埋地鋼質(zhì)管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)設(shè)計規(guī)范

1、中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)埋地鋼質(zhì)管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)Design specification of impressed currentCathodic protection for buried steel pipelineSY/T 0036-2000主編單位：中國石油天然氣管道勘察設(shè)計院參編單位：江漢石油管理局勘察設(shè)計研究院批準(zhǔn)部門：國家石油和化學(xué)工業(yè)局石油工業(yè)出版社2000北京前言根據(jù)原中國石油天然氣總公司98中油技監(jiān)字第33號文?關(guān)于下達(dá)一九九八年石油天然氣工業(yè)國家標(biāo)準(zhǔn)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)制修訂工程方案的通知?，?埋地鋼質(zhì)管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?SYJ 36-89的修訂工作由中

2、國石油天然氣管道勘察設(shè)計院負(fù)責(zé)主編，由江漢石油管理局勘察設(shè)計研究院參加編寫。本次修訂按照原標(biāo)準(zhǔn)編制的分工，輔助陽極一章仍由江漢石油管理局勘察設(shè)計研究院負(fù)責(zé)，其余各章由中國石油天然氣管道勘察設(shè)計院負(fù)責(zé)。本次修訂是在廣泛征求設(shè)計單位及相關(guān)單位的意見，并在總結(jié)了近十年來的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)開展根底上進(jìn)行的，本修訂版本除保存了原標(biāo)準(zhǔn)行之有效的內(nèi)容外，還參照國外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)充了新的內(nèi)容。本次修訂增加了術(shù)語、系統(tǒng)調(diào)試，對保護(hù)準(zhǔn)那么、最大保護(hù)電位和保護(hù)電流密度作了較大修改。本標(biāo)準(zhǔn)由中國石油天然氣集團(tuán)公司提出，由中國石油天然氣集團(tuán)公司規(guī)劃設(shè)計總院歸口。本標(biāo)準(zhǔn)由中國石油天然氣管道勘察設(shè)計院負(fù)責(zé)解釋。本標(biāo)準(zhǔn)從生效之日起

3、，同時代替SYJ 36-89。本標(biāo)準(zhǔn)于1990年6月首次發(fā)布，本次為第1次修訂。主編單位：中國石油天然氣管道勘察設(shè)計院。參編單位：江漢石油管理局勘察設(shè)計研究院。主要起草人胡士信徐快賈恒耀1總那么1.0.1為了統(tǒng)一埋地鋼質(zhì)管道(以下簡稱管道)強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計，制訂本標(biāo)準(zhǔn)。1.0.2本標(biāo)準(zhǔn)適用于新建和已建管道外壁的強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計。1.0.3管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計，除執(zhí)行本標(biāo)準(zhǔn)外，尚應(yīng)符合國家現(xiàn)行的有關(guān)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。2術(shù)語 陰極保護(hù)cathodic protection通過陰極極化控制電化學(xué)腐蝕的技術(shù)。陰極保護(hù)有犧牲陽極法和強(qiáng)制電流法。強(qiáng)制電流impressed

4、 current又稱外加電流。通過外部電源施加的電流。輔助陽極impressed current anode舊稱接地陽極。與強(qiáng)制電流電源的正極相連，僅限于以導(dǎo)電為目的的電極。土壤中常用的輔助陽極有石墨陽極、高硅鑄鐵陽極、鋼鐵陽極、磁性氧化鐵陽極和柔性陽極。最小保護(hù)電位minimumprotective potential金屬到達(dá)完全保護(hù)所需要的、絕對值最小的負(fù)電位值。最大保護(hù)電位maximum protective potential陰極保護(hù)條件下，允許的絕對值最大的負(fù)電位值。測試樁test station從埋地管道上引出的，用于測量陰極保護(hù)參數(shù)的裝置。IR降IR drop電流在介質(zhì)中流動所造

5、成的電阻壓降。注：測量管道保護(hù)電位中，IR降為有害誤差，應(yīng)予排除。腐蝕電位corrosion potential腐蝕體系中金屬的電極電位。自然電位natural potential無外部電流影響的腐蝕電位。極化電位polarized potential由于電流的流動引起電極/電解質(zhì)界面電位的偏移稱為極化，在極化狀態(tài)下的電位稱為極化電位。斷電瞬間電位switch-off potential斷電瞬間測得的管道腐蝕電位。注：斷電電位中消除了IR降成分。3根本規(guī)定3.1設(shè)計原那么管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計，對其保護(hù)長度，根據(jù)工藝計算宜留有10%的余量。輔助陽極的設(shè)計壽命應(yīng)與被保護(hù)管道相匹配，不宜小

6、于20年。設(shè)計強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)時，應(yīng)注意保護(hù)系統(tǒng)與外部金屬構(gòu)筑物之間的干擾影響，并按國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)?埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)?SY/T0017的要求，采取相應(yīng)的防護(hù)措施。電源的最大輸出電壓與最大輸出電流之比應(yīng)大于陰極保護(hù)回路的總電阻。3.2應(yīng)用技術(shù)條件被保護(hù)的管道必須具有良好的縱向?qū)щ姷倪B續(xù)性。對于非焊接連接的管道接頭應(yīng)增設(shè)跨接電纜。被保護(hù)的新建管道應(yīng)具有質(zhì)量良好的覆蓋層。被保護(hù)管道應(yīng)在以下位置裝設(shè)絕緣接頭或絕緣法蘭，并應(yīng)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)?陰極保護(hù)管道的電絕緣標(biāo)準(zhǔn)?SY/T0086和?絕緣法蘭設(shè)計技術(shù)規(guī)定?SY/T 0516的要求。1設(shè)計保護(hù)系統(tǒng)范圍內(nèi)管道與非保護(hù)對象連接處；2管道與

7、廠、站、庫、井的連接處；3干線管道與分支管道的連接處；4雜散電流強(qiáng)干擾區(qū)與非干擾區(qū)的分界處；5不同金屬結(jié)合部位；6有覆蓋層的管道與裸管道的交接部位；7其他需要的部位。在使用金屬套管的位置，管道應(yīng)與套管電絕緣，套管兩端應(yīng)進(jìn)行防水密封。套管內(nèi)宜安裝犧牲陽極保護(hù)套管內(nèi)的輸送管。管道必須與支撐的墩臺、管柱、管橋、固定墩、支座、管卡或混凝土中的鋼筋等電絕緣。然而，假設(shè)管橋兩端裝有絕緣裝置，已將管橋上管道與埋地管道相絕緣，那么這段管道可以直接敷設(shè)在管橋上而不必施加電絕緣。被保護(hù)管道與其他管道、電纜交叉處必須電絕緣，并確保最小間距0.3m。必要時，應(yīng)在兩者之間墊以絕緣板隔開。3.3陰極保護(hù)準(zhǔn)那么埋地鋼質(zhì)管道

8、陰極保護(hù)準(zhǔn)那么可采用以下任意一項(xiàng)或幾項(xiàng)為判據(jù)：1在施加陰極電流的情況下，測得管/地電位為-850mV(相對飽和硫酸銅參比電極，下同)或更負(fù)。注：正確解釋管/地電位測量值，必須考慮測量方法中所含的IR降誤差，通常采用下面的幾個方法：測量或計算IR降；檢查陰極保護(hù)系統(tǒng)以往的性能；評價管道及其環(huán)境的物理和電性能；確定是否存在腐蝕的直接證據(jù)。2相對飽和硫酸銅參比電極的管/地極化電位為-850mV或更負(fù)。3管道外表與同土壤接觸的穩(wěn)定的參比電極之間陰極極化電位值最小為100mV。這一準(zhǔn)那么可以用于極化的建立過程或衰減過程中。特殊條件的考慮1對于裸鋼外表或涂敷不良的管道，在預(yù)先確定的電流排放點(diǎn)(陽極區(qū))，確

9、定凈電流是從電解質(zhì)流向管道外表。2當(dāng)土壤或水中含有硫酸鹽復(fù)原菌，且硫酸根含量大于0.5%時，通電保護(hù)電位應(yīng)到達(dá)-950mV或更負(fù)。最大保護(hù)電位的限制應(yīng)根據(jù)覆蓋層種類及環(huán)境來確定，以不損壞覆蓋層的粘結(jié)力為準(zhǔn)。推薦的最大保護(hù)電位為：石油瀝青-1.50V煤焦油瓷漆-3.0V環(huán)氧粉末-2.0V3.4其他強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)與管道主體工程同時勘察、同時設(shè)計、同時施工。在強(qiáng)腐蝕性土壤環(huán)境中的管道應(yīng)設(shè)計臨時性陰極保護(hù)。強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)能滿足正常管理中測量、覆蓋層檢漏及保護(hù)效果判斷的要求，并為方便管理操作提供必要的技術(shù)條件。長輸管道有人值守的陰極保護(hù)間，應(yīng)分為儀器間和工作間兩局部，建筑等級和標(biāo)

10、準(zhǔn)應(yīng)與主體工程一致，使用面積不應(yīng)小于25m2。4工藝計算強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)，對新建管道可按以下常規(guī)參數(shù)選取：1自然電位：-0.55V；2最小保護(hù)電位：-0.85V；3最大保護(hù)電位：-1.25V；4覆蓋層電阻：1)石油瀝青、煤焦油瓷漆：10000m2；2)塑料覆蓋層：50000m2；3)環(huán)氧粉末：50000m2；4)三層復(fù)合結(jié)構(gòu)：100000m2；5)環(huán)氧煤瀝青：5 000m2；5鋼管電阻率：低碳鋼(20#)0.135mm2/m16Mn鋼 0.224mm2/m高強(qiáng)度鋼 0.1661mm2/m6保護(hù)電流密度應(yīng)根據(jù)覆蓋層電阻選取：在5 00010000m2時取10050A/m2在10 0

11、0050000m2時 取5010A/m2在50000m2時取10A/m2對已建管道應(yīng)以實(shí)測值為依據(jù)。輔助陽極的消耗率應(yīng)根據(jù)材料及工作條件來選定，詳見本標(biāo)準(zhǔn)第6章。土壤電阻率數(shù)據(jù)應(yīng)取自勘測資料或現(xiàn)場實(shí)測。強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的保護(hù)長度可按式(4.0.4)計算：式中L單側(cè)保護(hù)長度(m)；VL最大保護(hù)電位與最小保護(hù)電位之差(V)；D管道外徑(m)；J保護(hù)電流密度(A/m2)；R單位長度管道縱向電阻(fl/m)；T鋼管電阻率(mm2/m)；D管道外徑(mm)；管道壁厚(mm)。強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)電流可按式(4.0.5)計算：2Io=2DJsL(4.0.5)式中Io單側(cè)保護(hù)電流(A)。輔助陽極接地電

12、阻應(yīng)根據(jù)埋設(shè)方式按以下各式計算：式中Rv1單支立式陽極接地電阻()；Rv2深埋式陽極接地電阻()；RH單支水平式陽極接地電阻()；L陽極長度(含填料)(m)；d陽極直徑(含填料)(m)；t埋深(填料頂部距地外表)(m)；陽極區(qū)的土壤電阻率(m)。4陽極組接地電阻的計算：Rg=FRv/n(-4)式中Rg陽極組接地電阻()；n陽極支數(shù)；F電阻修正系數(shù)(查圖4.0.6)；Rv單支陽極接地電阻()。陽極的質(zhì)量應(yīng)能滿足陽極最小設(shè)計壽命的需要，按式(4.0.7)計算：G=TgI/K(4.0.7)式中G陽極總質(zhì)量(kg)；g陽極的消耗率kg/(Aa)；I陽極工作電流(A)；T陽極設(shè)計壽命(a)；K陽極利用系

13、數(shù)，取0.70.85。強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的電源設(shè)備功率按以下公式計算：式中V電源設(shè)備的輸出電壓(V)；Ra陽極地床接地電阻()；RL導(dǎo)線電阻()；RC陰極(管道)/土壤界面過渡電阻()；管道衰減因數(shù)(m-1)；rT單位長度管道電阻(/m)；RT覆蓋層過渡電阻(m)；L被保護(hù)管道長度(m)；Vr地床的反電動勢(V)，焦炭填充時取Vr=2V；I電源設(shè)備的輸出電流(A)；Io單側(cè)方向的保護(hù)電流(A)；P電源功率(W)；電源設(shè)備效率，一般取0.7。5電源設(shè)備強(qiáng)制電流陰極保護(hù)對交流電源的根本要求為：能滿足長期不間斷供電；應(yīng)優(yōu)先使用市電或使用各類站場穩(wěn)定可靠的交流電源；當(dāng)電源不可靠時，應(yīng)裝有備用電源或不

14、間斷供電專門設(shè)備。對于無交流電地區(qū)，可選用以下電源：當(dāng)太陽能資源豐富，負(fù)載功率小于250W時，可選用太陽能電池；當(dāng)風(fēng)力資源豐富，負(fù)載功率在200W55kW時，可選用風(fēng)力發(fā)電機(jī)；對于輸氣管道，負(fù)載功率在10500W時，可選用熱電發(fā)生器(TEG)；對于輸氣管道，負(fù)載功率在100W4kW時，可選用密閉循環(huán)發(fā)電機(jī)組(CCVT)；有時大容量蓄電池也是經(jīng)濟(jì)合理的電源方案。強(qiáng)制電流陰極保護(hù)對電源設(shè)備的根本要求為：1可靠性高；2維護(hù)保養(yǎng)簡便；3壽命長；4對環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；5輸出電流、電壓可調(diào)；6應(yīng)具有抗過載、防雷、抗干擾、故障保護(hù)功能。強(qiáng)制電流陰極保護(hù)電源設(shè)備，一般情況下應(yīng)選用整流器或恒電位儀。當(dāng)管地電位或回路

15、電阻有經(jīng)常性較大變化或電網(wǎng)電壓變化較大時，應(yīng)使用恒電位儀。陰極保護(hù)用整流器紋波系數(shù)應(yīng)滿足單相不大于50%，三相不大于5%的要求，最大溫升不得超過70。在交流輸入端和直流輸出端應(yīng)裝有過流、防沖擊等保護(hù)裝置。戶外型整流器裝置應(yīng)能適應(yīng)當(dāng)?shù)厮幍臍夂颦h(huán)境，可裝在房頂、墻上或電桿上工作。恒電位儀通常應(yīng)在室內(nèi)工作，其技術(shù)性能要求如下：1給定電位：-0.5003.000V(連續(xù)可調(diào))；2電位控制精度：10mV；3輸入阻抗：1M；4絕緣電阻：2M(電源進(jìn)線對地)；5抗交流干擾能力：12V；6耐電壓：1500V(電源線對機(jī)殼)；7滿載紋波系數(shù)：單相10%，三相8%。恒電位儀印刷電路板一般應(yīng)采取防潮、防鹽霧、防細(xì)

16、菌的措施。6輔助陽極6.1常用陽極高硅鑄鐵陽極應(yīng)滿足以下要求：1高硅鑄鐵陽極的化學(xué)成分應(yīng)符合表6.1.1-1的規(guī)定。表-1高硅鑄鐵陽極的化學(xué)成分 (%)序號類型主要化學(xué)成分雜質(zhì)含量SiMnCCrFePS1普通14.2515.250.50.80.801.05余量0.250.12加鉻14.2515.250.50.80.81.445余量0.250.12高硅鑄鐵陽極的允許電流密度為580A/m2，消耗率應(yīng)小于0.5k8/(Aa)。3常用高硅鑄鐵陽極規(guī)格見表-2。表-2常用高硅鑄鐵陽極規(guī)格序號陽極規(guī)格陽極引出導(dǎo)線規(guī)格直徑(mm)長度(mm)截面積(mm2)長度(mm)150150010150027515

17、00101500310015001015004陽極引出線與陽極的接觸電阻應(yīng)小于0.01，拉脫力數(shù)值應(yīng)大于陽極自身質(zhì)量的1.5倍，接頭密封可靠，陽極外表應(yīng)無明顯缺陷。石墨陽極應(yīng)滿足以下要求：1石墨陽極的石墨化程度不應(yīng)小于81%，灰分應(yīng)小于0.5%。2石墨陽極宜經(jīng)亞麻油或石蠟浸漬處理。3石墨陽極的性能應(yīng)符合表6.1.2-1的規(guī)定。4常用石墨陽極規(guī)格見表6.1.2-2。表-1石墨陽極的主要性能密度(g/cm3) 電阻率(mm2/m)氣孔率(%) 消耗率kg/(Aa) 允許電流密度(A/m2)1.72.29.511.025300.6510表-2常用石墨陽極規(guī)格序號陽極規(guī)格陽極引出導(dǎo)線規(guī)格直徑(mm)長

18、度(mm)截面積(mm2)長度(mm)175100010150021001450101500315014501015005陽極引出線與陽極的接觸電阻應(yīng)小于0.01，拉脫力數(shù)值應(yīng)大于陽極自身質(zhì)量的1.5倍，接頭密封可靠，陽極外表應(yīng)無明顯缺陷。柔性陽極應(yīng)滿足以下要求：1柔性陽極是由導(dǎo)電聚合物包覆在銅芯上構(gòu)成，其性能應(yīng)符合表6.1.3的規(guī)定。表6.1.3柔性陽極主要性能最大輸出電流(mA/m)最低施工溫度()最小彎曲半徑(mm)無填充料有填充料5282-181502柔性陽極銅芯截面積為16mm2，陽極外徑為13mm。鋼鐵陽極應(yīng)滿足以下要求：1鋼鐵陽極是指用角鋼、扁鋼、槽鋼或鋼管制作的陽極。2鋼鐵陽極

19、的消耗率為810kg/(Aa)。6.2輔助陽極設(shè)計輔助陽極位置的選擇應(yīng)符合以下要求：1地下水位較高或潮濕低洼處。2土壤電阻率50m以下的地點(diǎn)。3土層厚，無石塊，便于施工處。4對鄰近的地下金屬構(gòu)筑物干擾小，陽極位置與被保護(hù)管道之間不宜有其他金屬構(gòu)筑物。5陽極位置與管道的垂直距離不宜小于50m。當(dāng)采用柔性陽極時，對于裸管道陽極的最正確位置是距管道10倍管徑處；對有良好覆蓋層的管道可同溝敷設(shè)，最近距離為0.3m。陽極種類的選擇應(yīng)遵守以下原那么：1在一般土壤中可采用高硅鑄鐵陽極、石墨陽極、鋼鐵陽極。2在鹽漬土、海濱土或酸性和含硫酸根離子較高的環(huán)境中，宜采用含鉻高硅鑄鐵陽極。3在高電阻率的地方宜使用鋼鐵

20、陽極。4覆蓋層質(zhì)量較差的管道及位于復(fù)雜管網(wǎng)或多地下金屬構(gòu)筑物區(qū)域內(nèi)的管道可采用柔性陽極，但不宜在含油污水和鹽水中使用。陽極埋設(shè)方式應(yīng)符合以下要求：1陽極可采用淺埋和深埋兩種方式。淺埋陽極應(yīng)置于凍土層以下，埋深一般不宜小于1m；深埋陽極埋深宜為15300m。2陽極通常采用立式埋設(shè)；在沙質(zhì)土、地下水位高、沼澤地可采用水平式淺埋；在復(fù)雜環(huán)境或地表土壤電阻率高的情況下可采用深埋陽極。陽極地床填充料的使用應(yīng)符合以下要求：1陽極常用的填充料有焦炭粒、石油焦炭粒。2石墨陽極應(yīng)加填充料；高硅鑄鐵陽極宜加填充料，在沼澤地、流沙層可不加填充料；柔性陽極宜加填充料；鋼鐵陽極可不加填充料。3填充料的含碳量宜大于85%

21、，最大粒徑宜小于15mm，填充料厚度一般為100mm。當(dāng)采用柔性陽極時，填充料的最大粒徑宜小于3.2mm，填充料厚度為45mm。預(yù)包覆焦炭粉的柔性陽極可直接埋設(shè)，不必采用填充料。陽極地床還應(yīng)滿足以下要求：1輔助陽極地電場的電位梯度不應(yīng)大于5V/m，設(shè)有護(hù)欄裝置時不受此限制。2陽極填充料頂部應(yīng)放置粒徑為510mm左右的礫石或粗砂，礫石層宜加厚至地面以下500mm或在礫石上部加裝排氣管至地面以上。3陽極的引出導(dǎo)線和并聯(lián)母線應(yīng)為銅芯電纜，并應(yīng)適合于地下(或水中)敷設(shè)。4陽極的并聯(lián)母線與直流電源輸出陽極導(dǎo)線連接可通過接線箱連接，假設(shè)陽極導(dǎo)線為鋁線，那么應(yīng)采用銅鋁過渡接頭連接。 7管道陰極保護(hù)附屬設(shè)施7

22、.1測試樁為了定期檢測管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)參數(shù)，應(yīng)根據(jù)需要設(shè)置測試樁。各類測試樁及其設(shè)置原那么一般為：1電位測試樁，匯流點(diǎn)及每公里處設(shè)一支；2電流測試樁，每58km處設(shè)一支；3套管、管道電位測試樁，每一套管處設(shè)一支；4絕緣接頭測試樁，每一絕緣連接處設(shè)一支；5跨接測試樁，與其他管道、電纜等構(gòu)筑物相交處設(shè)一支；6站內(nèi)測試樁，按需要數(shù)量設(shè)置。管道測試樁按油氣流向排列編號，一般位于流向左側(cè)距管道中心線1.5m處。樁的標(biāo)志應(yīng)醒目。埋設(shè)要牢固穩(wěn)定。用于測量管路電流的測試樁，應(yīng)將其測量段電阻值標(biāo)在樁的銘牌上，特殊功能的測試樁應(yīng)標(biāo)上特殊的標(biāo)記或說明。測試樁可用鋼管、玻璃鋼和混凝土制作。位于套管處具有電位與電流測試功能的測試樁，其測試接線示意圖見圖7.1.