輸水鋼管陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究

1、輸水鋼管陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用研究 苑京成摘要： 本文根據(jù)工程實(shí)例，參照石油行業(yè)的有關(guān)規(guī)范，對(duì)輸水鋼管陰極保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)與探討，提出了實(shí)話要點(diǎn)。關(guān)鍵詞： 輸水鋼管 陰極保護(hù) 強(qiáng)制電流 犧牲陽極 實(shí)施要點(diǎn) Abstract:Consulting on oil industry criterions,this paper and sunmmarize of cathodic protection of steel water pipeline in some engineering examples and also put forward some keys to applicationKey

2、words:steel water pipeline cathodic protection impressed current sacrificial anode points of application0 前言隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，大口徑長距離輸水管道工程在各地不斷興建。鋼管具有取材制作方便、安裝技術(shù)成熟、適應(yīng)復(fù)雜地形等優(yōu)點(diǎn)，既適用于埋地敷設(shè)，又可用于跨越架空過河倒虹和頂管施工，在管徑1000mm能上能下的輸水管道中是目前較多采用的一種管材。但鋼管最大缺陷是在自然環(huán)境中易產(chǎn)生腐蝕，因此做好鋼管的內(nèi)外防腐是延長鋼管使用壽命的重要施工環(huán)節(jié)?，F(xiàn)行國標(biāo)給水排水管道工程施工及驗(yàn)收入

3、規(guī)范（GB5026897）在“鋼管道內(nèi)外防腐”一節(jié)中，對(duì)水泥砂漿內(nèi)防腐層和石油瀝青及環(huán)氧煤瀝青外防腐層的施工作出了相應(yīng)的規(guī)定，而沒有提及對(duì)鋼管道進(jìn)行陰極保護(hù)施工的問題。由于陰極保護(hù)在國外輸水管道和國內(nèi)石油天然氣管道的成功應(yīng)用，日益受到我國供水界的重視。近年來，上海、深圳、成都、大連、廈門、寧波等地相繼進(jìn)行了輸水鋼管陰極保護(hù)的應(yīng)用實(shí)踐。但由于這項(xiàng)技術(shù)在我國供水行業(yè)起步較晚，至今沒有統(tǒng)一的行業(yè)規(guī)范，有一些技術(shù)問題還有待于進(jìn)一步研究。本文根據(jù)寧波的工程實(shí)例，試對(duì)輸水鋼管陰極保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)與探討。1 輸水鋼管陰極保護(hù)應(yīng)用實(shí)例為解決城市水資源短缺和水質(zhì)污染的問題，寧波市自來水總公司從八十年代末著

4、手規(guī)劃，并于96至99年間相繼建成投運(yùn)蕭鎮(zhèn)、橫山、江東三項(xiàng)引水工程，把距離市區(qū)幾十公里外的橫山水庫和亭下水庫的無污染原水用管道分別輸送至南郊、北侖、江東三個(gè)水廠，有效解決了市區(qū)水廠水源污染問題。這三項(xiàng)引水工程總投資六億多元，共敷設(shè)DN1600mm輸水鋼制管道102.4公里。鋼管外防腐全部采用環(huán)氧煤瀝青四油兩布工藝，并且全線鋼管還進(jìn)行了陰極保護(hù)的施工。根據(jù)不同的環(huán)境條件分別采用強(qiáng)制電流和犧牲陽極兩種陰極保護(hù)技術(shù)，實(shí)施情況見表1。寧波市輸水鋼管陰極保護(hù)實(shí)施情況 表1 工程名稱輸水鋼管長度（km）強(qiáng)制電流法犧牲陽極法保護(hù)長度（km)保護(hù)站(座數(shù))保護(hù)長度（km）陽極配置質(zhì)量（kg) ×支數(shù)

5、× 組數(shù)/km蕭鎮(zhèn)引水工程29.420.828.614×5×4橫山引水工程57.316241.314×5×4江東原水工程15.715.714×5×42 輸水鋼管陰極保護(hù)實(shí)施要點(diǎn)2.1土壤腐蝕性的評(píng)價(jià)鋼制管道在土壤環(huán)境中的腐蝕主要為電化學(xué)過程，腐蝕原電池是其最基本的形式。對(duì)土壤的腐蝕性進(jìn)行正確評(píng)價(jià)是實(shí)施陰級(jí)保護(hù)的前提，在工程實(shí)際中常通過測(cè)量鋼管環(huán)境的土壤電阻率（.m）和自然電位（-V）來評(píng)價(jià)土壤腐蝕性。對(duì)于大多數(shù)情況，土壤電阻率越小，自然電位負(fù)值越大，則土壤的腐蝕性越強(qiáng)。電阻率與土壤腐蝕性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參見表2， 土壤電阻率與土壤

6、腐蝕性（.m） 表2腐蝕性中 國前蘇聯(lián)英 國日 本美 國法 國極強(qiáng)595強(qiáng)205109232020515中等205010202350204520451525弱502010050100456045很弱100100606010030自然電位與土壤腐蝕性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)參見表3。土壤環(huán)境經(jīng)測(cè)定和評(píng)價(jià)為腐蝕性強(qiáng)、較強(qiáng)和中等的。一般都應(yīng)進(jìn)行陰極保護(hù)。 自然電位與土壤腐蝕性 表3自然電位（-V）（相對(duì)與Cu /CuSO4）0.550.450.550.300.450.150.300.15腐蝕性強(qiáng)較強(qiáng)中弱極弱 我們?cè)诠こ淘O(shè)計(jì)初期，對(duì)管道沿線土壤電阻率和自然電位進(jìn)行了測(cè)量，電位均以Cu-CuSO4飽和溶液為參比電極所

7、測(cè)。測(cè)試結(jié)果顯示，蕭鎮(zhèn)和江東段管道沿線土壤電阻率在20.m左右，而橫山段管道沿線土壤電阻率數(shù)值相差較大，最低處為16.4.m，最高處超量程（大于628.m）。三段管道沿線自然電位多負(fù)于-0.45V。依據(jù)國內(nèi)有關(guān)的差別標(biāo)準(zhǔn)，大部分管線所處的土壤環(huán)境腐蝕性較強(qiáng)，需要進(jìn)行陰極保護(hù)。2.2陰極保護(hù)方式的選擇陰極保護(hù)有強(qiáng)制電流和犧牲陽極兩種基本方法，這兩種方法各自特點(diǎn)如表4所示。犧牲陽極與強(qiáng)制電流的比較 表4方法優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)強(qiáng)制電流法1、輸出電流連續(xù)可調(diào)，可滿足較大的保護(hù)電流密度要求.1、需要可靠外部電源。2、不受環(huán)境電阻率限制. 2、對(duì)臨近金屬構(gòu)筑物干擾大，特別是輔助陽極附近。3、工程越大越經(jīng)濟(jì).3、需設(shè)

8、陰極保護(hù)站，日常進(jìn)行維護(hù)管理4、對(duì)管道防腐覆蓋層質(zhì)量要求相對(duì)較低.4、在需要較小電流時(shí)，無法減少最低限度的裝置費(fèi)用5、保護(hù)裝置壽命長.犧牲陽極法1、不需要外部電源。1、高電阻環(huán)境不宜使用。2、對(duì)臨近金屬構(gòu)筑物干擾小。2、保護(hù)電流不可調(diào)。3、管理維護(hù)工作量小.3、對(duì)覆蓋層質(zhì)量要求高。4、工程費(fèi)用與保護(hù)長度成正比.4、消耗有色金屬，需定期更換。5、保護(hù)電流分布均勻，利用率高。5、雜散電流干擾大時(shí)不能使用。選擇陰極保護(hù)方式，應(yīng)根據(jù)防腐層質(zhì)量、土壤環(huán)境、現(xiàn)場(chǎng)條件和運(yùn)行管理等因素，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，綜合考慮確定。一般原則是：（1）工程規(guī)模大宜采用強(qiáng)制電流，規(guī)模小則宜采用犧牲陽極。（2）市區(qū)內(nèi)考慮到對(duì)外界

9、干擾電流的影響，一般應(yīng)采用犧牲陽極。（3）當(dāng)土壤電陰率大于100.m時(shí)，或管道覆蓋層質(zhì)量差，一般宜采用強(qiáng)制電流。根據(jù)上述原則，經(jīng)過分析比較，寧波市輸水鋼管陰極保護(hù)考慮管線埋設(shè)現(xiàn)場(chǎng)的特點(diǎn)以及對(duì)外界干擾因素的不同，分別采取犧牲陽極和強(qiáng)制電流陰極保護(hù)兩種方式。蕭鎮(zhèn)引水工程全長29.4公里，其中20.8公里管段采用強(qiáng)制電流，設(shè)蕭鎮(zhèn)、北渡兩個(gè)陰極保護(hù)站，其余8.6 公里管段因處市區(qū)，采用了犧牲陽極。江東原水工程全長15.7公里，起始段無可靠交流電源，末段處于鄞縣中心區(qū)和寧波市區(qū)，全線陰極保護(hù)系統(tǒng)均采用犧牲陽極法。橫山引水工程共長57.3公里，其中管線始、終兩端各8公里管段采用強(qiáng)制電流保護(hù)，其余段因無可靠

10、交流電源，采用了犧牲陽極。穿越東錢湖段兩端采用直接焊接捆綁塊狀鎂陽極。2.3主要技術(shù)參數(shù)的確定（1）工程設(shè)計(jì)壽命：輸水鋼管陰極保護(hù)工程設(shè)計(jì)壽命應(yīng)與被保護(hù)管道使用年限相匹配，一般可取1525年。（2）管道保護(hù)電位：相對(duì)于飽和銅/硫酸銅參比電極的管道保護(hù)電位至少為850mV。（3）最小保護(hù)電流密度最小保護(hù)電流密度是陰極保護(hù)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，它的大小與被保護(hù)管道覆蓋層質(zhì)量、種類和管道周圍的土壤電阻率大小等因素有關(guān)，但一般難以進(jìn)行理論計(jì)算。給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)中所提供的埋地金屬管道所需保護(hù)電流密度數(shù)值范圍大，難以準(zhǔn)確選擇合理的數(shù)據(jù)。因此在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)施工中應(yīng)根據(jù)具體的環(huán)境條件，參照同類工程的運(yùn)行數(shù)據(jù)，確定較

11、符合實(shí)際情況的數(shù)值。也可試在小部分管段采用簡易強(qiáng)制電流系統(tǒng)實(shí)地測(cè)量。根據(jù)寧波地區(qū)土壤電阻率低的特點(diǎn)，參照同類工程運(yùn)行參數(shù)，我們確定寧波三項(xiàng)引水工程鋼管陰極保護(hù)設(shè)計(jì)最小保護(hù)電流密度為：外加電流法用0.30.4mA/m2，犧牲陽極法用0.15mA/m2。2.4犧牲陽極材料的選擇應(yīng)根據(jù)管道沿線土壤電阻率測(cè)量結(jié)果，參照石油行業(yè)埋地鋼制管道犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范和鎂合金犧牲陽極應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行犧牲陽極材料和規(guī)格的選擇，可參見表5、6。 犧牲陽極材料種類的選擇 表5 土壤電阻率（.m）可選陽極種類100帶狀鎂陽極60100鎂（-1.7V）4060鎂40鎂(-1.5V)15鎂(-1.5V)5鋅鎂陽極規(guī)格

12、的選擇 表6土壤電阻率（.m）可選擇陽極規(guī)格1002或4kg100 504或8kg50208或11kg201011或14kg514或22kg根據(jù)土壤電阻率的測(cè)量和土壤腐蝕性的判斷，寧波市輸水鋼管陰極保護(hù)工程實(shí)施中的犧牲陽極選用鎂陽極，土壤電陰率在40.m以下采用鎂鋁鋅合金陽極，40.m以上采用鎂陽極。每支陽極的技術(shù)規(guī)格均采用14kg。2.5犧牲陽極設(shè)計(jì)簡要計(jì)算（1）單支鎂陽極輸出電流計(jì)算式為：IMG=150000×F×Y/p式中：IMG-單支鎂陽極的輸出電流，mA；F-重量修整系數(shù)Y-電位修正系數(shù)p-土壤電阻率，.m我們?cè)谠O(shè)計(jì)中根據(jù)給水排水設(shè)計(jì)手冊(cè)，取F為1.16；Y為 0

13、.93；p按實(shí)測(cè)當(dāng)?shù)赝寥离娮杪嗜∑骄禐?100.cm。經(jīng)計(jì)算得IMG=77mA。（2）每組鎂陽極支數(shù)計(jì)算式為：N=b×IA/IMG式中：b-備用系數(shù)，根據(jù)寧波地區(qū)土壤電阻率低的情況，取2；IA-每組陽極需輸出保護(hù)電流，mA；我們?cè)趯?shí)施中取每組陽極保護(hù)長度為250m，最小保護(hù)電流密度取0.15mA/m2，被保護(hù)管道管徑為1.6m。則IA=0.15×1.6×3.14×250=188.4mA。所以：N=2×188.4/77= 4.895支。（3）陽極使用壽命采用美國HARCO防腐公司的經(jīng)驗(yàn)公式：T=57.08W /IMG 式中：W-為單支陽極重量（

14、磅）；我們采用鎂陽極質(zhì)量為14kg,乘以2.2化為重量磅數(shù)。 -為系數(shù)，通常取0.75。則設(shè)計(jì)壽命為：T=57.08×14×2.2×0.75/7717年。2.6強(qiáng)制電流保護(hù)站的設(shè)置陰極保護(hù)站的設(shè)置應(yīng)考慮到有可靠的交流電源、便于維護(hù)管理以及防止人為破壞等因素，一般陰極保護(hù)站宜設(shè)在泵站或水廠廠區(qū)內(nèi)。蕭鎮(zhèn)段在蕭鎮(zhèn)、北渡泵站各設(shè)一座陰極保護(hù)站。蕭鎮(zhèn)陰極保護(hù)站設(shè)恒電位儀2臺(tái)（1用1備），輔助陽極為30支YJBSICr50×1200mm雙端接頭的含鉻高鑄鐵陽極，距管道100m，油管道垂直方向一字形水平埋設(shè)。北渡陰極保護(hù)站設(shè)恒電位儀3臺(tái)（2用1備）。埋設(shè)兩組輔助陽極（

15、規(guī)格數(shù)量同上），每臺(tái)儀器對(duì)應(yīng)一組陽極。為防止未通電保護(hù)的泵站內(nèi)管道發(fā)生雜散電流干擾腐蝕，對(duì)站內(nèi)管道實(shí)施了犧牲陽極陰極保護(hù)，埋設(shè)兩組各埋4支22kg鎂陽極。橫山段強(qiáng)制電流陰極保護(hù)站分別設(shè)在橫山引水管理站和北侖水廠內(nèi)，各有2臺(tái)恒電位儀（1用1備）。考慮到橫山陰極保護(hù)站處土壤電阻率比較高（240.m），因引輔助陽極選了30支YJBSICr75×1500mm雙端接頭的含鉻高硅鑄造鐵陽，將輔助陽極水平埋設(shè)在焦炭地床中，焦炭地床寬度厚度分別為600mm，長度為2000mm。蕭鎮(zhèn)北渡陰極保護(hù)站每臺(tái)恒電位儀保護(hù)距離8.3公里，需保護(hù)電流I=8300×1.6×3.14×0

16、.3=12509mA.輔助陽極接地電阻0.8 歐姆。選取恒電位儀20A/24V。橫山陰極保護(hù)站，因輔助陽極接地電阻10.1歐姆，選取恒電位儀30A/100V。北侖水廠陰極保護(hù)站輔助陽極接地電阻0.8歐姆，選取恒電位儀75A/35V。2.7管道電氣絕緣措施陰極保護(hù)需要被保護(hù)輸水管道的電氣連續(xù)性，以及與外界的絕緣，這一點(diǎn)非常重要，為此我們采取以下措施：（1）在不同的陰極保護(hù)方式之間采用絕緣法蘭絕緣。（2）管線進(jìn)、出陰極保護(hù)站端安裝絕緣法蘭。（3）所有橋管處鋼管與支墩用橡膠墊片進(jìn)行絕緣處理。（4）所有其他與管道直接相連的金屬件不允許直接接地。（5）考慮到湖水與土壤物理化學(xué)性的差異，空越東錢湖段兩端安

17、裝絕緣法蘭。（6）所有閥門井處加裝一支14kg鎂陽極。上述措施在輸水鋼管陰極保護(hù)實(shí)際應(yīng)用中取得了較好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。而這些措施與石油行業(yè)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范的要求有所不同。該規(guī)范要求被保護(hù)管道在穿跨越段的兩端和排水井的連接處都應(yīng)裝設(shè)絕緣法蘭或絕緣接頭。寧波地處江南水鄉(xiāng)，輸水管道跨越河流的橋管數(shù)量較多，如果每座橋管的兩端都要裝設(shè)絕緣法蘭，則施工難度大，工程費(fèi)用高。我們經(jīng)過試驗(yàn)，在橋管兩端不裝設(shè)絕緣法蘭，采用橡膠墊片把輸水鋼管與管橋支承托座之間進(jìn)行絕緣隔離。另外在管道排水閥門井室也不設(shè)絕緣法蘭，而改為設(shè)置一組14kg 單支鎂陽極進(jìn)行保護(hù)。這些措施的采取滿足了陰極保護(hù)的要求，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較中占有明顯優(yōu)

18、勢(shì)。2.8測(cè)試樁的設(shè)置陰極保護(hù)測(cè)試樁是工程實(shí)施的重要內(nèi)容，也是管道保護(hù)效果測(cè)試的重要環(huán)節(jié)，一般要求被保護(hù)管道每公里設(shè)置一個(gè)電位測(cè)試樁。蕭鎮(zhèn)引水工程全程設(shè)有電位測(cè)試樁（每公里一個(gè)）共18個(gè)，電流測(cè)試樁2個(gè)（距蕭鎮(zhèn)泵站5公里和12公里處）和絕緣法半測(cè)試樁4個(gè)。江東原水工程全程設(shè)有犧牲陽極測(cè)試樁（每公里一個(gè)）共16個(gè)。橫山引水工程管線長，且是在管道敷設(shè)2年后再實(shí)施陰極保護(hù)施工，再次征地較為困難，考慮到橫山沿線有40座管橋，也可做為測(cè)試點(diǎn)的補(bǔ)充，故對(duì)電位測(cè)試樁間距作了調(diào)整，約1.8公里設(shè)1個(gè)，共設(shè)置電位測(cè)試樁23個(gè)。此外設(shè)置犧牲陽極測(cè)試樁10個(gè)。2.9陰極保護(hù)效果的判斷：衡量陰極保護(hù)狀況的好壞是根據(jù)保

19、護(hù)電位來判斷的，參照石油行業(yè)的設(shè)計(jì)規(guī)范，輸水鋼管陰極保護(hù)良好狀態(tài)時(shí)的保護(hù)電位應(yīng)滿足：（1）對(duì)普通土壤，測(cè)得管道保護(hù)是位為850mV（相對(duì)Cu-CuSO4，下同）或更負(fù)；（2）管道表面與同土壤接觸的參比電極之間陰極極化電位不得小于100mV;（3）最大保護(hù)電位的限制應(yīng)根據(jù)覆蓋層及環(huán)境確定，以不損壞覆蓋層的粘結(jié)力為準(zhǔn)，一般可取1.5V。橫山引水工程犧牲陽極施工時(shí)，根據(jù)上述判斷標(biāo)準(zhǔn)分析，通過實(shí)測(cè)保護(hù)電位，發(fā)現(xiàn)有部分地段保護(hù)電位未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，主要原因是：因自然條件限制和征地困難陽極床埋設(shè)位置不能均布，在陽極床間距較大處出現(xiàn)保護(hù)不夠；且由于管道敷設(shè)后未及時(shí)做陰極保護(hù)，在腐蝕性較強(qiáng)的土壤條件下，涂層的平均

20、電阻較小，電流泄漏較大。為保證本工程鋼管陰極保護(hù)效果和使用壽命，對(duì)原設(shè)計(jì)做了適當(dāng)變更，在保護(hù)不足處共增加了31組犧牲陽極，在土壤電阻率低的管段，每組陽極數(shù)量由5支增加到6支。采取上述措施后，經(jīng)實(shí)地測(cè)量，被保護(hù)管段電位達(dá)到要求。在對(duì)橫山強(qiáng)制電流保護(hù)段電位測(cè)量中，我們發(fā)現(xiàn)管道保護(hù)電位的分布并不是沿管道測(cè)量點(diǎn)與通電點(diǎn)的距離增加而減小，見表7。 橫山引水工程橫山站強(qiáng)制電流陰極保護(hù)數(shù)據(jù)測(cè)量 表7測(cè)量點(diǎn)通電點(diǎn)P1P2P3P4P5P6自然電位（-V）0.600.590.600.550.5850.640.58保護(hù)電位（-V）1.2261.3980.8851.0360.9040.8770.866這主要是因?yàn)檫@一

21、保護(hù)段沿線土壤電阻率變化大，最大處可達(dá)400.m，最小僅為38.m，相差一個(gè)數(shù)量級(jí)，管道沿線土壤電阻率的變化影響了保護(hù)電位的分布。這意味著，盡管在土壤電阻率低的地區(qū)或遠(yuǎn)離通電點(diǎn)的保護(hù)電位達(dá)到要求，并不表示在土壤電阻率高或距離通電點(diǎn)近的管段保護(hù)電位也能達(dá)到要求，在管線保護(hù)電位測(cè)量中應(yīng)注意此現(xiàn)象，確保全線達(dá)到保護(hù)要求。橫山引水工程陰極保護(hù)是在管道敷設(shè)2年后再進(jìn)行實(shí)施陰極保護(hù)的，北侖水廠附近段土壤電阻率與蕭鎮(zhèn)至北渡間的土壤情況相似，但理論計(jì)算北侖水廠段平均保護(hù)電流密度大于蕭鎮(zhèn)段，蕭鎮(zhèn)的陰極保護(hù)是與管道同時(shí)投運(yùn)的，由此可見，陰極保護(hù)對(duì)防腐層也有一定的保護(hù)作用。3 結(jié)論與探討（1）輸水鋼管陰極保護(hù)技術(shù)的推廣應(yīng)用是十分必要的。陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)與施工應(yīng)與管道建設(shè)同時(shí)實(shí)施，這在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是切實(shí)可行的。（2）鋼管的陰極保護(hù)有強(qiáng)制電流和犧牲陽極兩種方法，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境和