输水钢管阴极保护技术应用研究

1输水钢管阴极保护技术应用研究苑京成摘要：本文根据工程实例，参照石油行业的有关规范，对输水钢管阴极保护技术的应用进行总结与探讨，提出了实话要点。关键词：输水钢管阴极保护强制电流牺牲阳极实施要点Abstract:Consultingonoilindustrycriterions,thispaperandsunmmarizeofcathodicprotectionofsteelwaterpipelineinsomeengineeringexamplesandalsoputforwardsomekeystoapplicationKeywords:steelwaterpipelinecathodicprotectionimpressedcurrentsacrificialanodepointsofapplication0前言随着我国经济的发展和城市化进程的加快，大口径长距离输水管道工程在各地不断兴建。钢管具有取材制作方便、安装技术成熟、适应复杂地形等优点，既适用于埋地敷设，又可用于跨越架空过河倒虹和顶管施工，在管径1000mm能上能下的输水管道中是目前较多采用的一种管材。但钢管最大缺陷是在自然环境中易产生腐蚀，因此做好钢管的内外防腐是延长钢管使用寿命的重要施工环节。现行国标《给水排水管道工程施工及验收入规范》（GB50268—97）在“钢管道内外防腐”一节中，对水泥砂浆内防腐层和石油沥青及环氧煤沥青外防腐层的施工作出了相应的规定，而没有提及对钢管道进行阴极保护施工的问题。由于阴极保护在国外输水管道和国内石油天然气管道的成功应用，日益受到我国供水界的重视。近年来，上海、深圳、成都、大连、厦门、宁波等地相继进行了输水钢管阴极保护的应用实践。但由于这项技术在我国供水行业起步较晚，至今没有统一的行业规范，有一些技术问题还有待于进一步研究。本文根据宁波的工程实例，试对输水钢管阴极保护技术的应用进行总结与探讨。1输水钢管阴极保护应用实例为解决城市水资源短缺和水质污染的问题，宁波市自来水总公司从八十年代末着手规划，并于96至99年间相继建成投运萧镇、横山、江东三项引水工程，把距离市区几十公里外的横山水库和亭下水库的无污染原水用管道分别输送至南郊、北仑、江东三个水厂，有效解决了市区水厂水源污染问题。这三项引水工程总投资六亿多元，共敷设DN1600mm输水钢制管道102.4公里。钢管外防腐全部采用环氧煤沥青四油两布工艺，并且全线钢管还进行了阴极保护的施工。根据不同的环境条件分别采用强制电流和牺牲阳极两种阴极保护技术，实施情况见表1。宁波市输水钢管阴极保护实施情况表1工程名称输水钢管长度（km）强制电流法牺牲阳极法保护长度（km)保护站(座数)保护长度（km）阳极配置{质量（kg)×支数×组数/km}萧镇引水工程29.420.828.614×5×4横山引水工程57.316241.314×5×4江东原水工程15.715.714×5×42输水钢管阴极保护实施要点2.1土壤腐蚀性的评价钢制管道在土壤环境中的腐蚀主要为电化学过程，腐蚀原电池是其最基本的形式。对土壤的腐蚀性进行正确评价是实施阴级保护的前提，在工程实际中常通过测量钢管环境的土壤2电阻率（Ω.m）和自然电位（-V）来评价土壤腐蚀性。对于大多数情况，土壤电阻率越小，自然电位负值越大，则土壤的腐蚀性越强。电阻率与土壤腐蚀性的评价标准参见表2，土壤电阻率与土壤腐蚀性（Ω.m）表2腐蚀性中国前苏联英国日本美国法国极强＜5＜9＜5强＜205—109—23＜20＜205—15中等20—5010—2023—5020—4520—4515—25弱＞5020—10050—10045—6045—很弱＞100＞100＞6060—100＞30自然电位与土壤腐蚀性的评价标准参见表3。土壤环境经测定和评价为腐蚀性强、较强和中等的。一般都应进行阴极保护。自然电位与土壤腐蚀性表3自然电位（-V）（相对与Cu/CuSO4）＞0.550.45—0.550.30—0.450.15—0.30＜0.15腐蚀性强较强中弱极弱我们在工程设计初期，对管道沿线土壤电阻率和自然电位进行了测量，电位均以Cu-CuSO4饱和溶液为参比电极所测。测试结果显示，萧镇和江东段管道沿线土壤电阻率在20Ω.m左右，而横山段管道沿线土壤电阻率数值相差较大，最低处为16.4Ω.m，最高处超量程（大于628Ω.m）。三段管道沿线自然电位多负于-0.45V。依据国内有关的差别标准，大部分管线所处的土壤环境腐蚀性较强，需要进行阴极保护。2.2阴极保护方式的选择阴极保护有强制电流和牺牲阳极两种基本方法，这两种方法各自特点如表4所示。牺牲阳极与强制电流的比较表4方法优点缺点强制电流法1、输出电流连续可调，可满足较大的保护电流密度要求.1、需要可靠外部电源。2、不受环境电阻率限制.2、对临近金属构筑物干扰大，特别是辅助阳极附近。3、工程越大越经济.3、需设阴极保护站，日常进行维护管理4、对管道防腐覆盖层质量要求相对较低.4、在需要较小电流时，无法减少最低限度的装置费用5、保护装置寿命长.牺牲阳极法1、不需要外部电源。1、高电阻环境不宜使用。2、对临近金属构筑物干扰小。2、保护电流不可调。3、管理维护工作量小.3、对覆盖层质量要求高。4、工程费用与保护长度成正比.4、消耗有色金属，需定期更换。5、保护电流分布均匀，利用率高。5、杂散电流干扰大时不能使用。选择阴极保护方式，应根据防腐层质量、土壤环境、现场条件和运行管理等因素，进行技术经济分析，综合考虑确定。一般原则是：（1）工程规模大宜采用强制电流，规模小则宜采用牺牲阳极。（2）市区内考虑到对外界干扰电流的影响，一般应采用牺牲阳极。（3）当土壤电阴率大于100Ω.m时，或管道覆盖层质量差，一般宜采用强制电流。3根据上述原则，经过分析比较，宁波市输水钢管阴极保护考虑管线埋设现场的特点以及对外界干扰因素的不同，分别采取牺牲阳极和强制电流阴极保护两种方式。萧镇引水工程全长29.4公里，其中20.8公里管段采用强制电流，设萧镇、北渡两个阴极保护站，其余8.6公里管段因处市区，采用了牺牲阳极。江东原水工程全长15.7公里，起始段无可靠交流电源，末段处于鄞县中心区和宁波市区，全线阴极保护系统均采用牺牲阳极法。横山引水工程共长57.3公里，其中管线始、终两端各8公里管段采用强制电流保护，其余段因无可靠交流电源，采用了牺牲阳极。穿越东钱湖段两端采用直接焊接捆绑块状镁阳极。2.3主要技术参数的确定（1）工程设计寿命：输水钢管阴极保护工程设计寿命应与被保护管道使用年限相匹配，一般可取15—25年。（2）管道保护电位：相对于饱和铜/硫酸铜参比电极的管道保护电位至少为－850mV。（3）最小保护电流密度最小保护电流密度是阴极保护设计的重要参数，它的大小与被保护管道覆盖层质量、种类和管道周围的土壤电阻率大小等因素有关，但一般难以进行理论计算。《给水排水设计手册》中所提供的埋地金属管道所需保护电流密度数值范围大，难以准确选择合理的数据。因此在阴极保护设计施工中应根据具体的环境条件，参照同类工程的运行数据，确定较符合实际情况的数值。也可试在小部分管段采用简易强制电流系统实地测量。根据宁波地区土壤电阻率低的特点，参照同类工程运行参数，我们确定宁波三项引水工程钢管阴极保护设计最小保护电流密度为：外加电流法用0.3～0.4mA/m2，牺牲阳极法用0.15mA/m2。2.4牺牲阳极材料的选择应根据管道沿线土壤电阻率测量结果，参照石油行业《埋地钢制管道牺牲阳极阴极保护设计规范》和《镁合金牺牲阳极应用技术标准》，进行牺牲阳极材料和规格的选择，可参见表5、6。牺牲阳极材料种类的选择表5土壤电阻率（Ω.m）可选阳极种类＞100带状镁阳极60—100镁（-1.7V）40—60镁＜40镁(-1.5V)＜15镁(-1.5V)＜5锌镁阳极规格的选择表6土壤电阻率（Ω.m）可选择阳极规格＞1002或4kg100—504或8kg50—208或11kg20—1011或14kg＜514或22kg根据土壤电阻率的测量和土壤腐蚀性的判断，宁波市输水钢管阴极保护工程实施中的牺牲阳极选用镁阳极，土壤电阴率在40Ω.m以下采用镁铝锌合金阳极，40Ω.m以上采用镁阳极。每支阳极的技术规格均采用14kg。2.5牺牲阳极设计简要计算（1）单支镁阳极输出电流计算式为：4IMG=150000×F×Y/p式中：IMG----单支镁阳极的输出电流，mA；F------重量修整系数Y------电位修正系数p------土壤电阻率，Ω.m我们在设计中根据《给水排水设计手册》，取F为1.16；Y为0.93；p按实测当地土壤电阻率取平均值为2100Ω.cm。经计算得IMG=77mA。（2）每组镁阳极支数计算式为：N=b×IA/IMG式中：b---备用系数，根据宁波地区土壤电阻率低的情况，取2；IA----每组阳极需输出保护电流，mA；我们在实施中取每组阳极保护长度为250m，最小保护电流密度取0.15mA/m2，被保护管道管径为1.6m。则IA=0.15×1.6×3.14×250=188.4mA。所以：N=2×188.4/77=4.89≈5支。（3）阳极使用寿命采用美国HARCO防腐公司的经验公式：T=57.08Wη/IMG式中：W-----为单支阳极重量（磅）；我们采用镁阳极质量为14kg,乘以2.2化为重量磅数。η-----为系数，通常取0.75。则设计寿命为：T=57.08×14×2.2×0.75/77≈17年。2.6强制电流保护站的设置阴极保护站的设置应考虑到有可靠的交流电源、便于维护管理以及防止人为破坏等因素，一般阴极保护站宜设在泵站或水厂厂区内。萧镇段在萧镇、北渡泵站各设一座阴极保护站。萧镇阴极保护站设恒电位仪2台（1用1备），辅助阳极为30支YJBSICr50×1200mm双端接头的含铬高铸铁阳极，距管道100m，油管道垂直方向一字形水平埋设。北渡阴极保护站设恒电位仪3台（2用1备）。埋设两组辅助阳极（规格数量同上），每台仪器对应一组阳极。为防止未通电保护的泵站内管道发生杂散电流干扰腐蚀，对站内管道实施了牺牲阳极阴极保护，埋设两组各埋4支22kg镁阳极。横山段强制电流阴极保护站分别设在横山引水管理站和北仑水厂内，各有2台恒电位仪（1用1备）。考虑到横山阴极保护站处土壤电阻率比较高（240Ω.m），因引辅助阳极选了30支YJBSICr75×1500mm双端接头的含铬高硅铸造铁阳，将辅助阳极水平埋设在焦炭地床中，焦炭地床宽度厚度分别为600mm，长度为2000mm。萧镇北渡阴极保护站每台恒电位仪保护距离8.3公里，需保护电流I=8300×1.6×3.14×0.3=12509mA.辅助阳极接地电阻0.8欧姆。选取恒电位仪20A/24V。横山阴极保护站，因辅助阳极接地电阻10.1欧姆，选取恒电位仪30A/100V。北仑水厂阴极保护站辅助阳极接地电阻0.8欧姆，选取恒电位仪75A/35V。2.7管道电气绝缘措施阴极保护需要被保护输水管道的电气连续性，以及与外界的绝缘，这一点非常重要，为此我们采取以下措施：（1）在不同的阴极保护方式之间采用绝缘法兰绝缘。（2）管线进、出阴极保护站端安装绝缘法兰。（3）所有桥管处钢管与支墩用橡胶垫片进行绝缘处理。（4）所有其他与管道直接相连的金属件不允许直接接地。（5）考虑到湖水与土壤物理化学性的差异，空越东钱湖段两端安装绝缘法兰。（6）所有阀门井处加装一支14kg镁阳极。5上述措施在输水钢管阴极保护实际应用中取得了较好的技术和经济效果。而这些措施与石油行业阴极保护设计规范的要求有所不同。该规范要求被保护管道在穿跨越段的两端和排水井的连接处都应装设绝缘法兰或绝缘接头。宁波地处江南水乡，输水管道跨越河流的桥管数量较多，如果每座桥管的两端都要装设绝缘法兰，则施工难度大，工程费用高。我们经过试验，在桥管两端不装设绝缘法兰，采用橡胶垫片把输水钢管与管桥支承托座之间进行绝缘隔离。另外在管道排水阀门井室也不设绝缘法兰，而改为设置一组14kg单支镁阳极进行保护。这些措施的采取满足了阴极保护