油气输送管道阴极保护的
设
计
与
施
工
河南汇龙合金材料有限公司
2019年版
油气输送管道阴极保护的设计与施工
随着城镇燃气地下管网的迅速发展，钢质管道的腐蚀与防护问题也日益突出。为了延长埋地钢质管道的使用寿命，确保城镇燃气供应安全、可靠，通常采用阴极保护方法保护埋地钢质管道。 1 阴极保护设计 1.1阴极保护类型的确定 阴极保护属于电化学保护，是利用外部电流使金属腐蚀电位发生改变以降低其腐蚀速率的防腐蚀技术。埋地钢质管道阴极保护分为强制电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护两种[2～7]。 强制
5V,35pF,双向ESD保护二极管
随着城镇燃气地下管网的迅速发展，钢质管道的腐蚀与防护问题也日益突出。为了延长埋地钢质管道的使用寿命，确保城镇燃气供应安全、可靠，通常采用阴极保护方法保护埋地钢质管道。
1 阴极保护设计
1.1阴极保护类型的确定
阴极保护属于电化学保护，是利用外部电流使金属腐蚀电位发生改变以降低其腐蚀速率的防腐蚀技术。埋地钢质管道阴极保护分为强制电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护两种[2～7]。
强制电流阴极保护主要适用于郊区等地下管网单一地区的燃气主管道或城镇燃气环网。其优点是输出电流大而且可调，不受土壤电阻率，保护半径较大;系统运行寿命长，保护效果好;保护系统输出电流的变化可反映出管道涂层的性能改变。其缺点是需设专人维护管理，要求有外部电源长期供电，易产生屏蔽和干扰，特别是地下金属构筑物较复杂的地方。
牺牲阳极阴极保护主要适用于人口稠密地区和城镇内各种压力级制燃气管道。其优点
是不需外加电源，施工方便，不需进行经常性专门管理，不会生屏蔽，对其他构筑物也不会产生干扰，保护电流分布均匀、利用率高。其缺点是输出电流小，保护范围有限;需定期更换，不能实时监测输出电流分的变化，也不能反映管道涂层的状况。
根据以往的经验和我们的实践得知，城镇燃埋地钢质管道宜采用牺牲阳极阴极保护来减缓土壤对管道的电化学腐蚀。
1.2阴极保护电流的确定
要使埋设的燃气管道得到充分的保护，就要证有足够的电流使管道不受到腐蚀。钢质管道廖的最小保护电流是阴极保护设计最重要的参数之一，其计算公式如下：
I=AIP(1)
式中I——管道所需最小保护电流，mA
A——管道总表面积，m2
IP——最小保护电流密度，mA/m2
最小保护电流密度Ip是根据管道的防腐层种类、好坏来确定的，新建沥青玻璃布防腐管道所需的Ip约0.1mA/m2，新建三层PE管道所需的Ip约0.001mA/m2，旧管道的Ip取0.3mA/m2。
1.3牺牲阳极的选取
①土壤电阻率
土壤电阻率反映了土壤介质的导电能力。一般电阻率低的土壤腐蚀性强，反之腐蚀性弱，通常根据土壤电阻率选取适宜的牺牲阳极。无论采用哪种牺牲阳极，都需要先测出管道所在位置的土壤平均电阻率。土壤中所含成分的比例不同，造成各个地方电阻率也不同，即使同一地点不同埋深的电阻率也不同，因此我们常采用管道所在埋深处的电阻率的平均值。
②牺牲阳极的选用
牺牲阳极主要有两大类型，即镁合金阳极和锌合金阳极。
根据勘测出来的土壤电阻率(ρ)，可以选择采用锌阳极或镁阳极。一般ρ<5Ω·m时，选用锌阳极;5Ω·m≤p≤100Ω·113时，选用镁阳极;p>100Ω·m时，选用带状镁阳极。在土壤潮湿的情况下，锌阳极使用范围可扩大到30Ω·m。
1.4牺牲阳极的布置
①在布置牺牲阳极时，注意阳极与管道之间不应有金属构筑物。
②牺牲阳极必须埋设在冰冻线以下。在地下水位低于3m的干燥地带，阳极应适当加深埋设。在河流下阳极应埋设在河床的安全部位，以防止洪水冲刷和挖泥清淤时损坏。
③牺牲阳极埋设方式有立式和卧式两种。立式阳极采用钻孔法在埋设阳极处将阳极以垂直于管道的方向埋入地下，这种方式不需大面积开挖，但保护效果不如卧式阳极，适用于已建管道。卧式阳极采用开槽法施工，在管道敷设时与管道同沟放置，既节省单独开挖
的费用，又起到良好的保护效果。阳极哩设位置在一般情况下距管道外壁3～5m，最小不宜小于0.3m，但由于考虑到同沟敷设的方便性.一般将间距控制到0.3～0.5m，留出一定操作空间即可。埋深以阳极顶部距地面不小于1m为宜。成组布置时，阳极间距以2～3m为宜。
④通常应在管段上相邻两组牺牲阳极的中间部位设置测试桩，测试桩的间距以不大于500m为官。
1.5设计修正
当计算结束后，在管道上布置牺牲阳极时，还要考虑到一些特殊的情况，对总体设计进行调整。比如在定向钻的穿越出入土点，当采用的牺牲阳极保护半径不够时，可在出入土点增加阳极的数量或增大阳极的规格，使其能够起到完全保护穿越管道的作用。
2 设计的其他注意事项
2.1套管
管道穿越铁路、公路采用套管时，无论是钢套管还是混凝土套管都会存在屏蔽作用，使得外部的阴极保护电流流不到套管内的输送管上，成为阴极保护的盲区，一旦套管内进水，盲区内的管道将得不到保护。
针对套管的屏蔽，通常采用带状锌阳极，螺旋式缠绕在管道上，每隔2m左右与管道焊接一次。每个套管处应安装测试桩，通过套管和管道上的测试导线在地面上可以很方便地测试。
2.2绝缘连接
为防止阴极保护电流流到与大地连接的非保护构筑物上，应对阴极保护管道系统进行电绝缘。这样可以防止电流流失，减轻电偶腐蚀，避免不必要的干扰，控制电流流向。
绝缘的设置应考虑以下部位：a.干管与支管连接处;b.新旧管道连接处;c.裸管和覆盖层管道连接处;d.电气接地处;e.套管穿越处;f.跨越管道的支架与管道处;g.大型穿、跨越段两端。同时要注意在绝缘接头两侧应设有预防雷击和过电流的保护设施，以防止绝缘接头被瞬间的电流击穿。
2.3交流干扰
城镇的强电线路对管道存在着交流干扰，其危害主要有两方面，一是强电线路的交流电压的长期存在会对钢质管道产生交流腐蚀;二是强电线路发生故障时，会产生瞬间感应电压，可能击穿管道中设置的绝缘装置，并威胁到人身安全。解决交流干扰的方法有三种，一是保证管道分期施工全部结束后，一次性完成牺牲阳极的施工，尽早进行阳极接地;二是加大管道和接地体的距离，至少应达到3m;三是在管道和接地体间、绝缘装置两侧分别串连接地电池，将瞬间感应电压转移到管道上，再通过管道的接地装置将电流散掉，防止故障电流对管道的影响。
3 结语
在城镇燃气埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护的设计中，应根据管道所在位置的土壤平均电阻率和管道的压力、管径、长度、防腐层等来计算阳极的数量及分布，再综合管道经过的地区情况，如周围其他构筑物的情况、管道是否存在穿跨越、套管的设置情况等对阳
极分布进行调整，最后考虑管道起、终点处绝缘装置及接地电池的设置。
管线阴极保护施工方案
I、人员组织、施工程序和工程进度总体安排原则：
一、密切配合各管线施工队穿越铁路、公路及水渠的进程，集中人力进行日夜突击，及时完成套管内输管线缠绕镁带阳极的施工任务。
二、密切配合各管线施工队安装管线进程，在回填土后（回填土时，留出一小段管线供电缆 线焊接之用），及时进行牺牲阳极，参比电极，接地电池、测试桩等安装工作。
三、施工前，先派施工负责人、技术人员去现场考察施工作业环境，以利制订出更合理的现场施工方案。
四、进入施工现场前，所有器材等全部备齐，并经自检、确认数量、型号、规格、性能等均达到设计要求后，才能带领队伍进入现场进行施工。
五、每组牺牲阳极安装完成后，在对填包料浇水后十天，按设计要求，进行各项阴极保护参数的测试。
六、全线连通投产运行前，按设计要求，对绝缘法兰进行测试并按SYJ23-86标准对全线阴极保护参数进行测量。
七、施工中应遵守“先地下后地上”、“先土建后设备”等原则。
II、工程负责
本阴极保护工程共分下列六个单项：
一、镯型阳极的安装；
二、测试桩的埋设；
三、牺牲阳极的埋设；
四、接地电池的埋设；
五、阴极保护参数的测试
III、单项工程施工程序
一、镯型阳极的安装：
1、在管线上按设计要求量出各焊点位置；
2、除去管线焊点处防腐层，到露出管线金属光泽，并进行焊前表面处理；
3、按设计要求间距均匀设置阳极；
4、铜夹与管道用铝热焊剂进行焊接；
5、对焊接接头进行防腐、绝热施工；
6、检查焊接接头的队腐、绝缘性能；
7、阳极表面应符合SYJ19-86要求；
8、为便于镯型阳极安装，每隔五米用支点将管段在地面上填高。
二、测试桩安装：
1、按设计要求在现场确定测试桩位置，并挖掘测试桩桩坑，进行管道与测试电缆的焊接、防腐绝缘施工。
2、将管道、接地电池、牺牲阳极的电缆穿入测试桩，并连在接线板相应的接线桩上。
3、将测试桩放入桩坑，对测试桩基座用C20混凝土浇注，并进行养护。
三、牺牲阳极安装：
1、按设计确定好现场牺牲阳极的埋设位置，并挖好阳极埋坑。
2、将电缆与牺牲阳极的钢芯用锡焊连接；双边焊缝长度不应小于50mm。
3、焊接接头用三布五油环氧树脂加玻璃布进行防腐、绝缘，并检查防腐、绝缘性能。
4、配制填包料，将填包料各组份干粉按设计配比搅拌均匀，并不得混入石块、泥土、
杂草等。
5、按施工图将牺牲阳极和填包料装入棉布口袋内，保证阳极周围包料厚度一致，且厚度不应小于50mm。
6、将牺牲阳极放入挖好的牺牲阳极坑内，浇入适量淡水，以保证阳极与周围土壤间有良好的电连接。
四、接地电池的埋设：
1、按设计将锌阳极组装成接地电池。
2、锌阳极钢芯与电缆接头，用三布五油环氧脂加玻璃布进行防腐、绝缘。
3、按设计配比要求，将填包的各组份搅拌均匀，并不得混入石块、泥土、杂物等，将接地电池和填包料按要求装入棉布或麻口袋内、保证接地电池 包料厚度一致，且厚度不应小于50mm。
4、量出接地电池和接地管埋设位置，并挖好埋坑。
5、将接地电池和接地管埋于坑中，并在接地电池填包料口袋外浇上适量淡水，以保证接地电池与土壤间良好的电连接。
五、阴极保护参数的测试：
1、牺牲阳极保护参数的测试，必须在牺牲阳极埋入地下填包料浇水10天后进行，阳
极开路电位，阳极闭路电位、管道开路电位、管道保护电位的测试。
按SYJ23-86规定的“地表参比法”用携带式CuSO4参比电极和DT-830数字万用表进行测量。
2、单支牺牲阳极输出电流，组合牺牲阳极输出电流测试：
按SYJ23-86规定的直测法进行测量，采用DT-830数字万用表直接测出阳极的输出电流，每次测量时都选用DC300MA的电流档次，则其误差都是同等的，因而各次测量数据具有可比性。
3、单支牺牲阳极接地电阻，组合牺牲阳极联合接地电阻测试。
按SYJ23-86的第7.2.1条用ZG-8接地电阻测量仪测试。
4、绝缘法兰绝缘性能测试：
按SYJ4006-90第2.0.4条执行，用ZC-7兆欧表测量绝缘法兰绝缘程度，以大于或等于2 УΩ为合格。
过河、穿越公路铁路管道的阴极保护安装
管道穿越河流时，管道敷设在淤泥、黄粘砂质土壤中，地下水位高，部分管道浸在水中，由于受到污染，水的矿化度、含盐量、导电性较高，加剧了对管道的腐蚀。因此，采用阴极保护的方法保护管道延长其使用寿命。
对穿越公路铁路的管道采用套管，管道也采用牺牲阳极焊接在管道上加以保护，此阳极采用的是无包装无填包料的带状阳极，安装时要注意阳极与管道的接触部位涂层要完好，不得有缺陷，将阳极带缠绕到管道与套管之间，以保证管道得到全面保护。
埋地钢质燃气管道交流干扰判断指标:
能直接反映出电气化铁路对埋地钢质燃气管道交流干扰腐蚀的是交流杂散电流的大小，但由于实际条件，电气化铁路交流杂散电流无法直接测出。因此，管道受干扰腐蚀程度的主要判据为管地电位差、土壤电位梯度，该方法称为电气判别法。其中管地电位是最重要的参数，因为它既可以反映管道的腐蚀特性，又可以反映杂散电流的干扰特性。
在没有增加电流源的情况下，管地电位的提高是杂散电流进入点的迹象，管地电位的下降通常为杂散电流放电点的指示。通过电压测量发现管地电位不稳定、管地电位严重偏离正常值或土壤电位梯度反常等问题时，说明有杂散电流存在，并通过土壤电位梯度能够分析出杂散电流流入、流出点及电流大小。
对电气化铁路而言，管地电位随机车负荷变化，机车运行时管地电位交变激烈，但深夜时波动可能明显减弱。阴极保护系统等的干扰比较稳定，所以，引起管地电位的变化亦很稳定，在机车停运时，干扰则消失。因此，埋地管道受到干扰与否，通常用管地电位的变化来进行判定。
河南汇龙合金材料有限公司
技术部 刘珍
