阴极保护在水库输水管线PCCP管道与钢管交叉中的应用

  
  本文主介绍阴极保护的方法及管道安装阴极保护系统过程中应该注意的方面,做出了一套合理的青山水库输水管线阴极保护的施工方案。在青山水库输水管线阴极保护工程实际应用中,经电化学参数测量,阴极保护效果良好。
  关键词 阴极保护;腐蚀;PCCP、钢管
  1 前言
   葫芦岛市是极度缺水城市,水资源短缺一直是葫芦岛市经济社会发展的瓶颈。青山水库工程是葫芦岛市2009年三大水源工程之一,坝址位于葫芦岛兴城市三道沟乡,六股河中游青山脚下。主任务是向葫芦岛市跨流域调水,以解决葫芦岛市工业与生活用水的不足问题,同时提高六股河中下游地区的防洪标准,改善下游农业的供水条件及水资源环境。其中输水管线均用埋地方式敷设,穿越地形、地段复杂,土壤性质各异,对管道存在着不同程度的腐蚀,如果能应用现代腐蚀理论和防腐技术,腐蚀造成的经济损失可以降低25% ~30%[ 1 ] 。
   青山水库输水工程起于青山水库枢纽坝址左岸输水隧道出口,终端接葫芦岛市开发区的老合台净水厂,管线长71.022公里,其中管道长68.870公里,隧道长2152米。输水管道(PCCP管)分为两种管径,其中DN1600管道约61.654km, DN1400管道约7.216km。管线过河及地形复杂的地区采用钢管。
  2 阴极保护系统设计
  1.1 阴极保护方法
  阴极保护是指将被保护金属进行阴极极化,使电位负移到金属表面阳极的平衡电位,消除其化学不均匀性所引起的腐蚀电池,使金属免遭环境介质(如土壤)的腐蚀,即用辅助阳极或牺牲阳极材料的腐蚀来代替被保护管道、设备的腐蚀,从而达到延长被保护管道的使用寿命,提高其安全性和经济性的。强制电流法则有保护范围大、适合范围广、激励电势及输出电流高、综合费用低等优点,故适合用于长管线的防腐[ 2 ]。如应用于厂区范围内时,则由于其会产生干扰电流而影响其它管线及建筑物,且还需征地或占用建筑物,在实施时会带来较大的困难。
  1.2 设计点
   土壤电阻率
   青山水库输水工程输水管线长71.022公里,其中管道长68.870公里,隧道长2152米,途中穿过多种地质结构,其土壤电阻率变化较大。因此根据土壤电阻率的变化情况在低于50Ωm的地段附近设置了阴极保护系统。同时,在50-100Ωm地段设置了预留电缆,以便后期增加阴极保护系统。
  腐蚀因素分析
   影响PCCP管腐蚀的因素有钢筋自身、氯化物、碳化、氧和水[ 3 ]等,在本项工程中均存在。
   同类项目经验
   利比亚“大人工河”关于阴极保护的经验及教训的总结[ 4 ]。国内首次在南水北调中线工程北京段PCCP输水管线采用的外防腐层与阴极保护技术相结合的防腐措施经验总结[ 5,6 ]。
  1.3阴极保护设计方案[7,8 ]
   青山水库输水工程输水管线沿线土壤电阻率变化大,最低17.6Ω·m,最高852.7 Ω ·m。
   理论计算
  根据牺牲阳极阴极保护的设计规范,需根据被保护管道的基本数据和选取的阴极保护参数计。其中阳极输出电流按照下式计算
  
  Ia——阳极输出电流(A)
  Ec——阴极开路电位(V)
  Ea——阳极开路电位(V)
  ec——阴极极化电位(V)
  ea——阳极极化电位(V)
  Rc——阴极过度电阻(Ω)
  Ra——阳极接地电阻(Ω)
  Rw——回路导线电阻(Ω)
  ΔE——阳极有效电位差(V)
  R——回路总电阻(Ω)
  所需阳极数量按下式计算
  
  N——阳极数量(支)
  IA——所需保护电流(A)
  Ia——单只阳极输出电流(A)
  f——备用系数,取2至3倍
  根据工程的实际情况, 青山水库输水工程输水管线全线共设置锌阳极200套,预留电缆1553处,棒状镁阳极20套,串装镁阳极41支。
   牺牲阳极布点的技术和施工求
   阳极具体布置本着保护电位分布均匀、尽量减少阳极间互相屏蔽和管道前后壁自我屏蔽影响、利于管线阴极保护的施工原则,条件许可的情况下,尽可能采用管道两侧均匀交叉埋设,以尽量避免管道本身两侧的自身屏蔽影响。
  
  填料包的组装可在室内或现场进行,应保证阳极四周的填料厚度一致、密实,各边厚度不小于50mm。填料应调拌均匀,不得混入石块、泥土、杂草等。每支阳极需用填料约50Kg。
   电缆与管道的焊接可以采用铝热焊法、电焊或铜焊,无论哪种焊接手段都求焊接牢固,焊缝均匀,焊接点电阻求小于4×10-4Ω,焊接点强度大于焊接后铜芯电缆的承载力。焊接完成且温度降低后进行焊缝检查,合格后对焊接部位、裸露钢片、铜导线进行补口,补口材料采用环氧煤沥青和玻璃布。
   在电位测试装置处,阳极电缆与管道测试电缆在测试桩内连接。
   阳极电缆敷设时应留有足够余量,在焊点及其他连接处预留蛇形弯,防止电缆或焊点受力拽脱。
   当管道的安装与锌阳极埋设同步进行时,牺牲阳极的埋设位置,与管道外壁距离为1.5米左右,最低不应小于0.3m。阳极可埋设在管道的侧方或侧下方,视现场具体工况条件,可选择立式或卧式埋设。埋设深度必须在冻土层以下,一般求与管道深度一致。见下图。
  
  图2阳极位置示意图
   对于已安装完的管道,阳极埋设可在管道中心位置,使得阳极包的中心位置与管道中心位置在同一高程上,施工采用人力钻孔的施工方法。钻孔直径为Ф400,阳极包采用竖向布置。
   阴极保护系统的运行效果
  经过对青山水库输水工程输水管线阴极保护系统工程中已安装的管道保护电位进行测量,测量结果为- 0.85~ – 0.98 V (相对硫酸铜参比电极),符合设计和规范的求。
  3 阴极保护系统的日常管理
  (1) 在全线完工后,每月测量一次全线管道保护电位,每季度测量一次阳极床接地电阻;
  (2) 管道电流、电位测试桩注意保护,防止人为破坏,并且每年保养一次;
  (3) 所有测量数据需填写记录表,存档,以便查阅。
  4 结语
  (1) 杂散电流腐蚀一直是阴极保护技术的一个难点,我们在实测杂散电流强度超过标准规定的地点都增设阳极,它不仅能排除杂散电流,还可以为管道提供一定的保护电流。
  (2) PCCP管输水工程对于大口径长距离具有极大的优势,阴极保护是埋地PCCP管行之有效的防腐蚀技术。
  (3) 根据土壤电阻率分布,阶段性的设置阴极保护系统可以从经济性上降低工程成本。
  参考文献
  [ 1 ] 胡士信.管道阴极保护技术现状与展望[ J ]. 腐蚀与防护,2004, 25 (3) 93~101.
  [ 2 ] 胡士信.阴极保护工程手册. 北京化学工业出版社,1999.
  [ 3 ] 魏宝明.钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀与防护,腐蚀科学与防腐蚀工程技术新进展[ M ] .北京 化学工业出版社, 1999 .
  [ 4 ]Veazey M V. CP retrofitting underway on Libyan project[J].MP, 2005(4)22- 23.
  [ 5 ]郭永峰,杨进新等,南水北调中线工程PCCP管道阴极保护防腐技术探讨[ J ]. 特种结构,2009,26 (2) 109~113.
  [ 6 ]胡士信,窦宏强等,预应力钢筒混凝土管_PCCP_的阴极保护[ J ]. 腐蚀与防护,2009, 30 (12) 912~927.
  [ 7 ]SY/T0019-97《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》石油工业部标准
  [ 8 ]SY0007-99《钢质管道及储罐防腐工程设计规范》石油工业部标准