如果與管道之間存在交叉問題，則兩者之間的距離不得小于0.3 m，同時，在交叉的位置處必須對管道施加保護套管。

對于參比電極而言，常見的材料為硫酸銅參比電極，該種材料在安裝的過程中，必須降低安裝在凍土位置以下，同時，在安裝之前，需要降低放置于凈水中浸泡，浸泡時間不得低于24 h，在安裝的過程中，安裝位置應盡可能接近通電點，但是與燃氣管道之間的距離必須大于200 mm。在另一方面，參比電極的外殼較為脆弱，所以在安裝的過程中必須做到輕拿輕放，否則會對其自身產生損壞[6，7]。

2.4 ?測試樁改進

與長輸管道相比，燃氣管道所處區(qū)域的人口數(shù)量相對較多，如果使用傳統(tǒng)的測試樁，極有可能出現(xiàn)偷盜問題，因此，十分有必要結合不同類型測試樁的特點，開發(fā)具有防盜功能的測試樁。本次研究所提出的測試樁如圖2所示。

該種類型的測試樁主要由混凝土制造而成，其自身的高度為1 200 mm，水平長度為180 mm，中心位置為長度為160 mm的中空長方體。在測試樁的頂部位置處為接線盒，接線盒內安裝有接線板，該位置即為測試點。在接電盒的下方為塑料管材料，該部分主要用于安裝測試電流，在測試樁的頂部還存在盲孔，該部分的主要作用是插入塑料管，以便于工作人員可以及時尋找測試樁的位置。在該種類型測試樁的生產及安裝過程中，還必須滿足五點要求：

①測試樁內安裝的銅片厚度應大于1 mm。

②測試樁內的電纜必須采用黃銅材料，且電纜的直徑應大于12 mm，電纜的生產必須采用機加成型;

③測試樁內的木板厚度不應小于4 mm。

④測試樁必須進行整體澆筑，所使用的混凝土材質應為C25，內部的鋼筋材料應為Q235，鋼筋的直徑不得小于4 mm，鋼筋所組成的骨架距離不得小于100 mm。

⑤測試樁內的塑料管厚度不得小于3 mm。

2.5 ?測試樁及恒電位儀的安裝

對于測試樁的安裝布局問題，首先應根據(jù)燃氣管道的設計圖紙確定測試樁的具體位置，在安裝的過程中，應盡可能夯實測試樁的底部，并對每條電纜做好明顯的編號標識，根據(jù)編號將其接入到測試樁內。然后對電纜的接頭進行檢查，保證接頭的牢固性，檢查合格之后，即可對其進行回填處理，同時，也要將回填土夯實。最后，在測試樁安裝完成以后，要對其進行嚴格的檢查，同時保證測試樁的高度要超過地表0.5 m。對于恒電位儀的安裝問題，在安裝之前需要對其進行嚴格的調試，在安裝的過程中，需要邀請生產廠家的工作人員現(xiàn)狀指導。

2.6 ?陽極布局優(yōu)化

（1）目標函數(shù)

對于陽極布局問題，如果陽極之間的距離相對較小，則會使其與管道之間的土壤等介質電阻降低，從而使得電位值受到一定的影響，同時，也會加快陽極電位的降低速度，從而對陰極保護產生影響，因此，陽極之間必須保證處于一定的距離范圍，一般情況下，最佳距離和管道的保護參數(shù)具有一定的聯(lián)系。

（2）最大保護長度狀態(tài)下陽極距離

通常情況下，燃氣管道所接受的保護電位可以看作是管道通電點電位與其電位分布的乘積，即

在上述公式中，E0（a）表示管道的通電點電位與陽極之間距離a的關系函數(shù)，Ef（a，x）表示管道電位分布與位置x和陽極之間距離a的關系函數(shù)。如果Ep表示管道的最小保護電位，則在E=Ep時，則x=L，其中L表示管道的最大保護長度，將其代入到原式中，就可以得到管道所受保護的長度和陽極之間距離a的關系，即：