輸水鋼管陰極保護技術應用研究

1、輸水鋼管陰極保護技術應用研究 苑京成摘要： 本文根據(jù)工程實例，參照石油行業(yè)的有關規(guī)范，對輸水鋼管陰極保護技術的應用進行總結(jié)與探討，提出了實話要點。關鍵詞： 輸水鋼管 陰極保護 強制電流 犧牲陽極 實施要點 Abstract:Consulting on oil industry criterions,this paper and sunmmarize of cathodic protection of steel water pipeline in some engineering examples and also put forward some keys to applicationKey

2、words:steel water pipeline cathodic protection impressed current sacrificial anode points of application0 前言隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進程的加快，大口徑長距離輸水管道工程在各地不斷興建。鋼管具有取材制作方便、安裝技術成熟、適應復雜地形等優(yōu)點，既適用于埋地敷設，又可用于跨越架空過河倒虹和頂管施工，在管徑1000mm能上能下的輸水管道中是目前較多采用的一種管材。但鋼管最大缺陷是在自然環(huán)境中易產(chǎn)生腐蝕，因此做好鋼管的內(nèi)外防腐是延長鋼管使用壽命的重要施工環(huán)節(jié)。現(xiàn)行國標給水排水管道工程施工及驗收入

3、規(guī)范（GB5026897）在“鋼管道內(nèi)外防腐”一節(jié)中，對水泥砂漿內(nèi)防腐層和石油瀝青及環(huán)氧煤瀝青外防腐層的施工作出了相應的規(guī)定，而沒有提及對鋼管道進行陰極保護施工的問題。由于陰極保護在國外輸水管道和國內(nèi)石油天然氣管道的成功應用，日益受到我國供水界的重視。近年來，上海、深圳、成都、大連、廈門、寧波等地相繼進行了輸水鋼管陰極保護的應用實踐。但由于這項技術在我國供水行業(yè)起步較晚，至今沒有統(tǒng)一的行業(yè)規(guī)范，有一些技術問題還有待于進一步研究。本文根據(jù)寧波的工程實例，試對輸水鋼管陰極保護技術的應用進行總結(jié)與探討。1 輸水鋼管陰極保護應用實例為解決城市水資源短缺和水質(zhì)污染的問題，寧波市自來水總公司從八十年代末著

4、手規(guī)劃，并于96至99年間相繼建成投運蕭鎮(zhèn)、橫山、江東三項引水工程，把距離市區(qū)幾十公里外的橫山水庫和亭下水庫的無污染原水用管道分別輸送至南郊、北侖、江東三個水廠，有效解決了市區(qū)水廠水源污染問題。這三項引水工程總投資六億多元，共敷設DN1600mm輸水鋼制管道102.4公里。鋼管外防腐全部采用環(huán)氧煤瀝青四油兩布工藝，并且全線鋼管還進行了陰極保護的施工。根據(jù)不同的環(huán)境條件分別采用強制電流和犧牲陽極兩種陰極保護技術，實施情況見表1。寧波市輸水鋼管陰極保護實施情況 表1 工程名稱輸水鋼管長度（km）強制電流法犧牲陽極法保護長度（km)保護站(座數(shù))保護長度（km）陽極配置質(zhì)量（kg) ×支數(shù)

5、× 組數(shù)/km蕭鎮(zhèn)引水工程29.420.828.614×5×4橫山引水工程57.316241.314×5×4江東原水工程15.715.714×5×42 輸水鋼管陰極保護實施要點2.1土壤腐蝕性的評價鋼制管道在土壤環(huán)境中的腐蝕主要為電化學過程，腐蝕原電池是其最基本的形式。對土壤的腐蝕性進行正確評價是實施陰級保護的前提，在工程實際中常通過測量鋼管環(huán)境的土壤電阻率（.m）和自然電位（-V）來評價土壤腐蝕性。對于大多數(shù)情況，土壤電阻率越小，自然電位負值越大，則土壤的腐蝕性越強。電阻率與土壤腐蝕性的評價標準參見表2， 土壤電阻率與土壤

6、腐蝕性（.m） 表2腐蝕性中 國前蘇聯(lián)英 國日 本美 國法 國極強595強205109232020515中等205010202350204520451525弱502010050100456045很弱100100606010030自然電位與土壤腐蝕性的評價標準參見表3。土壤環(huán)境經(jīng)測定和評價為腐蝕性強、較強和中等的。一般都應進行陰極保護。 自然電位與土壤腐蝕性 表3自然電位（-V）（相對與Cu /CuSO4）0.550.450.550.300.450.150.300.15腐蝕性強較強中弱極弱 我們在工程設計初期，對管道沿線土壤電阻率和自然電位進行了測量，電位均以Cu-CuSO4飽和溶液為參比電極所

7、測。測試結(jié)果顯示，蕭鎮(zhèn)和江東段管道沿線土壤電阻率在20.m左右，而橫山段管道沿線土壤電阻率數(shù)值相差較大，最低處為16.4.m，最高處超量程（大于628.m）。三段管道沿線自然電位多負于-0.45V。依據(jù)國內(nèi)有關的差別標準，大部分管線所處的土壤環(huán)境腐蝕性較強，需要進行陰極保護。2.2陰極保護方式的選擇陰極保護有強制電流和犧牲陽極兩種基本方法，這兩種方法各自特點如表4所示。犧牲陽極與強制電流的比較 表4方法優(yōu)點缺點強制電流法1、輸出電流連續(xù)可調(diào)，可滿足較大的保護電流密度要求.1、需要可靠外部電源。2、不受環(huán)境電阻率限制. 2、對臨近金屬構(gòu)筑物干擾大，特別是輔助陽極附近。3、工程越大越經(jīng)濟.3、需設

8、陰極保護站，日常進行維護管理4、對管道防腐覆蓋層質(zhì)量要求相對較低.4、在需要較小電流時，無法減少最低限度的裝置費用5、保護裝置壽命長.犧牲陽極法1、不需要外部電源。1、高電阻環(huán)境不宜使用。2、對臨近金屬構(gòu)筑物干擾小。2、保護電流不可調(diào)。3、管理維護工作量小.3、對覆蓋層質(zhì)量要求高。4、工程費用與保護長度成正比.4、消耗有色金屬，需定期更換。5、保護電流分布均勻，利用率高。5、雜散電流干擾大時不能使用。選擇陰極保護方式，應根據(jù)防腐層質(zhì)量、土壤環(huán)境、現(xiàn)場條件和運行管理等因素，進行技術經(jīng)濟分析，綜合考慮確定。一般原則是：（1）工程規(guī)模大宜采用強制電流，規(guī)模小則宜采用犧牲陽極。（2）市區(qū)內(nèi)考慮到對外界

9、干擾電流的影響，一般應采用犧牲陽極。（3）當土壤電陰率大于100.m時，或管道覆蓋層質(zhì)量差，一般宜采用強制電流。根據(jù)上述原則，經(jīng)過分析比較，寧波市輸水鋼管陰極保護考慮管線埋設現(xiàn)場的特點以及對外界干擾因素的不同，分別采取犧牲陽極和強制電流陰極保護兩種方式。蕭鎮(zhèn)引水工程全長29.4公里，其中20.8公里管段采用強制電流，設蕭鎮(zhèn)、北渡兩個陰極保護站，其余8.6 公里管段因處市區(qū)，采用了犧牲陽極。江東原水工程全長15.7公里，起始段無可靠交流電源，末段處于鄞縣中心區(qū)和寧波市區(qū)，全線陰極保護系統(tǒng)均采用犧牲陽極法。橫山引水工程共長57.3公里，其中管線始、終兩端各8公里管段采用強制電流保護，其余段因無可靠

10、交流電源，采用了犧牲陽極。穿越東錢湖段兩端采用直接焊接捆綁塊狀鎂陽極。2.3主要技術參數(shù)的確定（1）工程設計壽命：輸水鋼管陰極保護工程設計壽命應與被保護管道使用年限相匹配，一般可取1525年。（2）管道保護電位：相對于飽和銅/硫酸銅參比電極的管道保護電位至少為850mV。（3）最小保護電流密度最小保護電流密度是陰極保護設計的重要參數(shù)，它的大小與被保護管道覆蓋層質(zhì)量、種類和管道周圍的土壤電阻率大小等因素有關，但一般難以進行理論計算。給水排水設計手冊中所提供的埋地金屬管道所需保護電流密度數(shù)值范圍大，難以準確選擇合理的數(shù)據(jù)。因此在陰極保護設計施工中應根據(jù)具體的環(huán)境條件，參照同類工程的運行數(shù)據(jù)，確定較

11、符合實際情況的數(shù)值。也可試在小部分管段采用簡易強制電流系統(tǒng)實地測量。根據(jù)寧波地區(qū)土壤電阻率低的特點，參照同類工程運行參數(shù)，我們確定寧波三項引水工程鋼管陰極保護設計最小保護電流密度為：外加電流法用0.30.4mA/m2，犧牲陽極法用0.15mA/m2。2.4犧牲陽極材料的選擇應根據(jù)管道沿線土壤電阻率測量結(jié)果，參照石油行業(yè)埋地鋼制管道犧牲陽極陰極保護設計規(guī)范和鎂合金犧牲陽極應用技術標準，進行犧牲陽極材料和規(guī)格的選擇，可參見表5、6。 犧牲陽極材料種類的選擇 表5 土壤電阻率（.m）可選陽極種類100帶狀鎂陽極60100鎂（-1.7V）4060鎂40鎂(-1.5V)15鎂(-1.5V)5鋅鎂陽極規(guī)格

12、的選擇 表6土壤電阻率（.m）可選擇陽極規(guī)格1002或4kg100 504或8kg50208或11kg201011或14kg514或22kg根據(jù)土壤電阻率的測量和土壤腐蝕性的判斷，寧波市輸水鋼管陰極保護工程實施中的犧牲陽極選用鎂陽極，土壤電陰率在40.m以下采用鎂鋁鋅合金陽極，40.m以上采用鎂陽極。每支陽極的技術規(guī)格均采用14kg。2.5犧牲陽極設計簡要計算（1）單支鎂陽極輸出電流計算式為：IMG=150000×F×Y/p式中：IMG-單支鎂陽極的輸出電流，mA；F-重量修整系數(shù)Y-電位修正系數(shù)p-土壤電阻率，.m我們在設計中根據(jù)給水排水設計手冊，取F為1.16；Y為 0

13、.93；p按實測當?shù)赝寥离娮杪嗜∑骄禐?100.cm。經(jīng)計算得IMG=77mA。（2）每組鎂陽極支數(shù)計算式為：N=b×IA/IMG式中：b-備用系數(shù)，根據(jù)寧波地區(qū)土壤電阻率低的情況，取2；IA-每組陽極需輸出保護電流，mA；我們在實施中取每組陽極保護長度為250m，最小保護電流密度取0.15mA/m2，被保護管道管徑為1.6m。則IA=0.15×1.6×3.14×250=188.4mA。所以：N=2×188.4/77= 4.895支。（3）陽極使用壽命采用美國HARCO防腐公司的經(jīng)驗公式：T=57.08W /IMG 式中：W-為單支陽極重量（

14、磅）；我們采用鎂陽極質(zhì)量為14kg,乘以2.2化為重量磅數(shù)。 -為系數(shù)，通常取0.75。則設計壽命為：T=57.08×14×2.2×0.75/7717年。2.6強制電流保護站的設置陰極保護站的設置應考慮到有可靠的交流電源、便于維護管理以及防止人為破壞等因素，一般陰極保護站宜設在泵站或水廠廠區(qū)內(nèi)。蕭鎮(zhèn)段在蕭鎮(zhèn)、北渡泵站各設一座陰極保護站。蕭鎮(zhèn)陰極保護站設恒電位儀2臺（1用1備），輔助陽極為30支YJBSICr50×1200mm雙端接頭的含鉻高鑄鐵陽極，距管道100m，油管道垂直方向一字形水平埋設。北渡陰極保護站設恒電位儀3臺（2用1備）。埋設兩組輔助陽極（

15、規(guī)格數(shù)量同上），每臺儀器對應一組陽極。為防止未通電保護的泵站內(nèi)管道發(fā)生雜散電流干擾腐蝕，對站內(nèi)管道實施了犧牲陽極陰極保護，埋設兩組各埋4支22kg鎂陽極。橫山段強制電流陰極保護站分別設在橫山引水管理站和北侖水廠內(nèi)，各有2臺恒電位儀（1用1備）。考慮到橫山陰極保護站處土壤電阻率比較高（240.m），因引輔助陽極選了30支YJBSICr75×1500mm雙端接頭的含鉻高硅鑄造鐵陽，將輔助陽極水平埋設在焦炭地床中，焦炭地床寬度厚度分別為600mm，長度為2000mm。蕭鎮(zhèn)北渡陰極保護站每臺恒電位儀保護距離8.3公里，需保護電流I=8300×1.6×3.14×0

16、.3=12509mA.輔助陽極接地電阻0.8 歐姆。選取恒電位儀20A/24V。橫山陰極保護站，因輔助陽極接地電阻10.1歐姆，選取恒電位儀30A/100V。北侖水廠陰極保護站輔助陽極接地電阻0.8歐姆，選取恒電位儀75A/35V。2.7管道電氣絕緣措施陰極保護需要被保護輸水管道的電氣連續(xù)性，以及與外界的絕緣，這一點非常重要，為此我們采取以下措施：（1）在不同的陰極保護方式之間采用絕緣法蘭絕緣。（2）管線進、出陰極保護站端安裝絕緣法蘭。（3）所有橋管處鋼管與支墩用橡膠墊片進行絕緣處理。（4）所有其他與管道直接相連的金屬件不允許直接接地。（5）考慮到湖水與土壤物理化學性的差異，空越東錢湖段兩端安

17、裝絕緣法蘭。（6）所有閥門井處加裝一支14kg鎂陽極。上述措施在輸水鋼管陰極保護實際應用中取得了較好的技術和經(jīng)濟效果。而這些措施與石油行業(yè)陰極保護設計規(guī)范的要求有所不同。該規(guī)范要求被保護管道在穿跨越段的兩端和排水井的連接處都應裝設絕緣法蘭或絕緣接頭。寧波地處江南水鄉(xiāng)，輸水管道跨越河流的橋管數(shù)量較多，如果每座橋管的兩端都要裝設絕緣法蘭，則施工難度大，工程費用高。我們經(jīng)過試驗，在橋管兩端不裝設絕緣法蘭，采用橡膠墊片把輸水鋼管與管橋支承托座之間進行絕緣隔離。另外在管道排水閥門井室也不設絕緣法蘭，而改為設置一組14kg 單支鎂陽極進行保護。這些措施的采取滿足了陰極保護的要求，在技術經(jīng)濟比較中占有明顯優(yōu)

18、勢。2.8測試樁的設置陰極保護測試樁是工程實施的重要內(nèi)容，也是管道保護效果測試的重要環(huán)節(jié)，一般要求被保護管道每公里設置一個電位測試樁。蕭鎮(zhèn)引水工程全程設有電位測試樁（每公里一個）共18個，電流測試樁2個（距蕭鎮(zhèn)泵站5公里和12公里處）和絕緣法半測試樁4個。江東原水工程全程設有犧牲陽極測試樁（每公里一個）共16個。橫山引水工程管線長，且是在管道敷設2年后再實施陰極保護施工，再次征地較為困難，考慮到橫山沿線有40座管橋，也可做為測試點的補充，故對電位測試樁間距作了調(diào)整，約1.8公里設1個，共設置電位測試樁23個。此外設置犧牲陽極測試樁10個。2.9陰極保護效果的判斷：衡量陰極保護狀況的好壞是根據(jù)保

19、護電位來判斷的，參照石油行業(yè)的設計規(guī)范，輸水鋼管陰極保護良好狀態(tài)時的保護電位應滿足：（1）對普通土壤，測得管道保護是位為850mV（相對Cu-CuSO4，下同）或更負；（2）管道表面與同土壤接觸的參比電極之間陰極極化電位不得小于100mV;（3）最大保護電位的限制應根據(jù)覆蓋層及環(huán)境確定，以不損壞覆蓋層的粘結(jié)力為準，一般可取1.5V。橫山引水工程犧牲陽極施工時，根據(jù)上述判斷標準分析，通過實測保護電位，發(fā)現(xiàn)有部分地段保護電位未能達到標準，主要原因是：因自然條件限制和征地困難陽極床埋設位置不能均布，在陽極床間距較大處出現(xiàn)保護不夠；且由于管道敷設后未及時做陰極保護，在腐蝕性較強的土壤條件下，涂層的平均

20、電阻較小，電流泄漏較大。為保證本工程鋼管陰極保護效果和使用壽命，對原設計做了適當變更，在保護不足處共增加了31組犧牲陽極，在土壤電阻率低的管段，每組陽極數(shù)量由5支增加到6支。采取上述措施后，經(jīng)實地測量，被保護管段電位達到要求。在對橫山強制電流保護段電位測量中，我們發(fā)現(xiàn)管道保護電位的分布并不是沿管道測量點與通電點的距離增加而減小，見表7。 橫山引水工程橫山站強制電流陰極保護數(shù)據(jù)測量 表7測量點通電點P1P2P3P4P5P6自然電位（-V）0.600.590.600.550.5850.640.58保護電位（-V）1.2261.3980.8851.0360.9040.8770.866這主要是因為這一

21、保護段沿線土壤電阻率變化大，最大處可達400.m，最小僅為38.m，相差一個數(shù)量級，管道沿線土壤電阻率的變化影響了保護電位的分布。這意味著，盡管在土壤電阻率低的地區(qū)或遠離通電點的保護電位達到要求，并不表示在土壤電阻率高或距離通電點近的管段保護電位也能達到要求，在管線保護電位測量中應注意此現(xiàn)象，確保全線達到保護要求。橫山引水工程陰極保護是在管道敷設2年后再進行實施陰極保護的，北侖水廠附近段土壤電阻率與蕭鎮(zhèn)至北渡間的土壤情況相似，但理論計算北侖水廠段平均保護電流密度大于蕭鎮(zhèn)段，蕭鎮(zhèn)的陰極保護是與管道同時投運的，由此可見，陰極保護對防腐層也有一定的保護作用。3 結(jié)論與探討（1）輸水鋼管陰極保護技術的推廣應用是十分必要的。陰極保護的設計與施工應與管道建設同時實施，這在技術和經(jīng)濟上都是切實可行的。（2）鋼管的陰極保護有強制電流和犧牲陽極兩種方法，應根據(jù)當?shù)赝寥拉h(huán)境和