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3PE防腐管道陰極保護應注意的幾個問題


按照現行標準GB/T 21448—2008《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》規定:“新建管道應采用防腐層加陰極保護的聯合防護措施或其他業已證明有效的腐蝕控制技術”。從上世紀90年代起,我國建設的油氣管道大部分采用較的3PE防護涂層。3PE 防護和陰極保護的聯合應用是埋地鋼質管道腐蝕防護普遍采用的一項技術,已在國內數萬公里管道上應用,并取得了顯著效果。根據大量工程和管道后期運行情況分析,筆者認為在3PE防腐管道陰極保護設計施工中應注意以下幾方面的問題。
  陰極保護方法選擇
  油氣管道陰極保護有強制電流法和犧牲陽極法兩種方法。不論何種方法,合理有效的陰極保護系統都可以獲得良好的保護效果,防止腐蝕發生。兩種方法各有優缺點,在實踐中應區別情況使用。選擇陰極保護方法時考慮的主要因素有:管道防腐層性能、工程規模、保護電流大小、環境條件、土壤電阻率、管網現狀、交直流干擾情況、有無經濟方便的電源及工程造價等。 目前的習慣是,強制電流陰極保護主要適用于郊區等地下管網單一地區的油氣主管道或城鎮燃氣環網。犧牲陽極陰極保護主要適用于人口稠密地區和城鎮內各種壓力級制燃氣管道。
  采用絕緣性能優良的3PE防腐層管道需要的陰極保護電流比較小,大量資料表明,強制陰極保護中過負的陰極極化電位會造成電解質更容易滲透防腐層引起陰極剝離,致使防腐層提早失效,而采用犧牲陽極陰極保護則不會出現這種情況,再加上施工和維護成本等因素,在實踐中3PE管道一般采用犧牲陽極陰極保護法,其設計主要按照SY/T 0019—97《埋地鋼質管道犧牲陽極陰極保護設計規范》要求進行。在土壤電阻率特別高,不適宜采用犧牲陽極的地方,建議采用強制電流法。
  套管對陰極保護電流的屏蔽
  穿越公路、鐵路的3PE燃氣管道,按照設計要求 ,施工時要加設套管,并且套管與主管之間要用絕緣的支架支撐,套管兩端用柔性的防水材料封堵,防止地下水進入套管內使主管道發生腐蝕。但通過對管道防腐情況的檢測發現,加設套管并不能阻止管道腐蝕的發生,而且加設套管的管段,主管道發生腐蝕的情況越嚴重。原因是套管內主管道能夠得到有效陰極保護的必要條件是主管道與套管之間存在導電介質,而嚴格按照規范施工的管道,套管與主管道之間設絕緣支架,套管兩端防水密封良好,地下水不能進入,套管與主管道之間的介質是空氣,導致沒有導電介質。主管道雖然加設陰極保護,但陰極保護電流受空氣層阻斷被完全屏蔽,起不到任何作用,這就是套管對陰極保護電流產生了屏蔽。另外,在穿越套管施工時,人工拖、拽等操作往往會破壞主管道的防腐層,如果未及時發現并修補,管道埋地投用后,因為套管對陰極保護電流的屏蔽,陰極保護不起作用,套管內主管道防腐層的破損處會處于自然氧化、腐蝕的狀態,并逐步蔓延。解決陰極保護電流屏蔽的方法是:
 ?。?)穿越公路、鐵路的管道,為控制腐蝕,可以加大壁厚及增加埋深,盡量避免使用套管。
 ?。?)不可避免使用套管時,可在套管內部采取局部的陰極保護。具體做法是:在套管內的主管道上纏繞鎂陽極帶或鋅陽極帶或安裝鐲式陽極。當主管道外防腐層為3PE防腐時,推薦使用纏繞鎂陽極帶的局部陰極保護。安裝鎂陽極帶時,可采用機械打磨的方法,露出里面的鋼管3~5cm,主管道上開鑿一個合適的焊點,采用電焊、鋁熱焊等焊接方式把鎂陽極帶一端焊接到主管道上,根據不同的管徑按照一定的角度和間距,貼著管道的外壁緊緊纏繞(如圖1所示)。針對不同管徑,鎂陽極帶有不同的纏繞角度:當燃氣管道外徑≤219mm時,鎂陽極帶沿管道外壁等距且與管道軸向成30°角纏繞;當管道外徑為219~377mm時,沿管道外壁等距且與管道軸向成45°角纏繞;當燃氣管道外徑≥377mm時,沿管道外壁等距且與管道軸向成60°角纏繞。鎂陽極帶另一端也要和起點一樣,焊接在主管道上,而且兩個焊點都要做好絕緣防腐。鎂陽極帶纏繞施工完畢,套管兩端應采用柔性的防腐、防水材料密封,并保證密封良好,防止水或其他雜物進入。纏繞鎂陽極帶法的優點是施工簡單方便,缺點是鎂的電位較負,保護年限不是很長。
  圖1 帶狀犧牲陽極的安裝圖


 ?。?)不可避免加設套管時,還可采取用其他柔軟材料替代防水材料填充套管兩端的辦法,只要能防止沙石等雜物進入即可。因為當套管內有水或泥土存在時,能起到導電介質的作用,陰極保護電流通過介質形成回路,不會被屏蔽。套管可視為土壤介質的一部分,陰極保護電流從套管外壁流入,從套管內壁流出,再從主管道外部流入,主管道將受到很好的陰極保護。如果套管與主管道間有特定性能的電解質物質,導電性能會更好,主管道陰極保護的效果會更好,其原理如圖2所示。
  圖2 主管與套管絕緣且套管兩端不密封時的陰極保護原理


  雜散電流的防護
  雜散電流是指在規定電路或意圖電路之外流動的電流,雜散電流主要表現為直流電流、交流電流和大地中自然存在的地電流三種狀態,且各自具有不同的特點。以電氣化鐵路車輛直流供電牽引系統產生的直流雜散電流是造成油氣管道雜散電流腐蝕的主要原因。雜散電流腐蝕具有局部集中特征,當雜散電流通過油氣管道防腐層的缺陷點或漏鐵點流出時,對該部位管道產生激烈的電化學腐蝕,短期內就可以造成穿孔事故。防腐層的缺陷點或漏鐵點愈小,相應的電流密度愈大,雜散電流的局部集中效應愈突出,腐蝕速度愈快。
  對雜散電流的防護,一是從源頭上控制和減小,選線時盡量不與電氣化鐵路等雜散電流產生區域交織。其他方法因需要對鐵路設施做出改變,現實中很難行得通;二是采取排流措施。排流的方法有以下四種。
 ?。?)直接排流法。即把油氣管道與電氣化鐵路的負極或行走軌用導線直接連接起來。這種方法不需要排流設備,操作簡單,造價低,排流效果好。但當管道的對地電位低于行走軌對地電位時,行走軌電流會流入管道內產生逆流。故這種方法只適合管地電位永遠高于軌地電位、不會產生逆流的場所,而這種機會不多,所以該方法有局限性。
 ?。?)極性排流法。由于負荷的變動,變電所負荷分配的變化等,管地電位低于軌地電位而產生逆流的現象比較普遍。為防止逆流,使雜散電流只能由管道流入行走軌,必須在排流線路中安裝單向導通的二極管整流器、逆電壓繼電器等排流裝置。這種防止逆流的排流法稱為極性排流法。該方法簡單易行,應用廣泛。
 ?。?)強制排流法。就是在油氣管道和行走軌的電氣接線中加入直流電流,促進排流的方法。在管地電位正負極性交變,電位差小,且環境腐蝕性較強時,可以采用此防護措施。通過強制排流器將管道和行走軌連通,雜散電流通過強制排流器的整流環排放到行走軌上,當無雜散電流時,強制排流器給管道提供一個陰極保護電流,使管道處于陰極保護狀態。強制排流法防護范圍大,鐵路停運時可對油氣管道提供陰極保護,但對行走軌的電位分布有影響,需要外加電源。
 ?。?)接地排流法。即;管道的排流電纜不是直接連接到行走軌上,而是連接到一個埋地輔助陽極上,將雜散電流從管道上排出至輔助陽極上,經過土壤再返回到行走軌上。接地排流法使用方便,但效果不顯著,需要輔助陽極,且輔助陽極需要定期更換。
  測試樁的設置
  測試樁是陰極保護系統中必不可少的裝置,主要用于陰極保護效果和運行參數的檢測。
  在設計施工中,測試樁應該和其他陰極保護系統同時安裝。安裝測試樁應該沿著被保護管道的方向設定位置,可設置在地下和地上,彼此相鄰的兩個測試樁間隔距離應該在1~3公里之間。如果管道經過城鎮或工業園區,測試樁相鄰間隔距離不應該超過1公里。如果測試到受雜散電流干擾影響的地區,測試裝置的間隔距離更應該適當加密。測試樁安置的環境通常為:被保護管道與交流/直流電氣化鐵路交叉或者平行段;安裝絕緣接頭的地方;連接接地系統的地方;裝有金屬套管的位置;被保護管道與其他管道或結構有連接的地方;輔助試片及接地裝置連接的地方;管道與周圍道路或者堤壩交叉通過的地方;穿越鐵路或者流水的地方;與外部金屬結構建筑物相鄰的地方等。安裝測試樁時應至少有兩個電纜與被保護管道相連接,而且使用的電纜應該用顏色區別,或者做其他標志進行區分,并且要做到全線統一。犧牲陽極陰極保護系統應設置足夠的測試裝置,且應與陰極保護系統同步安裝。




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