新建埋地钢质燃气管道强制电流阴极保护设计.doc

新建埋地钢质燃气管道强制电流阴极保护设计摘要：论述了新建埋地钢质燃气管道阴极保护方法的选择，强制电流法阴极保护设计主要参数的确定、工艺计算、工程设计注意事项及应用实例。关键词：埋地钢质燃气管道；阴极保护；强制电流法；设计DesignofImpressedCurrentCathodicProtectionforNewBuriedSteelGasPipelineGA0Peng，WANGYa-ping，KANGZhi-gang，LIZhi，ZHANGYanAbstract：Theselectionofcathodicprotectionmethodsfornewburiedsteelgaspipeline，thedeterminationofmaindesignparametersforimpressedcurrentcathodicprotection，theprocesscalculation，themattersneedingattentioninengineeringdesignandtheapplicationexamplearediscussed.Keywords：buriedsteelgaspipeline；cathodicprotection；impressedcurrent；design钢质燃气管道因发生电化学腐蚀往往对社会造成严重危害，实践证明控制管道腐蚀的主要方法是防腐层和阴极保护1。CJJ952003城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程对城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制进行严格的技术规定，强制要求新建的高压、次高压、公称直径100mm的中压管道和公称直径200mm的低压管道必须采用防腐层辅以阴极保护的腐蚀控制措施，管道运行期间阴极保护不应间断。1新建钢质燃气管道阴极保护方法选择阴极保护技术有两种方法：强制电流法和牺牲阳极法。不论何种方法，合理有效的阴极保护系统都可以获得良好的保护效果，防止腐蚀产生危害。选择阴极保护方法时考虑的主要因素有：管道防腐层性能，工程规模，保护电流大小，环境条件，土壤电阻率，管网现状，交、直流干扰情况，有无经济方便的电源，工程造价等。强制电流法的优点是2：输出电流连续可调；保护范围大；不受环境电阻率限制；工程越大越经济；保护装置寿命长。其缺点是：需要外部电源；对邻近金属构筑物干扰大；维护管理工作量大。牺牲阳极法的优点是2：不需要外部电源；对邻近构筑物无干扰或干扰很小；投产调试后管理工作量小；工程越小越经济；保护电流分布均匀，利用率高。其缺点是：高电阻率环境下不宜使用；保护电流几乎不可调；防腐层质量必须好；投产调试工作复杂；消耗有色金属。在城市燃气行业阴极保护中，强制电流法和牺牲阳极法都有广泛运用。长输管道一般采用强制电流法，市内管道一般采用牺牲阳极法。也有部分城市针对市内在役管道增加阴极保护项目时采用强制电流法为主，并辅以牺牲阳极法3、4。新建燃气长输管道一般采用绝缘性能优良的3PE防腐层，需要的阴极保护电流比较小，在实践中一般采用强制电流法，其设计主要按照SY/T00362000埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范进行。对于土壤电阻率特别高，不适宜采用牺牲阳极的地方，也建议采用强制电流法。2强制电流法设计主要参数的确定2.1土壤电阻率的测试土壤电阻率的影响有两方面：阳极地床处的土壤电阻率决定辅助阳极的种类、规格、埋设位置；管道沿线的土壤电阻率影响电流密度的大小。2.2阴极保护电流密度的选择影响保护电流密度参数的因素很多，主要有被保护管道的表面状况(防腐层类别及质量)、环境条件(如温度、介质状态、pH值、含盐量及种类、含氧量、微生物活动等)和被保护金属种类等。对不同类型的外防腐层和土壤介质，强制电流法阴极保护电流密度的选择在实践中差别较大。有文献描述阴极保护电流密度与防腐层绝缘电阻有对应关系，可以用以下经验公式表达2：式中ip阴极保护电流密度，mA/m2Rg防腐层绝缘电阻，m2也有文献描述阴极保护电流密度与土壤电阻率有关联，认为对埋设在以高电阻率、低腐蚀速率为特征的腐蚀性较小的土壤中的钢管，阴极保护所需要的电流密度要大大小于埋设于低电阻率、高腐蚀性土壤中的管道。将电流密度与土壤电阻率的关系用以下公式表达5：lgip=-lg+1.54(2)式中土壤电阻率，m在阴极保护实践中，对于新建管道的强制电流法电流密度选择一般根据不同的防腐层类型，选择范围为0.050.40mA/m2。建议在设计中可以按照表1选择电流密度。表1管道外防腐层类别与电流密度的选择外防腐层类别石油沥青聚乙烯胶带三层PE保护电流密度/(mAm-2)0.300.400.100.20O.050.102.3阴极保护效果判据保护电位是表征阴极保护效果的重要指标，阴极保护系统的保护效果应达到下列指标之一6：施加阴极保护后，使用铜-饱和硫酸铜参比电极(以下简称CSE参比电极)测得的极化电位至少应达到-850mV或更低。测量电位时，必须考虑除构筑物与电解质界面处之外的电压降影响。采用断电法测得管道相对于CSE参比电极的极化电位应达到-850mV或更低。在阴极保护极化形成衰减时，测得被保护管道表面与接触土壤的、稳定的CSE参比电极之间的阴极极化电位差不应小于100mV。存在细菌腐蚀时，管道通电保护电位(相对于CSE参比电极)应低于或等于-950mV。在沙漠地区，管道通电保护电位(相对于CSE参比电极)应低于或等于-750mV。对如何消除构筑物与电解质界面处之外的电压降影响，一般在测试中通过控制设备通电12s，断电3s来达到。有文献报道利用APM-1型智能测试仪，可以消除因测试技术的原因造成电压降对保护电位测试的影响7。3强制电流法阴极保护设计工艺计算83.1保护长度计算强制电流阴极保护的保护长度按下列公式计算：式中L保护长度，mL0单侧保护长度，mUL最大保护电位与最小保护电位之差，VD管道外径，mip保护电流密度，A/m2Rt单位长度管道纵向电阻，/mT钢管电阻率，m2/m管道壁厚，m3.2保护电流计算强制电流阴极保护的保护电流按下列公式计算：I=2I0=2DipL(5)式中I保护电流，AI0单侧保护电流，A3.3辅助阳极接地电阻计算在hd条件下，单支立式阳极接地电阻按下式计算：式中Rv1单支立式阳极接地电阻，La阳极长度(含填料)，md阳极直径(含填料)，mh辅助阳桉埋深(填料顶部距地表面)，m在hLa条件下，深埋式阳极接地电阻按下式计算：式中Rv2深埋式阳极接地电阻，在Lah条件下，单支水平式阳极接地电阻按下式计算：式中Rh单支水平式阳极接地电阻，3.4阳极组接地电阻的计算阳极组接地电阻按下式计算：式中Ra阳极组接地电阻，F修正系数，查SY/T00362000规范中“图4.0.6”Rv单支阳极接地电阻，n阳极数量，支3.5阳极质量的计算阳极的质量应能满足阳极最小设计寿命的需要，按照下式计算：式中m阳极总质量，kgt辅助阳极设计寿命，ag辅助阳极消耗率，kg/(Aa)K辅助阳极利用系数，取0.700.853.6电源功率的计算强制电流阴极保护系统的电源功率按下列计算：式中P电源功率，WU电源设备的输出电压，V电源效率，一般取0.7Rl导线电阻，Rc阴极(管道)与土壤界面过渡电阻，Er阳极地床的反电动势，V，焦炭填充时取2VRe防腐层过渡电阻，m管道衰减因数，m-14工程设计4.1阳极地床类型的选择强制电流阴极保护按照辅助阳极地床的不同分为浅阳极地床和深阳极地床。对于城市周边的阴极保护站，只要地质条件允许，一般建议采用深阳极地床，以减少阴极保护电流对邻近埋地金属构筑物的影响，并减少征地范围，避免地床在运行中被破坏。浅阳极地床一般适用于长输管道，或者地质条件不宜安装深阳极地床的地区；阳极区占地面积一般为100150m2，埋深为25m，不容易产生气阻；施工比较简单，施工费用低；阳极一般为高硅铸铁阳极，价格便宜；但容易产生屏蔽问题，部分管道无法受到有效的阴极保护，并且对邻近埋地金属构筑物的影响非常大。深阳极地床一般适用于城市内管网、长输管道、站场内密集管网和地表土壤电阻率高而地下土壤电阻率低的地区；阳极区占地面积一般为610m2。埋深为30100m，如果施工不当，容易产生气阻；施工技术难度大，施工费用较高；阳极一般为高硅铸铁阳极、钛阳极(金属氧化物阳极)等，价格较高；屏蔽问题比浅阳极地床少，局部个别管段可能无法受到有效的阴极保护，对邻近埋地金属构筑物的影响较小。4.2阳极种类与规格的选择常用的辅助阳极材料为高硅铸铁阳极和钛阳极(金属氧化物阳极)，建议在浅阳极地床系统中采用高硅铸铁阳极，深阳极地床系统中采用钛阳极(金属氧化物阳极)，阳极规格根据计算确定。4.3电源设备的选择一般情况下选用整流器和恒电位仪。由于埋地管道的保护电流随时间变化很小并且很慢(以月为周期)，在国外多用整流器。恒电位仪具有恒保护电位与恒保护电流的功能，在国内发展很快，几乎占领了埋地管道阴极保护的整个领域8。根据实践经验，对于自然条件恶劣的地点，应选择整流器；在选择恒电位仪时，不必追求所谓的智能型、远控式等功能，因为目前对此没有统一的标准，这类仪器的可靠性需要实践的检验。由于许多天然气公司已经建立了SCADA系统，在选择恒电位仪时应考虑标准信号采集的要求。4.4测试系统通过设计电流测试桩、电位测试桩、绝缘装置测试桩和埋地检查片来测试阴极保护系统的各项参数。一般按照每1km距离设计1处电位测试桩，每58km距离设计1处电流测试桩。在绝缘法兰(绝缘接头)处应设计绝缘装置测试桩，以检测绝缘效果。埋地检查片则用来评价阴极保护的保护度，可以考虑按照一定的管网规模安装1处埋地检查片，方便以后定期开挖检测。测试桩应设有长效埋地参比电极和与管道同材质的辅助试片。在实践中可以采用测试井来代替测试桩。4.5电绝缘装置没有绝缘体就没有阴极保护9，管道的保护段与非保护段、管道与套管、管道与支架、管道与管桥之间应有可靠的电绝缘措施。可以通过设置绝缘法兰(绝缘接头)、聚乙烯垫块等手段达到绝缘的目的。其技术要求按照SY/T008695阴极保护管道的电绝缘标准执行，应注意同时设计防雷电过电流保护设施(避雷器、接地电池等)。4.6跨接电缆对于钢质管道上所有非焊接连接部位，应采用铜芯电缆跨接连接，以保证管道的电连续性。4.7杂散电流干扰的排除由于强制电流法在一定程度上可以减轻直流杂散电流对管道的干扰，部分干扰数据只有在项目施工完成后才能测试，因此在设计时应考虑此项因素。具体的干扰程度判断和防护手段按照SY/T001796埋地钢质管道直流排流保护技术标准和SY/T00322000埋地钢质管道交流排流保护技术标准执行。4.8套管内的阴极保护阴极保护的管道中一般不推荐采用套管，除非是必须使用，并且不能采用绝缘材质的套管(如PE管、玻璃钢管等)。在使用钢质套管的情况下，应保证钢质套管与燃气管道的绝缘。有文献报道，此时介质进入钢质套管内部对阴极保护效果影响较小，可不必设计安装带状牺牲阳极(或镯式阳极)10。5应用范例5.1管道基本信息现以某市(地质条件满足深阳极地床要求)一条新建的次高压燃气管道为例进行强制电流法阴极保护设计。管道材质为Q235B，规格为3258mm，长度为30km。管道起点为高压门站，终点为市区边缘的次高压调压站。外防腐层类型为3PE普通级，阳极区土壤电阻率为20m。要求阴极保护系统设计寿命为30年，绝缘装置安装在管道始末端(共2处)。5.2主要设计参数的确定保护电流密度为0.05mA/m2，保护电位为-0.95V，采用强制电流深阳极地床阴极保护，辅助阳极材料为钛阳极(金属氧化物阳极)，预包装阳极体直径为273mm，长度为18m，其中共包含9支规格为251000的管式钛阳极，地床深度约50m。5.3强制电流法设计工艺计算结果工艺计算参数见表2，计算结果见表3。表2阴极保护工艺计算参数UL/VD/mip/(Am-2)T/(mm2m-1)/mLa/md/m0.500.3255.010-50.1350.008180.273/(m)t/aKR1/Er/VRe/(m)30300.70.70.221.0104表3阴极保护工艺计算结果L/mRt/I0/ARv2/P/W3.401041.7010-51.730.8632U/VRc/m-1I/A6.50.234.1210-53.465.4强制电流法阴极保护工程设计本项目需要在次高压调压站内建设一个阴极保护站。采用强制电流深阳极地床阴极保护，电源设备选择恒电位仪，考虑与SCADA系统适配，应具备标准信号采集端子，电源设备最大输出电压为30V，最大输出电流为10A。共设计30处测试桩。其中3处电流测试桩，25处电位测试桩，2处绝缘装置测试桩(在管道始末端)，测试桩平均分布。测试桩设有长效埋地参比电极和与管道同材质的辅助试片。设计2处埋地检查片，用来评价阴极保护的保护度。在管道始末端的绝缘处设计避雷器2处，安装在防爆接线箱内。对于钢质管道上所有非焊接连接部位，采用铜芯电缆跨接连接。阴极保护施工完工后，及时测试交流及直流杂散电流对管道的干扰程度，依据SY/T001796埋地钢质管道直流排流保护技术标准和SY/T00322000埋地钢质管道交流排流保护技术标准判断是否需要采取排流措施。阴极保护的验收准则为：使用CSE参比电极测得的管道上任何一点的极化电位应达到-950mV或更低，测量电位时，必须考虑除构筑物与电解质界面处之外的电压降的影响。6结论对于城市新建的燃气长输埋地钢质管道，由于外防腐层性能的提高，阴极保护设计可选择用强制电流法，其技术可靠，经济较优。在强制电流法设计中，应考虑阳极地床对其他埋地构筑物的干扰，尽量选择深阳极地床技术。相对于牺牲阳极法，强制电流法的阴极保护电流在一定范围内连续可调，其保护效果更容易满足要求。对阴极保护系统应设计一定数量的测试装置，以方便运行管理单位测试各项阴极保护参数，进行保护效果的评价。对于交流及直流杂散电流对管道的干扰应特别重视，在施工完成后要求及时测试，对存在的干扰应采取有效防护措施。参考文献：1(美)皮博迪AW(著)，吴建华，许立坤(译).管线腐蚀控制M.北京：化学工业出版社，2004.2胡士信，徐快，孟宪级.阴极保护工程手册M.北京：化学工业出版社，1999.3林长植.深井阳极强制电流保护技术在城市煤气管网中的运用A.99全国第三届埋地管线防腐蚀工程技术交流会论文集C.昆明：中国腐蚀与防护学会，1999.228-231.4宋金云，王军，邹向东.外加电源深井阳极阴极保护技术在郑州市地下燃气管网中的应用J.全面腐蚀控制，2005，19(1)：14-17.5(日)KASAHARAK(著)，米琪(译).在劣质涂敷的钢管上提供完全的阴极保护的准则和设计方法J.国外油气储运，1991，9(6)：57-62.6CJJ952003，城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程S.7胡士信，葛艾天，何悟忠，等.埋地钢质管道阴极保护真实电位的测量技术J.腐蚀与防护，2005，26(7)：297-301.8SY/T00362000，埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范S.9(美)奥斯特罗夫AG(著)，王向农，张清玉(译).腐蚀控制手册M.北京：石油工业出版社，1988.10张珂，史国福，宁尚锋，等.钢质套管对埋地管道阴极保护的影响J.腐蚀与防护，2007，28(11)：580-582.第 11 页 共 11 页