新建埋地鋼質(zhì)燃氣管道強制電流陰極保護設計.doc

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新建埋地鋼質(zhì)燃氣管道強制電流陰極保護設計 摘要：論述了新建埋地鋼質(zhì)燃氣管道陰極保護方法的選擇，強制電流法陰極保護設計主要參數(shù)的確定、工藝計算、工程設計注意事項及應用實例。關鍵詞：埋地鋼質(zhì)燃氣管道；陰極保護；強制電流法；設計DesignofImpressedCurrentCathodicProtectionforNewBuriedSteelGasPipelineGA0Peng，WANGYa-ping，KANGZhi-gang，LIZhi，ZHANGYanAbstract：Theselectionofcathodicprotectionmethodsfornewburiedsteelgaspipeline，thedeterminationofmaindesignparametersforimpressedcurrentcathodicprotection，theprocesscalculation，themattersneedingattentioninengineeringdesignandtheapplicationexamplearediscussed.Keywords：buriedsteelgaspipeline；cathodicprotection；impressedcurrent；design 鋼質(zhì)燃氣管道因發(fā)生電化學腐蝕往往對社會造成嚴重危害，實踐證明控制管道腐蝕的主要方法是防腐層和陰極保護[1]。CJJ95—2003《城鎮(zhèn)燃氣埋地鋼質(zhì)管道腐蝕控制技術規(guī)程》對城鎮(zhèn)燃氣埋地鋼質(zhì)管道腐蝕控制進行嚴格的技術規(guī)定，強制要求新建的高壓、次高壓、公稱直徑≥100mm的中壓管道和公稱直徑≥200mm的低壓管道必須采用防腐層輔以陰極保護的腐蝕控制措施，管道運行期間陰極保護不應間斷。1新建鋼質(zhì)燃氣管道陰極保護方法選擇陰極保護技術有兩種方法：強制電流法和犧牲陽極法。不論何種方法，合理有效的陰極保護系統(tǒng)都可以獲得良好的保護效果，防止腐蝕產(chǎn)生危害。選擇陰極保護方法時考慮的主要因素有：管道防腐層性能，工程規(guī)模，保護電流大小，環(huán)境條件，土壤電阻率，管網(wǎng)現(xiàn)狀，交、直流干擾情況，有無經(jīng)濟方便的電源，工程造價等。 強制電流法的優(yōu)點是[2]：輸出電流連續(xù)可調(diào)；保護范圍大；不受環(huán)境電阻率限制；工程越大越經(jīng)濟；保護裝置壽命長。其缺點是：需要外部電源；對鄰近金屬構筑物干擾大；維護管理工作量大。 犧牲陽極法的優(yōu)點是[2]：不需要外部電源；對鄰近構筑物無干擾或干擾很?。煌懂a(chǎn)調(diào)試后管理工作量??；工程越小越經(jīng)濟；保護電流分布均勻，利用率高。其缺點是：高電阻率環(huán)境下不宜使用；保護電流幾乎不可調(diào)；防腐層質(zhì)量必須好；投產(chǎn)調(diào)試工作復雜；消耗有色金屬。 在城市燃氣行業(yè)陰極保護中，強制電流法和犧牲陽極法都有廣泛運用。長輸管道一般采用強制電流法，市內(nèi)管道一般采用犧牲陽極法。也有部分城市針對市內(nèi)在役管道增加陰極保護項目時采用強制電流法為主，并輔以犧牲陽極法[3、4]。 新建燃氣長輸管道一般采用絕緣性能優(yōu)良的3PE防腐層，需要的陰極保護電流比較小，在實踐中一般采用強制電流法，其設計主要按照SY/T0036—2000《埋地鋼質(zhì)管道強制電流陰極保護設計規(guī)范》進行。對于土壤電阻率特別高，不適宜采用犧牲陽極的地方，也建議采用強制電流法。2強制電流法設計主要參數(shù)的確定2.1土壤電阻率的測試 土壤電阻率的影響有兩方面：陽極地床處的土壤電阻率決定輔助陽極的種類、規(guī)格、埋設位置；管道沿線的土壤電阻率影響電流密度的大小。2.2陰極保護電流密度的選擇 影響保護電流密度參數(shù)的因素很多，主要有被保護管道的表面狀況(防腐層類別及質(zhì)量)、環(huán)境條件(如溫度、介質(zhì)狀態(tài)、pH值、含鹽量及種類、含氧量、微生物活動等)和被保護金屬種類等。對不同類型的外防腐層和土壤介質(zhì)，強制電流法陰極保護電流密度的選擇在實踐中差別較大。 有文獻描述陰極保護電流密度與防腐層絕緣電阻有對應關系，可以用以下經(jīng)驗公式表達[2]： 式中ip——陰極保護電流密度，mA/m2 Rg——防腐層絕緣電阻，Ωm2 也有文獻描述陰極保護電流密度與土壤電阻率有關聯(lián)，認為對埋設在以高電阻率、低腐蝕速率為特征的腐蝕性較小的土壤中的鋼管，陰極保護所需要的電流密度要大大小于埋設于低電阻率、高腐蝕性土壤中的管道。將電流密度與土壤電阻率的關系用以下公式表達[5]： lgip=-lgρ+1.54 (2)式中ρ——土壤電阻率，Ωm 在陰極保護實踐中，對于新建管道的強制電流法電流密度選擇一般根據(jù)不同的防腐層類型，選擇范圍為0.05～0.40mA/m2。建議在設計中可以按照表1選擇電流密度。表1管道外防腐層類別與電流密度的選擇 外防腐層類別石油瀝青聚乙烯膠帶三層PE保護電流密度/(mAm-2)0.30～0.400.10～0.20O.05～0.102.3陰極保護效果判據(jù) 保護電位是表征陰極保護效果的重要指標，陰極保護系統(tǒng)的保護效果應達到下列指標之一[6]： ①施加陰極保護后，使用銅-飽和硫酸銅參比電極(以下簡稱CSE參比電極)測得的極化電位至少應達到-850mV或更低。測量電位時，必須考慮除構筑物與電解質(zhì)界面處之外的電壓降影響。 ②采用斷電法測得管道相對于CSE參比電極的極化電位應達到-850mV或更低。 ③在陰極保護極化形成衰減時，測得被保護管道表面與接觸土壤的、穩(wěn)定的CSE參比電極之間的陰極極化電位差不應小于100mV。 ④存在細菌腐蝕時，管道通電保護電位(相對于CSE參比電極)應低于或等于-950mV。 ⑤在沙漠地區(qū)，管道通電保護電位(相對于CSE參比電極)應低于或等于-750mV。 對如何消除構筑物與電解質(zhì)界面處之外的電壓降影響，一般在測試中通過控制設備通電12s，斷電3s來達到。有文獻報道利用APM-1型智能測試儀，可以消除因測試技術的原因造成電壓降對保護電位測試的影響[7]。3強制電流法陰極保護設計工藝計算[8]3.1保護長度計算 強制電流陰極保護的保護長度按下列公式計算： 式中L——保護長度，m L0——單側保護長度，m △UL——最大保護電位與最小保護電位之差，V D——管道外徑，m ip——保護電流密度，A/m2 Rt——單位長度管道縱向電阻，Ω/m ρT——鋼管電阻率，Ωm2/m δ——管道壁厚，m3.2保護電流計算 強制電流陰極保護的保護電流按下列公式計算： I=2I0=2πDipL (5)式中I——保護電流，A I0——單側保護電流，A3.3輔助陽極接地電阻計算 在h＞＞d條件下，單支立式陽極接地電阻按下式計算： 式中Rv1——單支立式陽極接地電阻，Ω La——陽極長度(含填料)，m d——陽極直徑(含填料)，m h——輔助陽桉埋深(填料頂部距地表面)，m 在h＞＞La條件下，深埋式陽極接地電阻按下式計算： 式中Rv2——深埋式陽極接地電阻，Ω 在La＞＞h條件下，單支水平式陽極接地電阻按下式計算： 式中Rh——單支水平式陽極接地電阻，Ω3.4陽極組接地電阻的計算 陽極組接地電阻按下式計算： 式中Ra——陽極組接地電阻，Ω F——修正系數(shù)，查SY/T0036—2000規(guī)范中“圖4.0.6” Rv——單支陽極接地電阻，Ω n——陽極數(shù)量，支3.5陽極質(zhì)量的計算 陽極的質(zhì)量應能滿足陽極最小設計壽命的需要，按照下式計算： 式中m——陽極總質(zhì)量，kg t——輔助陽極設計壽命，a g——輔助陽極消耗率，kg/(Aa) K——輔助陽極利用系數(shù)，取0.70～0.853.6電源功率的計算 強制電流陰極保護系統(tǒng)的電源功率按下列計算： 式中P——電源功率，W U——電源設備的輸出電壓，V η——電源效率，一般取0.7 Rl——導線電阻，Ω Rc——陰極(管道)與土壤界面過渡電阻，Ω Er——陽極地床的反電動勢，V，焦炭填充時取2V Re——防腐層過渡電阻，Ωm α——管道衰減因數(shù)，m-14工程設計4.1陽極地床類型的選擇 強制電流陰極保護按照輔助陽極地床的不同分為淺陽極地床和深陽極地床。對于城市周邊的陰極保護站，只要地質(zhì)條件允許，一般建議采用深陽極地床，以減少陰極保護電流對鄰近埋地金屬構筑物的影響，并減少征地范圍，避免地床在運行中被破壞。 淺陽極地床一般適用于長輸管道，或者地質(zhì)條件不宜安裝深陽極地床的地區(qū)；陽極區(qū)占地面積一般為100～150m2，埋深為2～5m，不容易產(chǎn)生氣阻；施工比較簡單，施工費用低；陽極一般為高硅鑄鐵陽極，價格便宜；但容易產(chǎn)生屏蔽問題，部分管道無法受到有效的陰極保護，并且對鄰近埋地金屬構筑物的影響非常大。 深陽極地床一般適用于城市內(nèi)管網(wǎng)、長輸管道、站場內(nèi)密集管網(wǎng)和地表土壤電阻率高而地下土壤電阻率低的地區(qū)；陽極區(qū)占地面積一般為6～10m2。埋深為30～100m，如果施工不當，容易產(chǎn)生氣阻；施工技術難度大，施工費用較高；陽極一般為高硅鑄鐵陽極、鈦陽極(金屬氧化物陽極)等，價格較高；屏蔽問題比淺陽極地床少，局部個別管段可能無法受到有效的陰極保護，對鄰近埋地金屬構筑物的影響較小。4.2陽極種類與規(guī)格的選擇 常用的輔助陽極材料為高硅鑄鐵陽極和鈦陽極(金屬氧化物陽極)，建議在淺陽極地床系統(tǒng)中采用高硅鑄鐵陽極，深陽極地床系統(tǒng)中采用鈦陽極(金屬氧化物陽極)，陽極規(guī)格根據(jù)計算確定。4.3電源設備的選擇一般情況下選用整流器和恒電位儀。由于埋地管道的保護電流隨時間變化很小并且很慢(以月為周期)，在國外多用整流器。恒電位儀具有恒保護電位與恒保護電流的功能，在國內(nèi)發(fā)展很快，幾乎占領了埋地管道陰極保護的整個領域[8]。根據(jù)實踐經(jīng)驗，對于自然條件惡劣的地點，應選擇整流器；在選擇恒電位儀時，不必追求所謂的智能型、遠控式等功能，因為目前對此沒有統(tǒng)一的標準，這類儀器的可靠性需要實踐的檢驗。由于許多天然氣公司已經(jīng)建立了SCADA系統(tǒng)，在選擇恒電位儀時應考慮標準信號采集的要求。4.4測試系統(tǒng) 通過設計電流測試樁、電位測試樁、絕緣裝置測試樁和埋地檢查片來測試陰極保護系統(tǒng)的各項參數(shù)。一般按照每1km距離設計1處電位測試樁，每5～8km距離設計1處電流測試樁。在絕緣法蘭(絕緣接頭)處應設計絕緣裝置測試樁，以檢測絕緣效果。埋地檢查片則用來評價陰極保護的保護度，可以考慮按照一定的管網(wǎng)規(guī)模安裝1處埋地檢查片，方便以后定期開挖檢測。測試樁應設有長效埋地參比電極和與管道同材質(zhì)的輔助試片。在實踐中可以采用測試井來代替測試樁。4.5電絕緣裝置 沒有絕緣體就沒有陰極保護[9]，管道的保護段與非保護段、管道與套管、管道與支架、管道與管橋之間應有可靠的電絕緣措施?？梢酝ㄟ^設置絕緣法蘭(絕緣接頭)、聚乙烯墊塊等手段達到絕緣的目的。其技術要求按照SY/T0086—95《陰極保護管道的電絕緣標準》執(zhí)行，應注意同時設計防雷電過電流保護設施(避雷器、接地電池等)。4.6跨接電纜 對于鋼質(zhì)管道上所有非焊接連接部位，應采用銅芯電纜跨接連接，以保證管道的電連續(xù)性。4.7雜散電流干擾的排除 由于強制電流法在一定程度上可以減輕直流雜散電流對管道的干擾，部分干擾數(shù)據(jù)只有在項目施工完成后才能測試，因此在設計時應考慮此項因素。具體的干擾程度判斷和防護手段按照SY/T0017—96《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護技術標準》和SY/T0032—2000《埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護技術標準》執(zhí)行。4.8套管內(nèi)的陰極保護 陰極保護的管道中一般不推薦采用套管，除非是必須使用，并且不能采用絕緣材質(zhì)的套管(如PE管、玻璃鋼管等)。在使用鋼質(zhì)套管的情況下，應保證鋼質(zhì)套管與燃氣管道的絕緣。有文獻報道，此時介質(zhì)進入鋼質(zhì)套管內(nèi)部對陰極保護效果影響較小，可不必設計安裝帶狀犧牲陽極(或鐲式陽極)[10]。5應用范例5.1管道基本信息現(xiàn)以某市(地質(zhì)條件滿足深陽極地床要求)一條新建的次高壓燃氣管道為例進行強制電流法陰極保護設計。管道材質(zhì)為Q235B，規(guī)格為Ф3258mm，長度為30km。管道起點為高壓門站，終點為市區(qū)邊緣的次高壓調(diào)壓站。外防腐層類型為3PE普通級，陽極區(qū)土壤電阻率為20Ωm。要求陰極保護系統(tǒng)設計壽命為30年，絕緣裝置安裝在管道始末端(共2處)。5.2主要設計參數(shù)的確定 保護電流密度為0.05mA/m2，保護電位為-0.95V，采用強制電流深陽極地床陰極保護，輔助陽極材料為鈦陽極(金屬氧化物陽極)，預包裝陽極體直徑為273mm，長度為18m，其中共包含9支規(guī)格為Ф251000的管式鈦陽極，地床深度約50m。5.3強制電流法設計工藝計算結果工藝計算參數(shù)見表2，計算結果見表3。表2陰極保護工藝計算參數(shù) △UL/VD/mip/(Am-2)ρT/(Ωmm2m-1)δ/mLa/md/m0.500.3255.010-50.1350.008180.273ρ/(Ωm)t/aKηR1/ΩEr/VRe/(Ωm)30300.70.70.221.0104表3陰極保護工藝計算結果 L/mRt/ΩI0/ARv2/ΩP/W3.401041.7010-51.730.8632U/VRc/Ωα/m-1I/A—6.50.234.1210-53.46—5.4強制電流法陰極保護工程設計 ①本項目需要在次高壓調(diào)壓站內(nèi)建設一個陰極保護站。采用強制電流深陽極地床陰極保護，電源設備選擇恒電位儀，考慮與SCADA系統(tǒng)適配，應具備標準信號采集端子，電源設備最大輸出電壓為30V，最大輸出電流為10A。②共設計30處測試樁。其中3處電流測試樁，25處電位測試樁，2處絕緣裝置測試樁(在管道始末端)，測試樁平均分布。測試樁設有長效埋地參比電極和與管道同材質(zhì)的輔助試片。設計2處埋地檢查片，用來評價陰極保護的保護度。 ③在管道始末端的絕緣處設計避雷器2處，安裝在防爆接線箱內(nèi)。對于鋼質(zhì)管道上所有非焊接連接部位，采用銅芯電纜跨接連接。 ④陰極保護施工完工后，及時測試交流及直流雜散電流對管道的干擾程度，依據(jù)SY/T0017—96《埋地鋼質(zhì)管道直流排流保護技術標準》和SY/T0032—2000《埋地鋼質(zhì)管道交流排流保護技術標準》判斷是否需要采取排流措施。 ⑤陰極保護的驗收準則為：使用CSE參比電極測得的管道上任何一點的極化電位應達到-950mV或更低，測量電位時，必須考慮除構筑物與電解質(zhì)界面處之外的電壓降的影響。6結論 ①對于城市新建的燃氣長輸埋地鋼質(zhì)管道，由于外防腐層性能的提高，陰極保護設計可選擇用強制電流法，其技術可靠，經(jīng)濟較優(yōu)。 ②在強制電流法設計中，應考慮陽極地床對其他埋地構筑物的干擾，盡量選擇深陽極地床技術。 ③相對于犧牲陽極法，強制電流法的陰極保護電流在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，其保護效果更容易滿足要求。 ④對陰極保護系統(tǒng)應設計一定數(shù)量的測試裝置，以方便運行管理單位測試各項陰極保護參數(shù)，進行保護效果的評價。⑤對于交流及直流雜散電流對管道的干擾應特別重視，在施工完成后要求及時測試，對存在的干擾應采取有效防護措施。參考文獻：[1](美)皮博迪AW(著)，吳建華，許立坤(譯).管線腐蝕控制[M].北京：化學工業(yè)出版社，2004.[2]胡士信，徐快，孟憲級.陰極保護工程手冊[M].北京：化學工業(yè)出版社，1999.[3]林長植.深井陽極強制電流保護技術在城市煤氣管網(wǎng)中的運用[A].99全國第三屆埋地管線防腐蝕工程技術交流會論文集[C].昆明：中國腐蝕與防護學會，1999.228-231.[4]宋金云，王軍，鄒向東.外加電源深井陽極陰極保護技術在鄭州市地下燃氣管網(wǎng)中的應用[J].全面腐蝕控制，2005，19(1)：14-17.[5](日)KASAHARAK(著)，米琪(譯).在劣質(zhì)涂敷的鋼管上提供完全的陰極保護的準則和設計方法[J].國外油氣儲運，1991，9(6)：57-62.[6]CJJ95—2003，城鎮(zhèn)燃氣埋地鋼質(zhì)管道腐蝕控制技術規(guī)程[S].[7]胡士信，葛艾天，何悟忠，等.埋地鋼質(zhì)管道陰極保護真實電位的測量技術[J].腐蝕與防護，2005，26(7)：297-301.[8]SY/T0036—2000，埋地鋼質(zhì)管道強制電流陰極保護設計規(guī)范[S].[9](美)奧斯特羅夫AG(著)，王向農(nóng)，張清玉(譯).腐蝕控制手冊[M].北京：石油工業(yè)出版社，1988.[10]張珂，史國福，寧尚鋒，等.鋼質(zhì)套管對埋地管道陰極保護的影響[J].腐蝕與防護，2007，28(11)：580-582. 第 11 頁 共 11 頁