城市燃氣管網陰極保護可行性與設計要點

吳林虎，吳發東，馮岺岺，劉元洪，晁玉滿

（1.中國石油工程設計公司青海分公司，敦煌736202；2.川慶鉆探工程有限公司四川油建科宏公司，成都610213；3.西部鉆探青海鉆井公司，敦煌736202）

1 概述

近年來，我國天然氣工程建設方興未艾，城市燃氣管網建設得到了迅猛發展。城市燃氣管網建設區域往往人口稠密，其突出特點是保護面積大、雜散電流多、絕緣難度大、施工條件苛刻、腐蝕環境復雜、保護要求高，因而其陰極保護設計較為復雜。

目前，在大直徑、高壓力供氣干線及城市中壓輸氣管網建設中，抗壓能力強、塑性良好且易于焊接的鋼質管道仍占主導地位［1］。埋地鋼質燃氣管道以土壤對管外壁的局部電化學腐蝕為主要腐蝕形式，并受多種因素影響，其中以土壤電阻率最為重要［2］。

我國早期建設的在役城市燃氣管網有相當部分只采用了涂覆層而未采用陰極保護措施，腐蝕穿孔頻發，給城市的正常運轉造成了嚴重影響，更為嚴重的是，一旦泄漏不能及時發現和處理，極易造成燃燒和爆炸事故，對公共安全構成重大威脅，因此陰極保護措施的重要性不容置疑。

1971年，美國首次立法規定，對輸送危險、重要物料的地下管道在涂層防腐蝕的基礎上，必須實施陰極保護；此后，日本、英國、前蘇聯等國也明文規定：“禁用未施加陰極保護而只有防腐蝕涂層的地下金屬管道”。由于覆蓋層和陰極保護雙重防腐蝕措施的采用，使得地下管線穿孔、斷裂事故顯著減少，在安全性提高的同時，也大大提高了經濟效益。

我國從1987年首屆城市管道腐蝕與防護大會以來，陰極保護的必要性已形成共識，燃氣行業形成了以CJJ95-2003《城市燃氣埋地鋼質管道腐蝕控制技術規程》等為代表的燃氣管網相關技術要求體系，腐蝕控制水平大步提升，取得了顯著的社會效益和經濟效益。

2 城市燃氣管網采用陰極保護的可行性

2.1 城市燃氣管網實施陰極保護的可行性

據文獻記載，北京市未實施陰極保護的早期管網，頻繁發生穿孔、泄漏事故，而后期實施陰極保護的超過1 200km高壓和部分中壓燃氣管道，在投運的6a間，從未發生電化學腐蝕穿孔泄漏［3］。一般而言，陰保設施僅占項目總投資的2%～4%左右，卻可以延長管網系統使用壽命幾倍甚至幾十倍。根據我國部分城市實踐，只要設計合理，施工規范，驗收嚴格，陰極保護設施的投資可控制在管道建設總投資的2%左右，甚至更低；西方國家類似項目則占5%左右。對于已經穿孔的舊管道，施加陰極保護也可有效減少泄漏次數，延緩腐蝕速率。

以GB／T 21448-2008《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》、CJJ 95-2003《城鎮燃氣埋地鋼質管道腐蝕控制技術規程》為依托的技術規范體系已逐步完善，國內上百個城市的實踐也為城市燃氣管網陰極保護打下了堅實基礎。事實證明，根據不同腐蝕環境，有針對性地采用犧牲陽極或強制電流陰極保護，可以取得滿意的效果。

2.2 復雜腐蝕環境下的技術可行性案例

2012年拉薩市燃氣管網工程按中心城區布局劃分片區設計，一級主干管網以環狀管網為主要布置形式，二級管網以支狀管網為主要布置形式，采用高頻焊接（HFW）鋼管，對管道采用常溫型（N）3LPE加強級防腐蝕（工廠預制），工程量見表1；管網無跨越段，共有3處大型河流穿越，詳見表2。

表1 管道主要工程量

表2 主要穿越統計表

該工程區域南北高山、中間夾河，地形變化較大，地下水位變化幅度很大，絕大部分區域地下水埋藏較深，個別管段所在區域（如拉魯濕地周邊）地下水埋藏高于管線埋深，在埋深以內土質稍濕～飽和；沿線2.4m深度范圍內土壤電阻率介于14.47～1261.3Ω·m，平均土壤電阻率為353.4Ω·m，總體以弱腐蝕性為主，局部具有強腐蝕性。區域內管網交錯，陰極保護實施難度較大。根據整體土壤電阻率均值大、無法使用塊狀犧牲陽極的情況，對干線、環網采用了全線強制電流＋局部帶狀陽極方式，解決了屏蔽問題，在管網交叉段則采用了“安全規避＋絕緣橡膠板電隔離＋排流措施”，多方位解決干擾腐蝕問題，具備了較高的技術可行性。

又如，2004年洛陽市燃氣輸配工程，干管全長約30km，除個別地段土壤電阻率在22～41Ω·m外，其余均在20Ω·m以下，大部分屬強腐蝕環境。考慮到對外界干擾情況影響、維護管理費用及擴展能力，確定采用鎂陽極保護，并采取了其它補充保護措施，在投運后第1，3，5年分別進行測量，保護電位穩定且均負于-0.85V（CSE），經檢查片分析，保護度達到89%，處于良好保護狀態。

城市燃氣管網所處的外腐蝕環境往往管網縱橫、地質地形條件差、限制條件多、腐蝕環境復雜，且面臨的干擾及屏蔽問題突出，但只要充分調查，精心設計，技術問題均可得到妥善解決。

3 城市燃氣管網陰極保護設計要點分析與建議

與長輸管道相比，城市管道陰極保護有明顯的復雜性和特殊性，比如陽極地床布置受限、管線規格及分支管線繁多（絕緣要求高）、干擾及屏蔽因素普遍、設施易損壞、外觀要求高（特別是測試樁）等，因此，在工程設計中應尤其重視以下幾方面。

3.1 極化電源及陽極地床的選擇

由于城市燃氣管網的復雜特性，因此在設計中，應結合管道等級、防腐蝕層、長度、管網數量及分布，充分考慮土壤電阻率、地下水位等地質條件的影響，加強現場調研，優選陽極地床方案，合理選用極化電源，為陰極保護系統提供穩定可靠和覆蓋全面的電流供應。一般而言，在保護規模較小時，可采用塊狀鎂陽極、鋅陽極，陽極塊應盡量埋設在易更換的位置，以提供盡可能均勻的極化電流并減少日常管理難度；如果保護規模較大、監控要求較高或土壤電阻率大于100Ω·m，可優先采用強制電流陰極保護系統，以提高保護的可靠性，減少陰保設施數量及有色金屬消耗。此外，根據近年來國內外研究成果，在高電阻率環境且強制電流陰極保護系統實施條件較差時（如淺層土壤電阻率非常高且缺乏深井陽極地質條件），可采用帶狀鋅陽極或帶狀鎂陽極保護［4］。

針對城市燃氣管網的特點，條件具備時，在主干網、環網上可采用強制電流（深井式或淺埋式），而在地下金屬構筑物密集段的支干網、高壓、次高壓及大于DN100的中壓管道或等于DN200的低壓管道上可采用強制電流（深井式）或犧牲陽極（塊狀或帶狀陽極），而庭院管網則采用可靠防腐蝕涂層而不進行陰極保護。根據鄰近管網分布、土壤腐蝕性強弱、供電條件、深地層地質狀況，還可以有針對性地采用柔性陽極、帶狀陽極（全線）等方式。

相對深井陽極地床、柔性陽極而言，淺埋陽極地床具有工程量小、易于安裝維護和投資較少的優點，其缺點是易產生電流屏蔽且地床布置受地質條件限制；深井陽極地床具有占地面積小，利于消除電流屏蔽的突出優點，在用地緊張的城市區域有較大優勢；柔性陽極則具有電流分布均勻、保護充分的優點，缺點是投資多，有色金屬及填包料用量大。應綜合考慮管網分布、地質條件、供電條件及全壽命費用等因素，合理選擇陽極地床。

拉薩市燃氣主干網在北京西路以北、拉魯濕地邊緣西南側地下水位較高，土壤電阻率為區域最低且大體位于管網中心部位，具有實施淺埋陽極地床的有利條件，因此陰極保護站設在管道和陽極地床附近的北京西路以北、管道里程為K9＋600處，并根據地質條件采用單支連續焦炭粉水平地床。對保護規模較小、土壤腐蝕性為弱～中的經濟開發區B區則采用鎂合金犧牲陽極管邊軸向臥式埋設，困難位置采用立式埋設，每250m布置一組。

3.2 電絕緣與電連續

（1）電絕緣 沒有絕緣就沒有陰極保護，不同陰保系統間必須合理采用絕緣措施，對整個施加陰極保護的管道系統，在適當的位置，分區塊之間可增加絕緣接頭，以避免部分陰保的失效影響面擴大，同時減少了部分管段受干擾的影響面。在選擇絕緣裝置時應優先選用技術成熟的普通整體型直埋絕緣接頭、電位連接器等。此外，要充分估計庭院管線與各種非保護管線搭接、戶內管線穿越樓板與鋼筋搭接造成保護電流大量流失，以及庭院管網對陰極保護系統的屏蔽作用。可考慮在高壓箱出口采取絕緣措施，把中壓庭院管網保護起來，而隔離對于整個陰極保護系統安全運行影響較小、屏蔽作用強而電流消耗過大的低壓庭院管網；或者對低壓庭院管網采用PE塑料管。拉薩市燃氣管網在進站前、出站后及管網盲板前均設絕緣接頭進行絕緣隔離；同時，要求后續分期建設的非本工程的管道，在接口部位50m范圍內必須加設絕緣接頭以保證電絕緣。

（2）電連續 為保證內部電流均勻、連續，對非焊接連接的管道與管道設施（如法蘭連接的閥門），建議設置跨接電纜或其它有效的電連接方式。對穿跨越管道安裝絕緣裝置的部位，應設置跨接電纜。

3.3 強電沖擊與交／直流干擾防護措施的選擇

強電沖擊與交直流干擾防護分高壓交／直流輸電鐵塔及接地系統對附近管道的強電沖擊防護、輸電線路走廊和電氣化鐵路附近管道的交流干擾防護、以及高壓輸電線路走廊內管道組焊時的容性防護等三部分，在選線、定線中，應嚴格按GB／T 21447規定的安全距離進行交流干擾規避。

（1）強電沖擊防護 管道與高壓交流／直流輸電線路或通訊鐵塔等設施靠近時，在雷擊或輸電線路發生工頻故障時，接地系統會在地下形成脈沖電弧，擊傷附近管道，因此需考慮進行屏蔽防護。拉薩燃氣管網對與當熱西路1處的110kV高壓輸電鐵塔（接近北京西路與德吉路北段交匯處）處管道采取強電沖擊屏蔽措施，距高壓輸電鐵塔、通訊鐵塔或其接地線距離小于3m處還應采用絕緣橡膠板進行了絕緣處理。

（2）交流感應電壓防護 在高壓交流輸電線路走廊內的管道，與110kV及以上輸電線路最外側邊導線間距≤300m且累計長度超過2km的管段，考慮進行交流感應電壓排流防護。此外，管道在與交流電氣化鐵路并行的區段，如果二者間距在400m范圍內，從并行段的起點開始，每2km設置一處排流防護點；在與直供式電氣化鐵路交叉的地段，在交叉段的其中一側位置設置一處排流防護點。排流設施設置在電阻率盡量小的位置，拉薩燃氣管網排流防護點位置分布見表3。

表3 交流干擾電壓排流防護點位置分布表

（3）容性影響的防護 在110kV及以上高壓交流／直流輸電線路下進行管道組焊施工時，管道上的感應電壓可能會對施工人員造成電擊傷害，應采取防容性影響措施。管道組焊長度超過300m時，可每隔300m安裝臨時接地設施，其接地電阻應小于30Ω；臨時接地極可以是接地棒、裸露的套管或其他適宜的金屬接地體，其接點應具有良好的機械強度和導電性，管道下溝回填后撤消臨時接地。

3.4 防止電流屏蔽的技術措施

（1）管網電流屏蔽 根據工程條件合理選擇極化電源及陽極地床，是減少或避免電流屏蔽的決定因素。犧牲陽極塊布置較靈活，而強制電流陰極保護系統中，柔性陽極可提供較理想的電流分布，深井陽極地床比淺埋陽極地床更易避免電流屏蔽且具有占地少的突出優點。因此，設計中應根據管網分布、地質條件、管理難度及全壽命費用等因素，合理選擇陰保方案。拉薩燃氣管網對干線、環網采用了全線強制電流＋局部帶狀陽極方式，解決了屏蔽問題。

（2）套管電流屏蔽 無論套管采用何種材質，套管穿越段都存在屏蔽作用，一旦套管內進水，盲區內的管道將得不到保護［5］。針對套管的屏蔽，一般選用開路電位較低、使用壽命較長的鋅帶陽極螺旋式纏繞在管道上，每隔2m與管道焊接一次。

3.5 測試裝置的選用與布置

與長輸管道不同，城市型測試樁更強調結實、耐候、美觀、智能及防盜等功能。目前，我國城市燃氣管網測試系統配套裝置還有很大的提高余地，尤其是適應城市環境的普通測試樁、智能測試樁還沒有定型產品，給設計與施工造成了極大不便。拉薩燃氣管網的河流穿越段兩端均采用城市型智能電位測試樁，其他地段按城市型普通電位測試樁、城市型智能電位測試樁兩種類型間隔500m交替布置。測試樁盡可能設置在管道交叉、易發生雜散電流的部位，且盡量安裝在管道沿線中不阻礙通行、土壤腐蝕性強、濕度大、地下水位高的位置。此外，必須注意，城市型智能測試樁主要安裝還應充分考慮氣候影響，當室外氣溫＜-12℃時，智能電位采集儀必須敷設與凍土層之下，避免低溫損壞。

3.6 其他注意事項

（1）雜散電流的影響 電車、電氣化鐵路、以接地為回路的輸電系統等電力系統，都可能在土壤中產生雜散電流，地下管道在沒有雜散電流時，腐蝕電池的兩極電位差只有數百毫伏，而在有雜散電流存在時，管道上的管地電位可能高達8～9V甚至更高，通過的電流最大能達到數百安培，其影響則可以遠達幾十公里的范圍，因此，在進行陰極保護設計時，必須考慮雜散電流的影響，并采取相應的排流措施。

（2）臨時陰極保護 城市燃氣管網由于施工環節影響因素眾多，多采取分段、分片、分期施工方式，施工周期較長，因此，建議在管線陰極保護系統投運之前，考慮實施臨時陰極保護。

4 結束語

對城市燃氣埋地管道采用覆蓋層和施加陰極保護的聯合保護，是行之有效的腐蝕控制措施，已于2003年在CJJ 95-2003《城鎮燃氣埋地鋼質管道腐蝕控制技術規程》中進行推廣應用，預期“涂層加陰極保護”的應用將得到進一步強化。

對城市燃氣管道施加陰極保護是一項專業性較強的防腐蝕技術，應重要注意極化電源及陽極地床的選擇、電絕緣、干擾防護、避免電流屏蔽、測試裝置選用與布置等技術問題，此外，還應考慮雜散電流的影響及采取必要的臨時陰極保護措施，在工程實施過程中，陰極保護系統的設計、施工、運行和維護，必須由專業技術人員執行，或在其指導下慎重進行。

［1］張峰.陰極保護技術在城鎮燃氣管網中的應用［J］.江西建材，2009，30（1）：24-26.

［2］吳蔭順，曹備.陰極保護和陽極保護［M］.北京：中國石化出版社，2007.

［3］李夏喜，丁淑蘭.城市燃氣管線陰極保護技術的應用探討［J］.城市燃氣，2004，13（2）：13-15.

［4］梁峰.帶狀鋅陽極的應用技術［J］.防腐保溫技術，2004，23（1）：22-26.

［5］樸貞花，袁賡，童高田.埋地套管中鋼質燃氣管道的腐蝕與防護［J］.煤氣與熱力，2005，28（5）：21-23.