機場高速燃氣主干管中犧牲陽極的設計與施工應用

摘要：犧牲陽極陰極保護因不需要外加電源，施工方便，無需經常性維護管理，不干擾其他構筑物等優點而被廣泛應用于城市燃氣埋地鋼質管道中。本文介紹了機場高速燃氣主干管加裝犧牲陽極陰極保護工程，分析了電化學腐蝕問題及原理，并從設計和施工環節詳細闡述了犧牲陽極陰極保護的應用。

關鍵詞：腐蝕；犧牲陽極；燃氣主干管；設計

一、前言

城市燃氣管網是城市燃氣基礎設施，負責千家萬戶的燃氣供應輸配，是城市不可缺少的基本能源供應，更是城市生存和發展的前提保障，因此燃氣管網的安全穩定運行勢必與城市的健康發展息息相關。

《城鎮燃氣埋地鋼質管道腐蝕控制技術規程》CJJ95-2003發布之后，埋地鋼管的腐蝕控制由防腐層防腐逐漸轉變為防腐層與陰極保護結合的腐蝕控制。電化學腐蝕是目前埋地鋼質管道區域性腐蝕的主要原因，在電化學反應中，陽極的鋼管因失去電子而發生腐蝕。

陰極保護就是利用外加手段迫使電解質中被保護金屬表面都成為陰極，以達到抑制腐蝕的目的[1]。陰極保護技術可分為犧牲陽極陰極保護法和外加電流陰極保護法。犧牲陽極陰極保護法因其安裝維護費用低、干擾少、利用率高等優點而在城鎮燃氣埋地管網中廣泛使用。

二、機場高速燃氣主干管犧牲陽極的設計

（一）工程概況

本工程項目為南北走向DN400主干管，約17公里，路由大部分位于快速路的西側綠化帶處，并有部分過涌明管。管線于2002年建成并投用，全路段在設計施工時沒有安裝陰極保護。該路段因地勢地貌改變，施工防腐層破損，環境潮濕等原因出現部分腐蝕漏氣點，主要是放散管或凝水缸等防腐層相對薄弱的地方。

2012年對該全段管道進行全面的防腐層評估，發現有部分一類破損點及二類破損點，主要是位于凝水缸位置和放散管位置防腐情況比較差，但整體防腐層評價為良。

（二）犧牲陽極的種類選擇

犧牲陽極是依靠陽極與被保護金屬管道之間產生電位差而產生電流來達到陽極犧牲、陰極極化的效果。因犧牲陽極陰極保護不需要外加電源，施工方便，不會對周圍構建筑物造成干擾，使用后無需維護，造價低利用率高等優點而在城市燃氣管網中廣泛利用。目前常用的陽極材料有鎂與鎂合金、鋅、鋁合金三大類。鎂陽極適用于各種環境，尤其在土壤及淡水中性能最佳，其表面不容易極化，腐蝕產物比較容易脫落[2]。

根據經驗[3]，土壤電阻率ρ=60-100時推薦使用高電位純鎂系或鎂錳系陽極，ρ=15-60時推薦使用鎂鋁鋅錳系鎂陽極，ρ<15時推薦使用鎂鋁鋅錳系鎂陽極或鋅合金陽極。該工程段平均土壤電阻率為35.12Ω.米，因此選擇鎂鋁鋅錳合金陽極。

（三）犧牲陽極電流密度的選擇

影響陰極保護電流密度的因素主要有防腐層類別及質量、環境條件、被保護金屬的種類等。不同類型因素的影響，犧牲陽極陰極保護電流密度的選擇差異比較大[4]。該工程防腐采用的是三層PE防腐，根據實踐得到的數據三層PE防腐的保護電流密度為0.1-0.2mA.m-2，考慮到該段管道已經投用12年，防腐層已經出現部分破損，埋地閥門的防腐性能較差等原因，選取保護電流密度為0.2mA.m-2。

（四）陽極包的安裝數量

犧牲陽極包的安裝數量可以直接根據經驗公式計算，考慮理論與實際的差異，管網已經投用12年，備用系數選2.5，根據工程現狀，選擇陽極類型為14KG陽極，單支陽極保護電流通過土壤電阻率計算出為45.4 mA。

（五）犧牲陽極的設計使用壽命

犧牲陽極陰極保護系統的設計中，考慮到實際投用中的一些其他因素的消耗，因此應保證犧牲陽極的使用壽命與受保護管道的壽命相同或稍長。本工程因為已投用12年，但考慮采用的是防腐效果比較好的三層PE防腐，而且管道位于綠化帶內，受其他干擾比較少，因此犧牲陽極的設計壽命考慮應≥25年。

三、機場高速燃氣主干管犧牲陽極的施工

（一） 犧牲陽極的埋設

考慮本工程管道已投用12年，經檢測存在較多的防腐層破損點，同時考慮到雜散電流的干擾，采取的是犧牲陽極床的設置。但是在實際的開挖施工中，因為開挖條件限制、管道埋深等原因，工作坑不能大面積開展，因此在部分區域實施按陽極包數量開挖工作坑，陽極包距離管道不少于1米，并用VV-1kV/1X10mm2銅芯電纜連接，通過去耦合器、測試樁與管道連接。

陽極包放入陽極坑后，對坑內澆水，浸泡水位超過陽極包，并浸泡24小時以上，以便徹底浸沒陽極包。在開挖過程中發現有部分沙質等電阻率高的土壤，該土壤不能直接回填，另取黑土或黃土等電阻率小的細土回填，嚴禁砂石、水泥塊、塑料等雜物回填。

（二）防腐層破損點的修復

2012年對該全段管道進行全面的防腐層評估，發現有破損點，主要集中位于凝水缸位置和放散管位置防腐情況比較差，但整體防腐層評價為良。凝水缸缸體以上部分有鍍鋅管的防腐，因地貌改變埋入地下，在原電池中形成陽極被優先腐蝕，因此也是造成多次多個凝水缸放散管腐蝕泄漏開挖的原因。本次加裝犧牲陽極后這類破損點位置如果不采取保護，將是電流的泄漏點，可能造成陽極消耗過快，也可能因電流過大而造成陽極極化失效，同時由于電流的泄漏使部分管道得不到有效的保護。

管道防腐層破損點檢測定位常用的間接檢測方法有管內交流電流衰減發（PCM法）、直流電位梯度法（DCVG法）、皮爾遜法（Pearson法）。 該管道的檢測使用的是PCM法和皮爾遜法相結合，并主要對防腐層的一類破損點采取開挖修復措施，并對其他破損點進行跟蹤，定期維護修復。一類破損點：防腐層破損嚴重或破損面積較大，已經失去防腐作用，相當于管道裸露在土壤中。開挖修復主要的措施是廢除放散管，并做好管道的防腐，防腐材料為無溶劑液體環氧涂料。無溶劑環氧涂料主要以改性環氧樹脂作為主要成膜物，利用活性稀釋增韌劑實現無溶劑化。賦予涂層良好的粘結力，能起到良好的涂層屏蔽作業和防腐作用。

（三）犧牲陽極的其他輔助設施

雜散電流的干擾。陽極包與去耦合器連接，去耦合器能安全有效的控制管道上交流故障電流或雷電流對埋地管道的影響，能夠有效防止因雜散電流而發生的管道腐蝕，延長管道的使用壽命。同時，又能防止雜散電流在管道上匯集后對通信線路的干擾。

沒有絕緣體就沒有陰極保護。該主干管的支管段主要是PE管道，不會因為電流的泄漏而影響犧牲陽極的保護。該安裝陰極保護的主干管兩端閥門處，以及與另一主干管的連接閥門處都有絕緣接頭，經過測試電絕緣性能良好，能有效保護犧牲陽極電流。

實踐證明，絕緣接頭處不宜安裝接地電池，因為龐大的接地網會造成非保護側接地電池的快速消耗，而且容易漏失電流造成犧牲陽極的大量消耗，因此考慮以上因素，在絕緣接頭處通過跨接電纜以及設置避雷器保護絕緣接頭。

四、結論分析

按照設計圖紙要求完成全部施工作業后，對每個安裝點進行了檢測，具體檢測數據如下：（表1）

各項檢測數據都在正常保護范圍內，說明該段管道的保護率達到100%，完全滿足管線陰極保護的要求。保護電位和保護電流處于正常保護范圍，說明該段管道的防腐層沒有明顯的破損情況。

該主干管加裝犧牲陽極陰極保護后，陽極包選擇、土壤的回填、電流的選擇以及年限的設置等指數的運行情況將對現有燃氣管網加裝犧牲陽極陰極保護有極大的參考意義。

犧牲陽極安裝后能有效控制現有的腐蝕，減緩現有燃氣管道的腐蝕速率，從而有效減少因腐蝕泄漏而造成的開挖，降低管網運行風險及成本。

參考文獻：

[1]張繼超，宋祎昕，陳揚，苗文高.埋地燃氣管道犧牲陽極陰極保護法的改進[C].重慶科技學院學報，2011，10：56-58.

[2]石宇煦.天然氣管道犧牲陽極保護技術[J].上海燃氣，2004，（01）：23-26.

[3]戴路.燃氣輸配工程施工技術[M].北京：中國建筑工業出版社，2006，264-269.

[4]王亞平，康志剛，孫權，高鵬，李志，張燕.埋地鋼質燃氣管道犧牲陽極陰極保護設計[J]. 煤氣與熱力，2008，（01）：13-17.

[作者簡介]鐘凱（1981-），男，廣東蕉嶺人，碩士研究生，主要研究方向為管網運營管理。