阴极保护技术在3个工程中的实际应用

应用背景西气东输管道管道工程全线采用强制电流阴极保护阴极保护方案，沿线阴极保护阴极保护站的设置分布是根据阴极保护阴极保护工艺计算确定的保护半径、工艺站场和线路阀室的位置、经济可靠的交流电源、日常管理、数据传输、检修和维护的方便性等诸项因素后，本着尽可能将阴极保护阴极保护站与工艺站场合建的原则；同时综合考虑了工程建设周期的需要；设置阴极保护阴极保护站处阳极地床的具体环境条件等因素后，确定应在靖边压气站设置一座阴极保护阴极保护站。靖边压气站作为需先期建设向上海供气的东段管线的起点，在此建阴极保护阴极保护站让强制电流阴极保护阴极保护系统尽早投运是合理的，但安装阳极地床的具体环境条件却较复杂，现场的情况是：（1）该区域是输气管线的枢纽，靖边压气站位于靖边天然气净化厂东北侧，靖银首站北侧，汇集有从净化厂到靖银管线、靖西管线、陕京管线、长呼管线及陕甘宁内部集输等众多的进站管线和出站管线地下管网密集、分布复杂。（2）地形及地层岩性情况：靖边压气站位于毛乌素沙漠南缘与陕北黄土高原北部接壤的过渡带内表层为带状沙丘与片状沙丘构成，地形较平坦；从地表到-21.5m均为细砂，下至45m未见岩石，为粉质黄土；地下水位线随季节不同在2.7～6m范围内变化；最大冰土层深度1.06m；水分析报告表明：pH值为8.02呈弱碱性，含cl-13.76mg／L、SO42-16mg／L；即土质在40m深范围为干～稍湿性细砂或黄土。土壤电阻率高。2设计方案2．1地床方式的比较和确定辅助阳极地床是强制电流阴极保护阴极保护站的主要组成部分，阴极保护阴极保护设备对被保护管道管道的阴极极化流由此进入土壤，经过土壤中水分及导电离子的传导达到管道管道表面，构成阴极保护阴极保护的完整导电回路。阳极地床一般采用两种形式：浅埋式地床和深井地床。浅埋地床应埋设在冰土层深度以下，深井地床一般埋深15m以下。浅埋阳极地床具有施工费用低，技术设备简单，维护管理方便等特点。深阳极地床用于对临近金属构筑物可能产生干扰和地表土壤电阻率高的地区，比浅埋式远阳极地床有更好的远地特性，可提供沿被保护管线最佳的电流分布并使电压梯度变化减至最小。深井阳极地床有以下优点：（1）提供的电流分布比浅阳极地床均匀；（2）对其他地下金属结构形成的阳极直流干扰比浅阳极地床低；（3）比浅阳极地床受季节含水变化的影响小，接地电阻随季节变化小。根据靖边站周围管网密集及土质状况的具体特点，为避免对周围管道管道产生直流干扰及降低阳极地床接地电阻，设计确定采用深阳极地床方案。深阳极地床分闭孔法和开孔法两种，在对贵金属氧化物管状阳极串(绳式阳极)、分段预制封装贵金属氧化物阳极和分段预制封装高硅铁阳极等国内外使用方式综合比较后，考虑到靖边站表层高土壤电阻率、细砂土质的具体特点，为保证填料合理密实度及现场安装质量，延长使用寿命，降低阳极地床接地电阻，采用了闭孔法方式，阳极采用分段预制式贵金属氧化物阳极。2．2深阳极地床2．2．1深阳极的安装深阳极地床井深40m，采用闭孔阳极地床，共安装4组在工厂封装好的分段预制式阳极体，阳极体位于地表16m以下，处于活性区内的阳极地床长度为24m，深阳极井非活性区用粒径为16--32m的卵石回填；井口安装7m长的护井套，上部设水泥套管做维护灌水及深井阳极和阳极主电缆走向标识用；阳极体内定位安装好的排气管与顶部排气管牢固固定连通，并引至地表冻土层以下；每组阳极体内的铠装阳极引出电缆穿?63的排气管后，均引至地表冻土层以下与阳极主电缆分别相连接，并采用两个电缆专用热收缩套将绝缘层与铠装分层密封绝缘。执行标准SY／T0096—2000(强制电流深阳极地床技术规范》及美国腐蚀工程师协会NACER0572—2o01《外加电流深地床的设计、安装、操作与维护》。2．2．2分段预制式阳极体材料要求(1)阳极组合体：外径?219、长6m的钢套管(20#钢)；每组阳极体内串接有3支采用以钛为基体材料，表面覆盖贵金属氧化物组成的钛镀贵金属氧化物阳极。(2)贵金属氧化物阳极；阳极直径：25mm；单支阳极长度：1000mm；执行标准：AM13338一级钛(或GB／T3620TA2)；氧化膜：IrO／TaO(氧化铱／氧化钽)。(3)阳极体应采用：在工厂预先封装，贵金属氧化物阳极周围应填充高纯度、低阻抗碳素填料，填充应密实。电缆在阳极筒内连接，接触电阻小于0．005Ω。阳极体电缆引线应按井深、组数要求确定的引线长度组装，阳极两端与电缆的密封头应用可靠的密封形式，且能耐阳极井中氯气造成的酸性气体的长期腐蚀。(4)阳极体结构应有良好的排气措施，并应安装专门的排气管及保证现场准确定位方便、定位准确，及防止气阻的发生。3解决的技术问题与浅埋式地床相比深阳极地床由于现场施工较复杂，维护更换不易，因此合理解决现场施工安装的方便性，把阳极妥善放置到设计深度，使现场安装质量易保证；延长使用寿命，使其设计寿命与被保护体的寿命相匹配；防止以往高硅铁阳极式深井阳极由于尖端效应或缩颈效应及产生气阻等原因，而出现的使深阳极地床提前失效；以及使阳极地床有尽可能低的接地电阻和对周围地下金属构筑物不会造成直流杂散电流干扰是主要解决的问题。3．1使用寿命3．1．1电流密度和消耗率阳极体内串接的钛镀贵金属氧化物阳极，极耐酸性环境作用，在土壤中具有优异的电化学活性、极化小及电化学稳定性。经相关部门的试验，作为土壤中外加电流保护用辅助阳极时，在阳极工作电流密度为100A／m2条件下，无论运行时在阳极表面发生的是析气反应，还是析氯反应，都没有因为土质酸化，工作条件变得苛刻而降低其电化学性能。同时具有极低的消耗速率，消耗率低于6mg／A·a，电流密度和消耗率指标均远优于高硅铁阳极，设计寿命不低于30a。3．1．2缩颈效应和尖端效应高硅钛阳极寿命短、提前失效的主要原因之一是尖端效应或缩颈效应，即在电缆接头处的颈部和阳极尾部的排流密度大，加之高硅铁阳极的电缆接头不易处理好，会发生断线导致阳极完全失效现象贵金属氧化物阳极则采用了不同的结构与规格，阳极电缆与阳极采用中间电连接，阳极电缆穿过管状阳极体，贯穿管状阳极体整体；加之单支阳极体重量非常轻(约2kg)，具有抗氯气腐蚀性能的电缆本身完全可以承受阳极的重量，消除了高硅铁阳极所存在的尖端效应。3．2气阻问题气阻也常常是导致深井阳极报废的原因，在工厂分段预制的阳极体安装有专门的3排气管，封装结构上特地留出了空间，保证各组间及与上部排气管定位准、现场连接可靠方便，排气通畅；另外通过控制填充料的孔隙率，以减少气阻。3．3接地电阻低的阳极接地电阻是通过增大阳极的有效长度，同时采用导电性能良好的低阻抗碳素填料，加上保证与钛镀贵金属氧化物阳极间紧密填充来达到的，靖边阴极保护阴极保护站深井阳极所采用的高纯度低阻抗碳素填料，其主要性能指标：含碳量97％、电阻率0.03Ω·cm，远优于SY／T0096—2000{强制电流深阳极地床技术规范》的要求。3．4安装的方便性靖边深井阳极由于口径小、深度深，加上土质基本为细砂，钻进后易产生塌方，因此要求现场施工安装中缩短时间尽快完成安装工艺。由于采用了分段预制的结构和组合组装工艺，在工厂预制中时间从容，可以控制单段的装配尺寸精度、填料的密实度、排气管及贵金属氧化物阳极的固定定位以及保护阳极表面氧化物烧结层等关键工艺，阳极体质量易保证。除钻孔、固井、洗井外，施工现场的阳极下井就位安装工艺相对简单，主要是按顺序吊装、套管间螺栓紧固和上部排气管与阳极引出线的安装工作，现场施工操作方便，整体质量易控制。4使用效果(1)靖边阴极保护阴极保护站深井阳极已于2003年9月投运，2004年8月阴极保护阴极保护站运行参数为：输出电流1.49A，输出电位5.1V，控制电位-1.299V。(2)接地电阻：1.5Ω，在地表为高土壤电阻率，深部有导电性好土壤区域，能达到如此效果，说明阳极体结构合理，既降低了阳极接地电阻，又缩小了辅助阳极的占地范围，此种阳极结构特别适合于沙化地的接地体设计。通过介绍阴极保护技术在3个工程中的实际应用，分析了这一工艺在埋地钢质管道防腐中的重要作用，并且对阴极保护的经济性进行了评价。关键词：埋地钢质管道外加电流阴极保护牺牲阳极保护中图分类号：TU992.05文献标识码：C文章编号：1000-4602(2001)05-0059-03阴极保护在金属防腐工艺中，是电化学保护方法的一种。它通过对被保护金属体施加电流，从而使其电极电位负移，使金属减弱由原子态自发变为离子态的趋势，因而从根本上抑制了腐蚀的发生。由于这个过程必须在电解质中进行，因此埋地钢管非常适宜采取阴极保护。若阴极保护与管道本身的防腐层互相补充，从而在安全性和经济性方面达到完美组合，则是目前公认的最佳防腐方案。1宁波城市供水工程宁波城市供水工程是从奉化市的肖镇至宁波市江东区梅墟敷设一条1600mm的输水钢管，管线全长38km，外防腐采用环氧煤沥青二布三油形式。1.1外加电流阴极保护从肖镇至北渡的17km以及北渡至江东梅墟的前4.2km管道，基本无地下金属构筑物，采用了外加电流阴极保护。肖镇阴极保护站：设恒电位仪2台(1用1备)，将30支YJBSiCr50mm×1200mm双端接头的含铬高硅铸铁阳极在距管道100m、沿管道垂直方向上一字形水平埋设。北渡阴极保护站：设恒电位仪3台(2用1备)，向两侧供电。埋设两组阳极(规格、数量同上)，每台仪器对应一组阳极。汇流点设在进、出绝缘法兰的外侧。全程设有电位测试桩18个(1个/km)，电流测试桩2个和绝缘法兰测试桩4个。管道进、出站设绝缘法兰以进行有效的电绝缘(绝缘电阻≥5MΩ)。由于绝缘法兰两侧存在一定的电位差，会对另一侧未通电保护的泵站内管道产生阴极干扰、加速腐蚀，因此对站内管道实施了牺牲阳极保护，即两个泵站内各埋设了两组22kg/支的镁阳极。此外，为了防止保护电流的流失，同时须做好绝缘处理，如架空管桥处的钢管与支墩接触处用橡胶垫片进行绝缘、所有与管道连接的金属件不允许接地等。1.2外加电流阴极保护的实施效果实际测定的保护参数见表1。结果表明：①阳极地床接地电阻＜1Ω，符合规范要求。②各测试桩中电位数据均达到≤-0.85V的保护标准。③汇流点最高控制电位为-1.251V时，说明管道全线达到了保护电位；仪器输出电流、电压都不大，说明该段管道防腐层做得好，绝缘法兰绝缘效果好；阳极地床接地电阻小，使得阴极保护的日常维护费用低。1.3牺牲阳极保护北渡至江东梅墟段管道除去实施外加电流的4.2km外，其余17km因地下金属构筑物较多，且多次与其他管道平行、交叉，故采用了牺牲阳极保护，这是为了减轻与其他金属构筑物之间的相互干扰。牺牲阳极选用镁阳极，1km设4组，每组由4支14kg的镁阳极组成，其中3组直接焊在管道上，1组通过测试桩连接，以便进行电参数测量，了解阳极使用寿命。1.4牺牲阳极保护的实施效果牺牲阳极保护的实施效果见表2。结果表明：①阳极开路电位符合要求。②管道保护电位≤-0.85V，且比较均匀。③按阳极出电流计算阳极寿命＞20a。2陕气进津管道工程陕甘宁气田—北京输气管道天津支线工程(简称陕气进津管道工程)是天津市的重点工程，对于改善天津市的能源结构具有重大意义。管线西起河北省永清县，东至天津市第一煤气厂，全长64km，选用426mm螺旋缝埋弧焊接钢管。钢管外防腐采用阴极保护与聚乙烯三层结构的联合保护方式。2.1外加电流阴极保护从永清至天津西青区子牙河的54km管线主要在农田中敷设，沿线的金属构筑物少，相互干扰较小，采用外加电流的保护方式。为了避免保护电流的流失，在外加电流保护管段的两端加装了高电阻值的绝缘接头(因输气管内壁不做防腐，为防止管内有积水时绝缘接头两端的管段在电解液中导电而失去绝缘作用，故将其埋设在高点处)。在王庆坨设置阴极保护站，沿永清方向保护36km、天津方向保护18km。站内设恒电位仪两台(PS—1型)，可以互相切换，并由自动控制台控制，以保证阴极保护系统连续运行。阳极地床位于管道垂直方向250m处，由40支100mm×1500mm的高硅铸铁阳极