燃氣管道整體陰極保護評估方法研究

華 偉，劉俐俐，任 勇，孟培彥，胡學濤，錢 鋮，臺寶燦，何少平，楊 陽

(北京市燃氣集團有限責任公司，北京 100035)

0 前 言

隨著北京地區(qū)埋地燃氣管網(wǎng)服役時間延長及服役環(huán)境日益復雜,整體管線陰極保護狀況及管線防腐狀況并不樂觀[1,2]。及時識別燃氣管道整體陰極保護狀態(tài),對于提高燃氣管道等公共基礎(chǔ)設(shè)施的安全至關(guān)重要。

對遠離犧牲陽極等位置的陰極保護檢測,實現(xiàn)管段整體檢測的常規(guī)方法為以犧牲陽極測試樁為管道連接點,進行密間隔電位測試技術(shù)(CIPS)測試或密間隔試片斷電測試。其中CIPS測試適用于無雜散電流干擾、犧牲陽極可以斷開的管段;密間隔試片斷電測試可應用于存在雜散電流干擾和犧牲陽極不可斷開的管段。但此2種方法面臨城市地表硬化路面多,很多位置參比或試片無法布置的問題;或穿越道路多,不便長距離拉線測試,現(xiàn)場很難開展。

保護電流密度是指被保護構(gòu)筑物單位面積上所需的保護電流密度,也是陰極保護設(shè)計和判斷陰極保護程度的重要參數(shù)[3]。極化曲線表明了管道極化電位與流入其表面電流密度的關(guān)系,有效陰極保護電位對應著電流密度要求值。防腐層破損面積與流入破損點的電流密度要求值乘積即為需求電流,需求電流存在1個限值,犧牲陽極輸出電流達到限值以上,被保護管段就達到了良好的陰極保護,該法可稱為保護電流法。其中,防腐層破損面積與防腐層電阻率存在對應關(guān)系。

與CIPS測試或密間隔試片斷電測試法相比,保護電流法只需要在連接犧牲陽極的測試樁位置測試犧牲陽極輸出電流,結(jié)合目標管段防腐層電阻率即可整體評估管道陰極保護狀況,不需要在管道地表進行電位測試,因而評估過程不受管道地表環(huán)境影響,即使需要對目標管段測試防腐層電阻率,因接收機自備電池也避免了長距離拉線的困擾。該方法優(yōu)點是立足于測試樁位置測試,十分便捷且能準確地評估管段整體陰極保護狀態(tài)。該方法是一種管道陰極保護狀態(tài)的間接評估方法,國內(nèi)外多對管道防腐層狀態(tài)采用間接檢測技術(shù),對管道陰極保護狀態(tài)尚未開展間接評估技術(shù),因此本方法在國內(nèi)外尚屬首創(chuàng)。

為了明確北京地區(qū)埋地燃氣管道臨界保護電流密度,本工作在北京地區(qū)土壤環(huán)境中選擇多種不同數(shù)量級電阻率防腐層管道開展饋電試驗,測試管道達到臨界有效陰極保護[管段最正極化電位-0.85 V(vs CSE)]所需保護電流密度,并將現(xiàn)場測試與數(shù)值模擬相結(jié)合,得出了陽極管道間距對保護電流分布的影響規(guī)律。

1 檢測方法

選擇現(xiàn)有全部陰極保護系統(tǒng)可斷開且無直流干擾或直流干擾水平低的管段,進行饋電試驗并同步測試全管段電位,獲得被測管段達到臨界有效陰極保護[即該管段最正極化電位為-0.85 V(vs CSE)]所需的陰極保護電流,計算臨界有效陰極保護[管段最正極化電位為-0.85 V(vs CSE)]所需保護電流密度。

因此,選擇6條防腐層類型不同、防腐層電阻率不同的管段,其管徑、管段長度與防腐層材質(zhì)見表1。按照如下具體步驟測試:

(1)斷開待測管段現(xiàn)有全部陰極保護系統(tǒng),以測試樁為模擬試驗饋電電流設(shè)置點。

(2)在其附近尋找優(yōu)良接地體作為臨時地床,地床可以由角鋼接地材料制作或利用現(xiàn)有陽極,地床位置宜距離管道2 m以上。

(3)將直流電源的正極接臨時的排流地床,負極接直流雜散電流防護點位置的管道。

(4)將直流電源開啟,給管道輸出保護電流。調(diào)節(jié)不同的輸出電流,同時采用密間隔電位測試技術(shù)(CIPS)測試管道的通/斷電電位。

(5)經(jīng)全管段電位測試,被測管段應達到臨界有效陰極保護[即該管段最正極化電位為-0.85 V(vs CSE)]狀態(tài)。

(6)通過測量的各點通電電位與斷電電位和管內(nèi)電流,分別計算各測量段的平均電位偏移和饋入的管內(nèi)保護電流,再計算出管段防腐層電阻率。各測量點的通/斷電位差按式ΔV=Von-Voff計算,防腐層電阻按式ΔV/ΔI計算,平均防腐層電阻率按式r=R·π·D·L。

2 北京地區(qū)不同電阻率防腐層管道陰極保護電流密度需求

SY/T 0036-2000“埋地鋼質(zhì)管道強制電流陰極保護設(shè)計規(guī)范”4.0.1節(jié)強制電流陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù),新建管道的保護電流密度按覆蓋層電阻選取:在5 000～10 000 Ω·m2時,取100～50 μA/m2;在10 000～50 000 Ω·m2時,取50～10 μA/m2;在50 000 Ω·m2以上時,取10 μA/m2以下。

王健等[4]針對目前陰極保護工程設(shè)計中出現(xiàn)的有關(guān)陽極地床、保護電流需要量套管絕緣法蘭及長效硫酸銅參比電極等問題,提出一些看法,提出根據(jù)實際輸出電流和保護面積計算出的電流密度參考值,見表2[4]。

表2 涂層電阻和所需保護電流密度(《陰極保護設(shè)計中的幾個問題》)[4]

圖1為6條管段饋電至臨界陰極保護時CIPS測試結(jié)果。北京測試、SY/T 0036及文獻[4]中不同防腐層電阻率、電流密度對比見圖2和表3。

圖1 6處不同防腐層電阻率管道饋電CIPS測試結(jié)果Fig. 1 CIPS test results of pipeline feeding with six different anti-corrosion coating resistivities

圖2 北京測試、SY/T0036及文獻[4]中不同防腐層電阻率、臨界陰極保護電流密度需求對比Fig. 2 Comparison of critical cathodic protection current density requirements for different resistivity of anticorrosive coatings in beijing testing, SY/T0036, and reference[4]

表3 北京測試、SY/T 0036及文獻[4]中不同防腐層電阻率、電流密度需求

Y030測試樁管段為低壓管道,與中壓管道連接處設(shè)置有絕緣接頭,電連續(xù)管段長184 m,管徑400 mm。Y030饋電試驗與全管段電位測試顯示,饋電電流達到0.006 A時,管道平均IR降為0.123 V,該管段全線達到臨界陰極保護,即最正電位為-850 mV(vs CSE)。基于全管段IR降與饋入電流值,計算可得其平均防腐層電阻率為7.5×103Ω·m2,按前述饋入電流與管段長度及尺寸參數(shù)可得,此次饋電管段達到臨界保護的平均電流密度為16.00 μA/m2。

YYA閘管段為中壓管道,其與其他管道連接處設(shè)置有絕緣接頭,電連續(xù)管段長101 m,管徑300 mm。饋電試驗與全管段電位測試顯示,當在YYA閘對該段管道饋電電流達到0.230 A時,管道平均IR降為0.571 V,該管段全線達到臨界陰極保護,即最正電位為-850 mV(vs CSE)?；谌芏蜪R降與饋入電流值,計算可得其平均防腐層電阻率為299.0 Ω·m2,按前述饋入電流與管段長度及尺寸參數(shù)可得,此次饋電管段達到臨界保護的平均電流密度為1 908.0 μA/m2。

XNMA閘管段為中壓管道,該管段長242 m,管徑200 mm。饋電試驗與全管段電位測試顯示,當在XNMA閘對該段管道饋電電流達到0.279 A時,管道平均IR降為0.279 V,該管段全線達到臨界陰極保護,即最正電位為-850 mV(vs CSE)。基于全管段IR降與饋入電流值,計算可得其平均防腐層電阻率為1.9×106Ω·m2,按前述饋入電流與管段長度及尺寸參數(shù)可得,此次饋電管段達到臨界保護的平均電流密度為1.00 μA/m2。

S0247測試樁管段,長1 350 m,管徑300 mm。饋電試驗與全管段電位測試顯示,當在S0247測試樁對該段管道饋電電流達到0.003 A時,管道平均IR降為0.222 V,該管段全線達到臨界陰極保護,即最正電位為-850 mV(vs CSE)?；谌芏蜪R降與饋入電流值,計算可得其平均防腐層電阻率為1.3×106Ω·m2,按前述饋入電流與管段長度及尺寸參數(shù)可得,此次饋電管段達到臨界保護的平均電流密度為2.00 μA/m2。

W0236測試樁管段為中壓管道,該管段長268 m,管徑400 mm。饋電試驗與全管段電位測試顯示,當在W0236測試樁對該段管道饋電電流達到0.000 3 A時,管道平均IR降為0.240 V,該管段全線達到臨界陰極保護有效,即最正電位為-850 mV(vs CSE)?；谌芏蜪R降與饋入電流值,計算可得其平均防腐層電阻率為1.5×107Ω·m2,按前述饋入電流與管段長度及尺寸參數(shù)可得,此次饋電管段達到臨界保護的平均電流密度為0.16 μA/m2。

W0253測試樁管段為中壓管道,電連續(xù)管段長157 m,管徑500 mm。饋電試驗與全管段電位測試顯示,當在W0253測試樁對該段管道饋電電流達到0.000 8 A時,管道平均IR降為0.272 V,該管段全線達到臨界陰極保護,即最正電位為-850 mV(vs CSE)?；谌芏蜪R降與饋入電流值,計算可得其平均防腐層電阻率為8.7×106Ω·m2,按前述饋入電流與管段長度及尺寸參數(shù)可得,此次饋電管段達到臨界保護的平均電流密度為0.31 μA/m2,可見,當平均防腐層電阻率為8.7×106Ω·m2,該防腐層管段臨界保護的平均電流密度為0.31 μA/m2。

北京測試的臨界陰極保護電流密度均小于SY/T 0036-2000“埋地鋼質(zhì)管道強制電流陰極保護設(shè)計規(guī)范”4.0.1節(jié)強制電流陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù);除YYA閘外,其他北京測試結(jié)果也小于文獻[4]中的電流密度參考值。這表明,SY/T 0036-2000“埋地鋼質(zhì)管道強制電流陰極保護設(shè)計規(guī)范”的臨界電流密度較為保守,也可滿足北京地區(qū)應用。

3 犧牲陽極與管道間距對管道陰極保護電流需求影響規(guī)律

基于同一管段不同饋電間距的現(xiàn)場檢測結(jié)果,利用BEASY軟件開展數(shù)值模擬,分析犧牲陽極與管道間距對管道陰極保護電流需求影響規(guī)律,以明確犧牲陽極與管道的合理間距。

3.1 不同犧牲陽極與管道間距下管道陰極保護電流需求現(xiàn)場實測

表4為饋電點與管道間距1,10 m下Y039測試樁管段IR降最大值、最小值與平均值。

表4 饋電點與管道間距1 m與10 m下Y039測試樁管段IR降最大值、最小值與平均值

圖3為饋電點與管道間距1 m與10 m下Y039測試樁管段通斷電電位。

圖3 饋電點與管道間距1 m與10 m下Y039測試樁管段通斷電電位Fig. 3 On/off potential of Y039 test pile pipe section at a distance of 1 m and 10 m between the feeding point and the pipeline

由圖可見,均勻防腐層電阻率和土壤環(huán)境下,管道陰極保護狀態(tài)沿長度方向分布是否均勻受犧牲陽極與管道間距的影響,犧牲陽極與管道間距過近,管地電位及IR降將分布不均勻,不利于發(fā)揮犧牲陽極對其覆蓋1 km監(jiān)測范圍管道提供陰極保護。

3.2 不同犧牲陽極與管道間距下管道陰極保護電流需求數(shù)值模擬

為進一步研究犧牲陽極與管道間距對陰極保護電流需求影響,利用陰極保護技術(shù)學科常用模擬軟件Beasy開展數(shù)值模擬計算。計算中,以現(xiàn)場實測結(jié)果為邊界條件,將模型計算結(jié)果與現(xiàn)場饋電結(jié)果校對,設(shè)計不同管道長度幾何模型,計算不同管道長度對陰極保護電流需求的影響。

對現(xiàn)場饋電位置的管線進行建模,模型管道長度2 000 m,饋電點上下游各1 000 m,饋入電流6.25 A,計算不同饋電點與管道間距(0.5,2.0,5.0,10.0,20.0,50.0 m)下管道陰極保護狀態(tài)。圖4為管線與陽極模型,然后設(shè)定其邊界條件,邊界條件設(shè)定思路為:管線最小保護電流密度等于現(xiàn)場饋電電流量與埋地管線面積之商;結(jié)合實驗室極化曲線和現(xiàn)場饋電試驗結(jié)果。圖5為實驗室測試極化曲線。

圖4 管線與饋電點模型Fig. 4 Pipeline and Feed Point Model

圖5 實驗室測試極化曲線Fig. 5 Laboratory testing of polarization curve

圖6為不同饋電點與管道間距(0.5,2.0,5.0,10.0,20.0,50.0 m)下管段陰極保護電位。圖7為相同饋入電流下不同饋電點與管道間距管段斷電電位分布對比。由圖可見,陽極與管道距離越遠,電位分布越均勻,遠端位置電位越負;當陽極與管道間距在2.0 m以上時,陽極與管道間距對管道陰極保護電流需求影響較小,因此,在犧牲陽極設(shè)計施工時,陽極與管道間距宜在2.0 m以上,以保障陽極合理保護范圍。

圖6 相同饋入電流下不同饋電點與管道間距管段斷電電位分布Fig. 6 Power outage potential distribution of pipeline sections with different feed points and pipeline spacing under the same feed current

圖7 不同饋電點與管道間距下管段陰極保護電位Fig. 7 Cathodic protection potential of pipeline section under different feed points and pipeline spacing

圖8為饋電點與管道間距0.5 m下,不同饋入電流的陰極保護電位分布。由圖可見,與前述2.0 m以上的正常饋電點與間距相比,陽極與管道距離僅0.5 m時,為達到正常保護,其需求電流將從6.25 A增大到31.25 A,是正常間距需求電流的5倍之多。

圖8 饋電點與管道間距0.5 m下,不同饋入電流的陰極保護電位分布Fig. 8 Cathodic protection potential distribution of different feeding currents at a distance of 0.5 m between the feeding point and the pipeline

4 結(jié) 論

(1)獲得了北京地區(qū)不同防腐層電阻率管段臨界有效陰極保護電流密度,可應用于保護電流法全面評估北京地區(qū)管段整體陰極保護狀態(tài)。

(2)北京測試的臨界陰極保護電流密度均小于SY/T 0036-2000“埋地鋼質(zhì)管道強制電流陰極保護設(shè)計規(guī)范”4.0.1節(jié)強制電流陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù);SY/T 0036-2000“埋地鋼質(zhì)管道強制電流陰極保護設(shè)計規(guī)范”的臨界電流密度較為保守,也可滿足北京地區(qū)應用。

(3)均勻防腐層電阻率和土壤環(huán)境下,管道陰極保護狀態(tài)沿長度方向分布是否均勻,受犧牲陽極與管道間距的影響,陽極與管道距離越遠,電位分布越均勻,遠端位置電位越負,管道與陽極間距宜2.0 m以上;犧牲陽極與管道間距過近,管地電位及IR降將分布不均勻,不利于犧牲陽極對管道提供陰極保護,如果達到相同的電位保護效果,電流需求量更大。