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外用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
施工技术

外用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

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  一、引言

  外用电源深井阳极阴极保护技术在国外已应用到城市埋地管网的仿腐蚀,在国内大部分应用在油田和长输管线上。最先把这一技术应用在城市地下燃气管网的是福州市煤气公司,该公司在1989年建设燃气管网的同时采取了深井阳极阴极保护措施,主要保护城市中压燃气管网,未保护低压燃气管及庭院管网。郑州市燃气公司是继福州市之后把这一技术应用到城市地下燃气管网的城市燃气公司,与福州市煤气公司不同之处在于郑州市燃气公司是把这一技术应用到在用的陈旧性埋地燃气管网上,主要保护城市中压输气干管、中压输气分配管、低压输气管、庭院中压输气管、部分庭院低压管。保护面积和保护范围均大于福州市。

  二、郑州市埋地燃气管网现状分析

  郑州市天然气管网始建于1986年,到2001年底已形成长达75公里的开—郑长输管线,1640公里的市区输配主干线和庭院管网;城区管网覆盖面积90平方公里,燃气管网表的面积为32万平方米。管网外表涂层主要采用石油沥青加玻璃丝布加强级防腐,长输管线在建设的同时采取了外加电流(浅埋阳极)阴极保护技术,市区输气管网未采用阴极保护措施。由于郑州市区某些其余内土壤电阻率低(属于强腐蚀性或叫强腐蚀性土壤)、局部地区有垃圾回填土,京广铁路、陇海铁路横贯市区,杂散电流干扰作用强,原有的外防腐涂层质量差,地区环境相差悬殊而构成的宏观腐蚀电池作用显著等诸多原因,造成早期铺设的天然气管网腐蚀泄露严重。自1995年起市区天然气管网即陆续出现腐蚀穿孔泄露现象,且有逐年上升趋势,据不完全统计,自1995年起至1998年8月,三年健全郑州市共发现97处严重腐蚀穿孔漏气,并发生过因腐蚀穿孔泄漏造成的天然气爆燃伤人事故。1997年河南省啄木鸟地下管线检测公司探测发现260km长的天然气管线上竟有露铁点9638处,平均露铁点密度370处/10km远远超出SY/T0087—95《钢质管到及储罐腐蚀与防腐调查标准》中规定的露铁点密度小于8处/10km的技术要求。时隔一年后的1998年,725所又经过坑探腐蚀调查发现,不同区域内的67个探测坑为中,100余米的管段上有21处露铁点,露铁点的密度明显高于1997年的统计数据。腐蚀速度高达0.7mm/a。严重威胁管网的安全运行。

  自1997年以后,郑州市燃气公司的天然气管网腐蚀泄漏情况日益严重,虽然每年都花费200多万元以上的维修资金,也取得了很大的成效,但是并没有从根本上解决或扭转天然气地下管网的腐蚀状况。而开—郑长输管线由于在建设的同时采取了阴极保护措施,多年来一直完好如初,未发生因腐蚀而造成的管道泄漏现象。这种情况启发了郑州燃气公司领导,结合本公司和外地燃气公司的先进经验,决定对郑州市天然气地下管网追加阴极保护措施。为了保证天然气管网阴极保护工程的成功实施,郑州燃气公司先后向国内多家权威性的防腐蚀科研单位进行了技术咨询,他们通过对郑州市天然气管网基本情况和城市状况的调查了解,均认为在郑州市建设天然气管网阴极保护系统是可行的,可以从根本上解决天然气管网的防腐蚀问题。

  根据前期调研和技术咨询工作的结果郑州燃气公司决定采取以外加电流深井阳极方式为主的综合性阴极保护方式对天然气管网进行保护。为此委托洛阳725所对郑州市地下天然气燃气管网的腐蚀情况及腐蚀原因进行全面的调查,并根据调查的情况进行综合评价,在综合评价的基础上作出郑州市天然气管网阴极保护可行性研究报告。根据可行性报告和郑州市天然气管网的实际情况,郑州燃气公司决定进行地下天然气管网阴极保护项目的建设,同时委托洛阳725所承担设计施工任务。

  三、郑州市天然气管网阴极保护工程的建设

  洛阳725所在于1999年7月完成了施工设计工作。

  主要设计技术指标如下:

  a)郑州市天然气管网阴极保护工程的有效限期为25年。

  b)在有效保护期内,天然气的保护电位负于-0.85V(相对于CSE,下同);或者较腐蚀自然电位负移300mV以上,馈点电位正于-2.5V。

  c)有效保护期内,保护度大于90%。

  d)有效保护期内,被保护的天然气管道的腐蚀基本上得到控制,原先的腐蚀漏点逐年减少,二年后不再有新的漏点。

  e)有效保护期内,以及保护系统运行安全可靠,对其它金属结构物不产生干扰作用。

  其设计方案主要有以下特点:

  ①在国内大城市中第一个采用综合保护方式较全面地保护燃气地下管网;

  ②在国内第一次采用100米深的阳极井;

  ③在国内城市燃气管网阴极保护工程中第一次采用具有国家专利技术的先进的组合式阳极体。

  该项工程于2000年5月26日正式开工。总体上分为三个阶段,

  第一阶段:外加电流深井阳极保护站的建设;从2000年5月26日至2000年12月,主要进行了主体工程深井阳极床的建设,原设计井深为100米,实际平均井深为96米,阳极体采用的是725所自己制造的具有专利技术的组合式阳极体。

  第二阶段的工作于2001年3月开工,2001年6月30日完成,

  主要工作有:

  ①阴极保护站房的建设和恒电位仪等设备的安装调试及外用电源的申请和安装。

  ②均压系统施工,共计300处,其中包括交叉管线均压94处,平行管线均压11处,管线纵向跨接195处。

  ③测试管地自然腐蚀电位991个,其中主干管线上530个,庭院管线461个。2001年7月1日整个阴极保护系统通电投入试运行。16座阴极保护站的输出电流和输出电压稳定,回路电阻均小于0.5Ω,达到了设计要求。

  在投入试运行之后,测试管网的保护电位443个点,其中只有部分的管网达到设计要求的保护电位,项目组的同志针对这个问题进行了专门的研讨,郑州市天然气管网阴极保护工程情况十分复杂,在初次通电后保护效果未达标也是可以理解的。同时也对造成未达标的原因作了分析:

  (1)郑州市区燃气管网密度之大在全国首屈一指,过密的燃气管网对阴极保护系统造成一定的屏蔽作用影响保护效果。

  (2)原设计方案对庭院燃气管线与各种非保护管线和金属构筑物搭接等原因造成的保护电流大量流失状况估计不足。例如在工程机械厂家属院4号楼其天然气管线上的保护电位为-1.92v,而与其临近的热力管线上电位也达到了-1.57v以上(该处的管地自然腐蚀电位是-0.50——-0.65v),自来水管线上也不同程度的存在电位升高的现象。这种现象在庭院管网很普遍。

  (3)1999~2000年两年之内新增加的天然气管线长度为200余公里,表面积为4.5万平方米,占原设计被保护管道总面积的17%以上,对原设计的保护范围造成了明显的影响。

  (4)郑州市市区的地下天然气管网自然腐蚀电位普遍偏正,施加阴极保护时,不易达到最佳保护电位。

  (5)过路套管消耗阴极保护电流过大,产生明显的屏蔽作用。

  (6)阴极保护系统通电时间短,保护范围还未扩大到稳定状态。

  分析了原因就需要研究对策:大部分的庭院管网露铁点严重超标,大量消耗阴极保护电流,直接影响了阴极保护的范围;部分庭院低压管网与其它管网达接严重,阴极保护电流大量旁流需要采取整改措施;但由于搭接点都在地下,不易查找,如工程机械厂的低压管网在绝缘之后其它管线上仍有保护电流,使用多种仪器查找,均未发现搭接点,又不能全部开挖查找。大量的阴极保护电流旁流,不仅影响阴极保护系统的保护效果而且会增大阴极保护系统运行费用,因此郑州燃气股份公司宋金会总经理根据郑州燃气管网的实际情况提出对庭院低压管网采取绝缘措施。选用何种方式进行绝缘,也是一个值得研究的课题,昆明市采取的是在每个楼栋入户管上加装绝缘法兰,福州市大部分是区域调压站低压供气,在调压站的出口端加装绝缘法兰;上述两种方法都不适用于郑州市,郑州市是中压供气楼栋调压,大约有30万用户,平均6户一个入户管,总计需要5万个入户管,如每个管上加装绝缘法兰,按当时每一个绝缘法兰的安装和材料价格约100元计算,全部下来约需要500万元,根据宋金会总经理的建议,洛阳725所和项目组的同志经过研究采用了在现有的调压箱出口端利用原有的法兰采取绝缘措施代替绝缘法兰使低压庭院管绝缘,在工程中共绝缘调压箱5000余个,只花费了14.35万元。既满足了阴极保护系统的要求,又节约了大量的资金。对和其它管线和构筑物搭接造成阴极保护电流严重旁流的中压庭院管网和低压供气区,我们采用加一个绝缘短节的方式在中压接管点之后进行绝缘,共做了20个庭院。在上述工作结束之后,经过测试,这两种方法都可以满足绝缘工程技术要求,效果良好。是一种创新的技术方法。

  对新增的大口径干管采用电性绝缘并适量埋设镁合金阳极牺牲加以保护。

  增加4座阴极保护站,以满足不断增加的市区管网。(不增加原工程投资)

  将原设计采用300支22kg重的镁合金牺牲阳极,根据试运行阶段的测试结果,变更为8kg、11kg、22kg三种规格的镁合金牺牲阳极块共600余支。

  按照以上方案,从2001年9月开始的整改工作,到2001年底完成了绝缘、排流、以及加埋部分牺牲阳极的工作。通过采取上述整改措施,到2001年12月底,全市天然气管网的阴极保护电位达标率达到了70%以上。市区西北部区域(设计图上划分的02区)天然气管网阴极保护电位达标率达到了94%以上。2002年3月至2002年5月初完成了增加4座阴极保护站的建站,新增的四座阴极保护站也具备通电运行条件。到2002年9月15日阴极保护工程第三阶段工程完工后,经检测市区天然气主干管网的阴极保护电位达标率达到了90%以上。

  整个阴极保护工程项目包括以下内容:

  A、100米左右深的辅助阳极井20眼。

  B、组合阳极体117组。

  C、砖混结构、钢结构阴极保护站站房20间。

  D、150A/100V型磁饱和恒电位仪32台,150A/100V硅整流器4台。

  E、长寿命参比电极40套。

  F、380v/50Hz交流供电系统20套。

  G、8、11、22kg/支高效镁合金牺牲阳极600余支。

  H、纵横向均压300处。

  I、排流和绝缘设施约5000处。

  J、测试桩52个。