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阴极保护设计与施工的经验建议
施工技术

阴极保护设计与施工的经验建议

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  随着城市建设事业的飞速发展,埋地管道的数量剧增。这些管道多采用碳钢材质,为了延长管道的使用寿命,采取相应的防护措施尤为重要,其中涂层防腐和阴极保护联合防护取得了良好的效果[1]。本文结合绍兴天然气利用工程的建设经验,针对阴极保护设计和施工中的问题提出一些建议。

  1 工程简介

  绍兴天然气利用工程于2004年4月22 日开工建设,2005年底建成门站(主要包括调压计量装置区、综合楼、生产辅助用房等)1座、高压管道29.5km、高一中压调压站2座。2006年7月建成滨海次高压管道14.5 km、高一中压调压站2座。

  绍兴天然气利用工程输气管道具有部分储气功能,高压管道设计压力为4.0MPa,管材材质为L415(X60),管道外径为508mm;一般管段选用螺旋缝埋弧焊钢管,壁厚为11.9mm;穿越江河、立交桥处管段选用UOE直缝埋弧焊钢管,壁厚为12.7mm管道外防腐采用挤塑聚乙烯三层复合结构,在工厂预制完成。

  2 经验与建议

  ①阴极保护方法的选择

  管道防腐通常采用涂层加阴极保护,常规阴极保护有两种方法:外加电流法和牺牲阳极法。绍兴天然气工程高压管道多在市区内,土壤电阻率约20Ω·m,保护电流密度为0.2mA/m2,自然电位为-0.4~-0.6V,管道保护电位(参比电极Cu/Cu-SO4)低于-0.95V。经过技术经济比较,阴极保护采用牺牲阳极法较适宜,该法施工简单,安全可靠,对邻近金属管道电干扰少,不用专人管理,可延长管道寿命1倍以上。

  ②带状镁阳极的使用

  带状镁阳极由纯镁或镁锰合金冷轧压制而成,开路电位(参比电极Cu/CuSO4)为-1.7V,单位长度质量为0.37kg/m,宜在电阻率≥100Ω·m的环境中使用。镁带在电阻率为50Ω·m的土壤中输出电流为10mA/m,在电阻率为150Ω·m的淡水中输出电流为3mA/m。同等质量带状镁阳极比锭状镁阳极表面积大很多,如11kg镁锭表面积为0.27m2,而11 kg镁带长度为30m,表面积为1.9m2,是前者的7倍。阳极输出电流与表面积成正比,与电阻率成反比。阳极质量决定阳极寿命。设计上应考虑当地土壤电阻率,在穿越段或套管内管道上缠绕镁带要考虑它的使用寿命应该与管道寿命相当。如果设计寿命为20年,而当地土壤电阻率较低,就不宜采用镁带,而应采用锭状镁阳极。

  常规设计穿越段或套管内管道通常采用镁带缠绕安装方法。绍兴天然气利用工程中采用的带状镁阳极断面尺寸为(19±0.5)mm×(9.5±0.5)mm,每根钢管缠绕2条带状镁阳极,缠绕方式为对称分布于管道两侧,每隔1~2m设一处捆绑带,其材料为尼龙带。电缆与镁阳极采用灌锡焊。绝缘层采用复合绝缘结构,从内向外为环氧树脂、电工胶布、塑料胶布、热缩套、防腐胶布,各层胶布缠绕时搭接。电缆与管道采用双点铝热焊连接,电缆蛇行并留有余量,两焊点间距>10cm,涂层破口尺寸为3cm×3cm,补口尺寸大于5cm×5cm。但在实际施工中这种镁带缠绕安装方法操作起来有困难,尤其是穿越段管道回拖时,缠绕的镁带会增加回拖阻力,且镁带容易脱落和断裂。因此,对于穿越段管道,建议不采用镁带,而是在出、入土点两处增设锭状镁阳极,并设置测试桩,定时检测阳极消耗量。对套管内管道,建议镁带的安装方法不采用缠绕,而是在不减少镁带量的前提下和管道平行安装,这样便于管道进入套管内而不损伤镁带。

  ③三层PE涂层的优越性

  在当前管道防腐涂层中,三层PE是诸多涂层中性能较优的一种,它不但有良好的机械性能,而且有良好的抗腐蚀性能和抗阴极剥离性能。三层PE涂层与阴极保护配合使用,大大降低阴极保护电流密度,从而降低阴极保护的造价。众多实例证实,新建PE涂层陆地管道所需保护电流密度约1~20μA/m2,海水管道所需保护电流密度约500μA/m2,大大低于其他防腐层。但在当前设计中,由于缺乏对三层PE性能及使用寿命的认识,往往设计过于保守,造成牺牲阳极材料使用量过大。

  ④绝缘装置的安装

  阴极保护管道上的绝缘装置有多种形式,主要是绝缘法兰和绝缘接头。绝缘法兰必须架空,绝缘接头可直埋入地。安装绝缘装置会出现两个问题:a.如何保护绝缘装置不受强电电涌的破坏。目前绝缘接头有整体自放电型和无自放电型两种。整体自放电型绝缘接头由于内部有释放高压的装置,可省去具有相同功能的接地电池。b.如何防止非保护管道不受阴极干扰而加速腐蚀。接地电池能减少管外壁阴极干扰强度,即减小保护段与非保护段之间 的电位差。但是与非保护段连接的锌棒消耗较快,寿命较短,一旦消耗殆尽,保护段电位与非保护段自然电位的电位差会更大,会从非保护段流出较大的阳极腐蚀电流而加快非保护管段的腐蚀。解决的办法是绝缘装置两侧各10m内的管外壁做特加强防腐层,以减轻阴极干扰对非保护侧管道的腐蚀。此外,非保护侧仍需安装一支牺牲阳极以减轻绝缘装置两端电位差造成的阴极干扰。

  绍兴天然气利用工程高压管道以埋地为主,因此选择的绝缘装置是绝缘接头。我们在施工中遇到了绝缘接头泄漏的情况,安装前按照规范要求进行了试验,可是埋地后与管道一起试压时发生了泄漏。原因可能是没有完全按照生产厂商提出的绝缘接头安装注意事项施工而造成了泄漏。建议绝缘接头施工时应对产品安装说明予以重视,不同的生产厂商产品安装说明不尽相同。

  ⑤阳极导线的处理

  牺牲阳极装置中所有连接到阳极的导线都有被保护的可能,即使有铜线露出,也不易腐蚀。因此,牺牲阳极电缆与管道连接处的绝缘要求不很苛刻,但也应该很好地处理,以防电流泄漏及可能产生的铜一铁电偶腐蚀。

  ⑥阴极保护过河管道安装

  管道穿越江河时,稳管大都采用砼压块,有时为保护外防腐层不受损坏在压块下还铺一层橡胶片,这种做法会造成电屏蔽(压块与管道接触的部分得不到保护或欠保护)及橡胶片下的缝隙腐蚀。原因是管道浸在导电介质中,由于金属与非金属之间形成特别小的缝隙,使缝隙内介质处于滞流状态,引起缝内金属的加速腐蚀。引起腐蚀的缝隙并非是用肉眼可以明辨的缝隙,而是指使缝内介质停滞的特小缝隙,其宽度一般为0.025~0.100 mm。对宽度>0.1 mm的缝隙,缝内介质不至于形成滞流,不会形成此种腐蚀。解决的办法是:去掉保护用的橡胶片,避免缝隙腐蚀;在压块下管道的底部焊上小牺牲阳极块,使保护电流沿压块与管道的缝隙中进入管道上半部分,避免砼压块造成的屏蔽作用。

  ⑦管道检测

  管道寿命初期的事故多发阶段一般是在竣工后0.5—2.0 a内,这期间管道暴露出其内在质量问题,包括设计、管材质量、施工质量等方面的问题。因此我们在投产试运行前对新建高压管道进行了一般性检测,主要有管道防腐层的电流检测、阴极保护检测和管道埋深检测。非开挖检测结果显示,12.7 k管道中发现防腐层漏点2处,其余防腐层质量优良鉴于这两处防腐层漏点面积较小,且埋深较深,不采取开挖修复,而是加强阴极保护电位测试。阴极保护的检测结果较好,但是局部设计过于保守,有牺牲阳极材料使用量过大的现象。管道埋深一般约1.5m,局部埋深不足1 m,因此对埋深不足管段加强巡检。在3年内进行全面检测,以后根据管道运行状况每1~3年检测1次。

  参考文献:

  [1] 李永威,周凌.埋地管道外防腐与阴极保护的探[J].煤气与热力,2002,22(1):32—33.