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胡士信:让阴极保护技术 为国家创造更多财富
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胡士信:让阴极保护技术 为国家创造更多财富

【摘要】:
胡士信,中国管道阴极保护专家、中石油管道局咨询专家委员会委员、中国工程院材料延寿与可持续发展的战略研究咨询项目专家组成员。他先后主持过鲁宁、琼深、任京、克鸟复线、北京化工氧气氮气乙烯管道、上海宝钢引水管道、西气东输、苏丹、利比亚、哈萨克斯坦-中国输油管道及南水北调中线北京段PCCP等管道工程阴极保护的设计与施工。  砥砺奋进四十载,阴极保护设计出硕果。在改革开放百废待兴的大好时机下,胡老师主持和参

  胡士信,中国管道阴极保护专家、中石油管道局咨询专家委员会委员、中国工程院材料延寿与可持续发展的战略研究咨询项目专家组成员。他先后主持过鲁宁、琼深、任京、克鸟复线、北京化工氧气氮气乙烯管道、上海宝钢引水管道、西气东输、苏丹、利比亚、哈萨克斯坦 - 中国输油管道及南水北调中线北京段 PCCP 等管道工程阴极保护的设计与施工。

  砥砺奋进四十载,阴极保护设计出硕果。在改革开放百废待兴的大好时机下,胡老师主持和参与了许多关系国家战略发展的重大工程项目,在每次工程项目中他始终保持积极开拓、探索、勇于创新的精神,比如他在西气东输重大工程项目中,以“敢于第一个吃螃蟹”的精神承担并完成了减阻内涂技术的科研任务,填补了国内空白,把我国的输气管道技术水平向前推进一大步,给国家节省投资 10 亿元,为我国的管道事业发展做出了突出的贡献。

  胡老师先后多次获得石油部(中石油集团公司)、铁道部、云南省、工业和信息化部等省部级科技成果奖。1995 年,他被中石油集团公司评为首批跨世纪学术带头人;2002 年,他荣获中石油集团公司优秀勘察设计师称号……他的科研事迹被收入《当代中国科学家与发明家大辞典》《中国科技人才大辞典》之中,这样一位优秀的从事管道阴极保护设计的科研工作者,如今虽已年过古稀,依然充满热情地参与 HVDC 对管道干扰影响及防护的科研项目,目的只有一个:让阴极保护技术为国家创造更多财富!

  减阻内涂技术 填补国内空白

  我国的管道建设是与铁路、公路、船舶、航空并驾齐驱的五大运输渠道之一,号称“地下大动脉”。“西气东输”是 21 世纪的序幕性工程,在当时是国内输量最大、距离最长、压气站最多、管径最大的管道建设工程,为保证其安全性和可靠性,提高输送效益,在设计中采用减阻内涂层技术,这一技术是一历史性的突破。

  胡老师介绍,天然气管道减阻内涂技术在国外广泛应用已经很多年,有丰富的经验,尽管各国的参数取值不尽相同,但结论是一致的:“初期内涂层投入的成本将会得到几倍的回报,管径越大,路线越长,输气量越大,效益越好。”在西气东输工程建设前,该技术在国内尚属空白,不服输的胡老师开始琢磨,西气东输工程绵延 4000 多公里,经历多种气候类型,沿线穿越各种地理单元,能否在西气东输工程中也使用减阻内涂技术?当他首次提出这种想法和建议,遭到了当时权威人士的质疑和反对。胡老师没有放弃,他认为减阻内涂技术具有很高的经济效益,是低碳绿色的好项目,比如说,在管径、压力不变的前提下,能够提高输量;在输量和压力一定的前提下,可缩小管径,节约钢材;在管径、输量、压力不变的前提下,可减少压缩机站的站数;由于摩擦阻力减小,压缩机的动力消耗就会减少,它还能够减轻管内壁腐蚀,保证介质的纯度。

  基于这些考虑,虽然减阻内涂技术不属于阴极保护专业范畴,胡老师还是主动请缨承担了减阻内涂技术的攻关研究,他带领管道设计院、中石油塘沽工程院和管道科技中心的课题组进行了为期两年的技术攻关,先后对内涂的设计、涂敷工艺、施工及验收、技术规范进行研究,最终攻克了各种设计、施工、检测等技术难题,在国内首次完成了减阻内涂技术的科研任务,并把这项技术应用到了西气东输工程项目中。

  通过这一技术的实施,西气东输工程减少了三座压气站,仅此一项便可为国家节省投资 10 亿元。采用该技术可增加输量、减少了输气过程中的燃气消耗、减少了清管次数,每年还可收益近10 亿元。

  胡老师介绍,通过西气东输通气运行,证明减阻内涂技术的应用是成功的,这标志着我国输气管道技术提高到一个新的水平,可与国外相媲美。陕京二线和广东 LNG 及后来的西二线、西三线等项目中均应用了减阻内涂技术,这也证明了这项技术的成功。减阻内涂技术这一重大技术进步在 2004 年 3 月的“中石油管道技术与管理座谈会”上被中国石油列为十大重点推广的新技术之一,该项成果荣获 2005 年管道局科技成果一等奖,并集成到西气东输科技成果中荣获国家科技大奖。

  

 

  

  研发阴极保护材料 从原始走向现代

  二十世纪七十年代,我国的管道事业刚起步,阴极保护技术处在原始态,当时国外大量使用的辅助阳极为难溶性石墨和高硅铸铁,寿命可达 20 年以上,而国内却在使用钢铁阳极。钢铁阳极属于可溶性材料,其寿命只有 3 ~ 5 年。看到如此之大的差距,胡老师大胆提出研制国产的石墨阳极。在领导和同行们的支持下,他克服了各种困难,白手起家,在设计院的院子里支起了自焊的铁锅,熬石蜡、煮石墨棒,钻孔,焊接电缆,终于试制出了国内第一支用于阴极保护的石墨阳极。为了验证研制出的石墨阳极的稳定性和改进阳极接头工艺,胡老师又开始了室内和现场实验,并取得上万个实验数据,最终获取了科研项目的成功,于 1978 年在国内首次应用上国产的难溶性阳极,把国内的阴极保护技术向前推进了一步。

  紧接着,胡老师又着手于高硅铸铁阳极的研制。高硅铸铁阳极是土壤中、水中及海水中钢构筑物阴极保护辅助阳极的最佳阳极材料,其腐蚀率比石墨阳极还要低,属难溶性电极。它同石墨阳极一样,均为国外普遍使用的铺助阳极材料。但在上世纪八十年代,在国内因无专门商品化产品,仅能少量使用非标准规格的其他领域应用的高硅铸铁块来代替钢铁作辅助阳极材料。为改变这一落后局面,胡老师和昆明冶金机械厂等单位合作,研制出了化学成分合理、生产工艺稳定,性能达到国外同类产品水平的高硅铸铁阳极产品,并在管道、油田、地下通信电缆等领域的阴极保护工程中试用成功,彻底地改变了国内阴极保护使用的辅助阳极材料和技术,把阴极保护技术从可溶性阳极时代推进到难溶性阳极时代,为推动国内阴极保护技术进步做出贡献。胡老师说:“目前,国产的高硅铸铁阳极已达到了国外同等水平,并且大量出口到国外。这种阳极目前也大量应用在HVDC的接地极上。”

  牺牲阳极是阴极保护两种方法之一,在上世纪七八十年代,国内并没有牺牲阳极产品,胡老师回忆说:“1980年,设计院接到一项上海宝钢引水工程阴极保护的设计任务。由于管道经过上海市区,须考虑强制电流的干扰问题,应采用牺牲阳极保护,当时国内没有牺牲阳极的产品,为确保国家重点工程的安全,我查阅了大量文献,提出尽快研制国产的牺牲阳极,并选定了镁阳极的 6 个配方,委托厂家试制小样,再对这 6 个配方进行筛选。当时设计院没有实验室,在院领导的支持下。我带领研究小组,把四楼的男厕所改成了临时实验场所,摆起了瓶瓶罐罐,昼夜值班测试,夏日炎热、蚊虫叮咬更是小菜一碟。在克服了种种困难后,测取了近百个小样数万个数据。功夫不负有心人,经过几轮的筛选,终于优化出镁阳极配方,并试制大样,在上海宝钢指挥部的支持下,和上海市政工程设计院、上海自来水公司、抚顺铝厂、重庆有色金属研究所一道火速在上海的自来水管道上进行了实地埋设考察。经过近两年的研究和开发,最终研制出了镁阳极,并通过了来自石油、海洋、化工及冶金等行业的二十几位腐蚀专家及大专院校腐蚀权威们的一致肯定。其成果为后期镁阳极标准的制订打下了牢固的基础。该项成果被石油部评为 1983 年的科技成果二等奖。”

  胡老师说:“带状镁阳极的研制在国内首次把挤压法应用到牺牲阳极制造上,成功地解决了内嵌铁芯制造工艺的技术难题。当时的测试数据表明,新研制的带状镁阳极的电化学性能接近国外同类产品的先进水平,具有电流分布均匀、应用灵活的优点。它的成功突破了高电阻率环境下不宜采用牺牲阳极保护的传统观念。根据带状镁阳极的生产原理,国内又开发出带状锌阳极,大大丰富了阳极品种,这种阳极为临时保护、防干扰、套管内的阴极保护等提供了有力保障、开拓了牺牲阳极应用的新领域。 ”

  迎难而上 攻克杂散电流干扰

  胡老师说:“阴极保护的历史就是一部防干扰史。”我国人口密度大,土地紧张,地理环境复杂,强电线路和埋地油气管道间隔近且长距离并行,共用走廊已不可避免。强电线路与管道相邻,将会对管道产生电磁感应影响,若管道上感应电流密度超标,就会导致交流腐蚀现象。

  1982 年,我国建设了一条从大同到秦皇岛的输煤重轨铁路,输煤电机车携带很大的电流量,这条铁路与中国石油的秦京输油管道正好有 4 公里平行段。其交流干扰最高达到几十伏,这种长距离并行的电磁感应干扰不仅能使秦京输油管线发生交流腐蚀,而且还可能危及人身安全,损坏防护设备,威胁管道安全运营。于是,在铁路建设期前就提出两个方案,一个方案是管道搬家,另一个方案是管道不搬家,在管道侧采取防干扰措施。为此石油部和铁道部联合攻关解决防干扰课题,在当时并没有成功的经验可供借鉴,属于高难技术课题,胡老师勇于承担,接受了第一个关于交流干扰与防护的课题。

  承担起这一重任后,胡老师根据当时对交流干扰的认识以及国内外交流干扰防护的理论,首次在国内组织了一次在已建管道上进行交流干扰及防护的综合评估试验,把接地、屏蔽、电绝缘、等电位等防干扰的各种防护措施进行了实地试验,进行了近 3 年的各种条件下的干扰测试,记录了几十本数据,通过对数据的分析、整理、改进,确定了管道上的最佳防干扰措施——极性排流 +安全检测,最终解决了不用改线就能防止铁路对管道所造成的干扰问题。

  胡老师说:“我们把这个成果应用于京秦电气化铁路对秦京线的干扰防护措施上,取得了成功,避免了不必要的改线,为国家节省基建投资 477 万元。

  为此人民日报、经济日报、石油报和铁道报等当年均给予了报道,引起了极大的社会反响。”

  进入新世纪,随着我国经济的快速发展,特高压交、直流输电工程和埋地油气管道的建设都在提速。输电线路和管道线路并行或相邻的几率越来越大,严重威胁着管道的安全。

  2008 年,我国首次将输电电压升高至 1000 kV,国家电网开展了同塔双回线路对管道干扰影响与防护的研究课题。根据课题的需要,胡老师进行了针对西气东输管线、陕京二线、西南成品油和珠三角成品油输送管线上受 500 KV 输电线路所造成的干扰影响实测并评价,实测结果表明在这四大油气输送管线上,按照最新的国内外标准评价均存在着严重的交流干扰问题,干扰电压和电流密度都超标,特别是云南山区岩石地段,几乎无法排除,在500 KV 的电压下有这么大的问题,那么1000 KV 的危害就更大了。

  通过调研,胡老师提出的解决方案是排流,选用锌带阳极接地配合以极性排流节的防护措施,成功地解决特高压交流线路与管道共用一条通路的技术难题,该项技术于 2009 年通过了国家验收。胡老师说:“目前我国的 HVAC 和HVDC 的电压等级都已达 1000 KV,均为世界之最。防干扰的研究是我们腐蚀工作者义不容辞的担当,特别是对 HVDC干扰的认识还有待提高,接地极对管道的腐蚀影响等一些未知领域还有待我们去研究和探索。”

  

  阴极保护为 PCCP 保驾护航

  预应力钢筒混凝土管 (PCCP) 是当前国内外供水工程推广的新技术,它是将高强钢丝的抗拉、混凝土的抗压和钢板的防渗有机结合在一起,充分合理利用了材料各自的物理力学特性的高品质的输水管材。这种管材最先是法国Bonna 公司研制使用,国外早在 1942 年就开始应用。

  在 PCCP 管的应用史上,最具代表性的是利比亚“大人工河”工程。上个世纪 80 年代利比亚出于战略考虑决定实施“大人工河”计划,就是把南部撒哈拉沙漠中的4处地下水源的地下水抽上来,分别用 PCCP 管道远距离送到北部沿海地区,并联成全国统一的地下供水管网。不过利比亚大人工河项目的经验表明,一期工程 PCCP 建设时,出于降低工程造价的考虑,一期工程只有30%的 PCCP 做环氧煤沥青保护层,没有全部采用阴极保护,结果导致运行过程中未施加阴极保护管道被腐蚀爆管,造成严重损失,其教训是惨痛的,不得不对所有 PCCP 管道补加阴极保护,这意味着他们不得不返工。

  2005 年,我国的南水北调工程中线北京段也选用了 PCCP 管,PCCP 的管径4 m,每节长度 5 m,两条管道平行铺设,长度有 54 km。工程之大国内罕见,由于管道担负着首都的用水,其安全稳定性不言而喻。负责设计的北京水利设计院诚邀胡老师来为其做阴极保护设计。

  胡老师接受了这一挑战。因这一技术在国内并没有可供借鉴的经验,他就依据钢质管道阴极保护技术的扎实功底,参照美国 NACE 和欧洲对混凝土和PCCP 的标准规范,参考利比亚大人工河的阴极保护设计,最终确定采用带状锌阳极平行铺设的方案。这个方案后来经过相关水科院计算和验证,也认定为最佳方案,正式在南水北调工程的北京段使用。2008 年奥运会前,南水北调的水已成功的通过 PCCP 进入了北京城,实践证明,胡老师对 PCCP 做的阴极保护设计非常成功。自此之后 PCCP 的阴极保护就在全国的天津段、辽西供水、鄂西北、新疆和宁夏供水等供水工程中推广应用。

  PCCP 管在国内毕竟只有二三十年的历史,其管子质量和腐蚀问题不可小觑,如果没有阴极保护,其前景令人担忧,为此胡老师主编《埋地预应力钢筒混凝土管道的阴极保护》国家标准,为 PCCP管道事业保驾护航,可保寿命超百年!

  

  笔耕不辍 让阴极保护技术发展呈新常态

  腐蚀学科在中国尚属稀有多科边缘专业,阴极保护专业书籍较少,为了普及这一技术,在 1990 年,胡老师把世界阴极保护巨著,德国 W.v. 贝克曼的《阴极保护手册》(邮电版)介绍给国内同行,贝克曼的《阴极保护手册》是电化学保护理论与实践的经典著作,具有很强的理论性、实践性和可操作性。后来德文的第三版内容更加丰富,阴极保护技术有了飞跃性的发展,是欧洲乃至世界阴极保护技术的顶峰,胡老师再次将贝克曼的《阴极保护手册》(化工版,原著第三版)在中国出版发行,使国内同行分享其技术成果。本书还在国际学术交流中作为礼物赠送给德国的朋友而成佳话。

  1999 年,胡老师根据多年的科研生涯在总结技术实践的基础上,编写了国内第一部阴极保护技术专著——《阴极保护工程手册》。这部手册对阴极保护的理论进行了阐述,对埋地管道、电缆、船舶、港口码头、混凝土中钢筋、大型储罐、工业设备内壁等各个方面实践进行了详尽的介绍,手册中还对交、直流干扰影响及防护措施、阴极保护测试技术进行了介绍,这是一本非常实用的金属防腐蚀的技术手册,成为阴极保护行业人士人手一册的“圣经”。

  

  为了推动防腐蚀行业发展,他还先后撰写了《英汉腐蚀与防护词汇》(石油版)、《天然气管道减阻内涂技术》( 化工版 ) 和《地下设施的腐蚀与防护》(科学版)等 10 多部技术专著;并主编了《埋地钢质管道阴极保护技术规范》GB/T 21448 - 2008、《埋地预应力钢筒混凝土管道的阴极保护》GB/T 28725-2012,参编了《钢质管道外腐蚀控制规范》GB/T 21447 - 2008、《埋地钢质管道阴极保护参数测试方法标准》GB/T 21246 - 2007 及《钢质石油储罐防腐蚀工程技术规范》GB 50393 - 2008 等五部国家标准,并参与编写了国家职业标准《防腐蚀工》。还主编了《埋地钢质管道阴极保护设计规范》、《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》等石油行业标准十余部。为表彰胡老师对阴极保护标准制订上的贡献,建设部授予“全国工程建设标准定额荣誉工作者”称号。

  摘自《中国腐蚀与防护网》