在役燃氣管網追加強制電流陰極保護關鍵技術

岑 康 王 磊 孫華鋒 韓 滔 王 飛

1.西南石油大學土木工程與建筑學院 2.中國石油西南油氣田公司輸氣管理處成都輸氣作業區3.中國石油西南油氣田公司管道管理部

0 引言

截至2017年底，國內城鎮燃氣管網總長度已達到62.3×104km[1]。隨著服役時間的延長，腐蝕失效必將成為埋地鋼質燃氣管道失效的主要形式之一[2-3]。據統計，1962—2016年英國陸上管道因腐蝕失效比例為21.3%，僅次于外部干擾[4]。2006—2016年歐洲天然氣管道腐蝕失效的比例為25%，僅次于外部干擾[5]。川渝地區油氣管道運行43年以來，由于腐蝕導致的失效比例達到39.5%[6]。由于燃氣管網常處于人口稠密地區，輸送介質為易燃易爆氣體，一旦發生腐蝕穿孔泄漏，極易引發火災、爆炸等惡性事故，嚴重威脅周邊居民的生命和財產安全[7]。

實踐證明，采用外防腐層和陰極保護相結合的方式，可有效防止鋼質管道腐蝕[8]。由于強制電流陰極保護可能對鄰近金屬構筑物存在一定雜散電流干擾，在燃氣管網腐蝕防護中應用較少。目前，在役燃氣管網主要采用犧牲陽極的陰極保護法[9]。但由于強制電流法具有輸出電流大且可調、保護范圍廣、較犧牲陽極法土石方開挖量大大降低、在城區易于實施等顯著優點，福州、北京等少數城市先后嘗試將強制電流陰極保護技術運用于城區埋地鋼質燃氣管網的腐蝕防護上[10-11]。

然而，在役燃氣管網環枝結合、結構復雜，分布于城市的大街小巷，分支和附屬設備設施多，建設投運時間不一致，外防腐層類型多且質量參差不齊，管道防腐層破損點多，閥門一般也沒有進行專門的絕緣處理，且雜散電流干擾源多。在運營過程中，可能還間或埋設有聚乙烯管道、犧牲陽極包、絕緣接頭等，但又未準確標注在管網圖上。上述特殊性，導致在役燃氣管網追加陰極保護設計過程中，往往面臨管網電連續性時斷時續、防腐層絕緣電阻值變化大、管網末端絕緣改造工作量巨大等難題，給其設計與調試工作帶來了很大的挑戰和不確定性。

針對上述問題，在總結在役燃氣管網追加強制電流陰極保護設計流程的基礎上，對管網電連續性檢測、陰極保護分區、陰極保護電流強度、管網電絕緣性改造（樓棟調壓箱、閥門、防腐層破損點）方案優化等關鍵問題進行研究。此外，對樓棟調壓箱前法蘭絕緣改造前后的電阻進行實地測試，并對各種絕緣改造方案進行技術經濟對比分析，旨在為在役燃氣管網追加強制電流保護提供借鑒。

1 追加陰極保護設計流程

對在役燃氣管網追加強制電流保護設計工作進行總結，提出了優化的設計流程，如圖1所示。首先根據電連續性檢測結果，確定陰極保護對象和陰極保護方案。然后劃分保護分區，確定陰極保護站的位置，并開展饋電試驗。若饋電試驗效果較差，分區內的部分管道達不到有效保護，應調整保護分區，并重新開展饋電試驗；反之則確定陽極井的數量，對陽極井的地質參數進行勘察，并確定深井陽極地床深度等參數。最后對管網的電絕緣性改造方案進行優化。

圖1 在役燃氣管網追加陰極保護設計流程圖

2 陰極保護設計關鍵問題

2.1 陰極保護對象及其電連續性

在役燃氣管網包括市政輸配干網和用戶管道等。其中市政輸配干網管徑較大、輸送壓力較高，一旦發生腐蝕穿孔，極易引發火災、爆炸等惡性事故。且市政輸配干網的防腐層質量往往較好，對其追加陰極保護可以獲得良好保護效果，能有效降低管網運行風險。而用戶管道則往往存在防腐層質量較差、與外部金屬結構搭接等問題，嚴重影響陰極保護實施效果。針對這一情況，可依據用戶管道電連續性檢測、饋電試驗的結果，綜合判斷管道防腐層的質量和漏電情況。對于防腐層質量較好、漏電不嚴重的用戶管道，可考慮將其納入陰極保護范圍。而對于防腐層質量較差、漏電嚴重的用戶管道，則不對其追加陰極保護，以免影響陰極保護系統的整體效果。

管道的電連續性是陰極保護的前提條件。在役燃氣管網中部分位置可能安裝有聚乙烯管道、絕緣接頭、犧牲陽極包，且大部分未有標識，導致管道的電連續性較差，應采用PCM+等儀器對其開展電連續性檢測。需要排查的問題包括：①對管網中的聚乙烯管道、已建絕緣接頭進行準確定位；②查找原有犧牲陽極包的安裝位置；③排查燃氣管道與外部金屬結構搭接的情況。檢測時，電流測量點應沿管道均勻分布，以便根據管道沿線電流變化趨勢來判斷管道的漏電、搭接、電流屏蔽與已建絕緣接頭等情況。

2.2 陰極保護分區及保護電流強度

2.2.1 陰極保護分區

針對在役燃氣管網結構復雜、難于實施土石方開挖等特點，推薦采用強制電流法進行陰極保護。對強制電流保護區域內無法達到有效保護的管道，應采用犧牲陽極法進行補充保護。受最大和最小保護電位的限制，一個強制電流陰極保護站的保護范圍有限，應將保護區域內的管道劃分為若干個相對獨立的保護分區。而在現有標準中，尚未提出適用于在役燃氣管網追加強制電流陰極保護的分區方法[12]。

針對上述情況，提出在役燃氣管網陰極保護分區步驟：①根據河流和鐵路的走向、管道防腐層的類型和等級、管道拓撲結構、電連續性檢測結果，對保護區域進行初步分區，確定擬建陰極保護站的位置；②在各個擬建陰極保護站的位置開展聯合饋電試驗，模擬整個陰極保護系統的實際運行狀態，在饋電試驗過程中，應確保管道充分極化后，再測量其陰極保護電位與電流強度[13]；③結合聯合饋電試驗結果，分析管道陰極保護電位分布、深井陽極地床處電流發散性、管道沿線電流漏損點和雜散電流干擾情況，對保護分區邊界、深井陽極地床數量與位置進行調整和優化。

饋電試驗系統由電源設備和臨時陽極地床組成。電源采用連續、穩定、可調的直流電源輸出，可根據管道的極化情況調整輸出電流的大小，確保管道的極化效果。臨時陽極地床采用鍍鋅角鋼或接地模塊，且臨時陽極地床的接地電阻應控制在較低水平，便于電源設備輸出較大的電流。由于接地模塊可能出現與地下其他金屬結構搭接等情況，容易對電流的走向產生直接影響。因此，推薦采用現場埋設角鋼的方式制作臨時陽極地床，并通過調整角鋼埋設數量來控制接地電阻。饋電試驗可選擇臨時陽極地床附近的閥井、露空管段作為饋流點。而電位測試點可選擇管道沿線的閥井、樓棟調壓箱前的露空管段等便于測試的位置，且測試點應盡量均勻分布。

2.2.2 陰極保護電流強度

陰極保護電流強度可以通過經驗法或饋電試驗確定[13]。經驗法是根據文獻或標準規范，選取類似管道的保護電流密度推薦值，再根據被保護管道的表面積來計算保護電流強度。新建管道的保護電流密度可根據管道外防腐層的絕緣電阻值確定。而在役燃氣管網隨著服役時間的增加，防腐層逐漸老化、破損，絕緣電阻值降低，導致保護電流密度的需求量增大。因此，經驗法不適用于確定在役燃氣管網的保護電流強度。

饋電試驗模擬陰極保護站對擬追加陰極保護的管道施加臨時陰極保護，可相對直接、準確地獲取所需保護電流強度，為電源設備的選型、深井陽極地床接地電阻的控制提供參考依據。例如，四川省綿陽市高新區部分燃氣管網（約5 km），采用直流電焊機輸出48 V/28 A的電流進行饋電試驗。管道通電極化4 h后，管道沿線的自然電位和通/斷電電位的測量值如表1所示，電位隨時間的變化趨勢如圖2所示。根據陰極保護準則可知，電源設備輸出28 A的保護電流時，該管網能夠達到有效保護。此外，5 km的管道極化4 h后，通電電位波動較小，斷電電位趨于穩定，可以避免因極化時間不足引起的電位測量誤差。因此，根據饋電試驗數據，強制電流陰極保護系統電源設備宜選用50 V/50 A或以上規格。

表1 管道沿線電位表

斷電電位的測量應在斷電0.5 s之后進行[14]，也可使用脈沖示波器記錄斷電后電位的變化曲線。此外，需連續24 h測量電氣化鐵路對管道的干擾情況。當交流電流密度大于等于30 A/m2時，應采取排流措施[15-16]。

開展饋電試驗前，應在保護管道與未保護設施之間安裝電絕緣裝置，使饋電區域內實施陰極保護的埋地管道與外部結構徹底絕緣。然而，在役燃氣管網難以做到饋電區域與外部結構的徹底絕緣。如閥門絕緣處理不當、樓棟調壓箱與接地系統相連等，均會導致絕緣不徹底。同時城鎮埋地管網結構復雜，可能存在與其他金屬管道搭接等情況，也會導致保護電流大量流失。因此，根據饋電試驗結果，如何準確確定保護電流強度還有待進一步研究。

2.3 深井陽極地床及深度確定

強制電流采用的陽極地床主要分為淺埋點狀、深井、水平和分布陽極地床[17]。其中，深井陽極地床不受地形限制，對外界結構干擾小[18]，能提供更均勻的電流分布，適用于埋地鋼質管道或金屬結構密集區域的管道陰極保護。因此，根據在役燃氣管網的特點，對其追加強制電流陰極保護時，推薦采用深井陽極地床。

深井陽極地床應位于保護管網的中心位置，并盡量與現有燃氣站場合建，便于增大保護范圍，提高土地利用效能。深井陽極地床對外界金屬結構可能存在一定干擾。在確定深井陽極地床位置時，應采取適當措施，以盡量減小相應干擾的不利影響。常見的措施包括：①確保深井陽極地床與被保護管道之間無其他金屬結構；②避開重要的金屬結構，或與其保持足夠的安全間距；③根據地質構造和地下土壤電阻率分布等情況，盡量將接地電阻控制在1 Ω以下，并盡量增大深井陽極地床的埋深；④監測深井陽極地床周圍的電位梯度，當土壤電位梯度大于2.5 mV/m時，應采取排流措施[16]。

可根據深井陽極地床勘察報告中提供的縱向土壤電阻率分布、地下水位等參數，合理確定深井陽極地床的深度，盡量減小其接地電阻，可有效降低電源輸出電壓（功率），進而減少對外部設施的干擾。某深井陽極地床所在位置的地下土壤電阻率分布如圖3所示。地下水位深度為8.1 m。隨著井深的增加，平均土壤電阻率在22.9～56.2 Ω·m范圍內波動。當井深大于84 m時，土壤電阻率急劇增大，因此建議深井陽極地床深度不超過84 m。根據陽極體的選用情況，選取陽極段長度中點深度的土壤電阻率值，計算校核深井陽極地床的接地電阻（小于1 Ω），確定陽極體長度和深井陽極地床深度。

圖3 某深井陽極地床土壤電阻率分布圖

2.4 管網電絕緣性改造方案優化

2.4.1 樓棟調壓箱改造

樓棟調壓箱位于管網末端，一般通過膨脹螺栓或支架安裝于永久性承重墻上，底部距地坪的高度約1.5 m，用于將燃氣從中壓調壓至用戶所需壓力。部分樓棟調壓箱的進氣管上焊接有鍍鋅扁鋼等接地線，并通過小區防雷接地網或人工接地極接地，如圖4所示。對管道施加陰極保護后，如果樓棟調壓箱處不絕緣，保護電流將會通過此處流失，將直接影響整個陰極保護系統的正常工作。由于樓棟調壓箱數量巨大，其對應的電絕緣性改造工作量也非常大。

為評價樓棟調壓箱在未進行電絕緣性改造前的漏電情況，對中石油南充燃氣有限責任公司、成都新都港華燃氣有限公司轄區內共計42個樓棟調壓箱前法蘭的電阻值進行了實地測量，如圖5所示。測量方式如下：①將法蘭和管道表面的防銹漆刮除，并將其表面打磨出金屬光澤；②將2根導線的一端分別與萬用表的紅黑表筆連接，另一端通過磁鐵分別固定在法蘭盤和管道上；③調節萬用表檔位，測量法蘭兩端的電阻值。

法蘭絕緣改造前電阻測量結果的頻數分布直方圖及分布曲線如圖6所示。采用統計產品與服務解決方案（Statistical Product and Service Solutions，SPSS）軟件，對法蘭絕緣處理前的電阻樣本進行非參數檢驗，表明法蘭絕緣處理前的電阻值服從正態分布。此外，當置信概率為95%時，法蘭絕緣處理前電阻的置信區間為 [28.6 Ω，37.6 Ω]。

圖4 樓棟調壓箱及其接地系統照片

圖5 法蘭電阻的測量照片

圖6 法蘭絕緣改造前電阻值頻數分布直方圖

在最不利狀態下（即法蘭兩端的電位差最大，假定法蘭前端為最大保護電位－1.2 V，法蘭后端為管地電位－0.50 V），根據絕緣處理前法蘭電阻值的置信下限，估算最大漏電量為24.48 mA。上述結果表明，樓棟調壓箱的漏電量較大，必須對其進行電絕緣性改造才能確保陰極保護系統的正常運行。可能的電絕緣性改造方案如下。

1）方案1：樓棟調壓箱進氣管道上焊接絕緣接頭。樓棟調壓箱進氣管上無法蘭的，經停氣、置換后，將進氣管割斷，焊接絕緣接頭。

2）方案2：樓棟調壓箱進氣管道上安裝法蘭連接式絕緣接頭。樓棟調壓箱進氣管上安裝有法蘭的，采用法蘭連接式絕緣接頭，通過預制法蘭盤與原有法蘭盤進行螺栓連接，替換進氣閥后法蘭盤之間的燃氣管道，如圖7所示。

3）方案3：采用絕緣緊固件替換普通法蘭螺栓。當樓棟調壓箱前帶法蘭盤時，通過在原法蘭螺栓外增加絕緣膠帶，在原鋼墊圈與法蘭盤之間加裝絕緣墊圈，對樓棟調壓箱進行電絕緣性改造[11]（圖8-a）。聚四氟乙烯材料具有優良的絕緣性能，以及較強的耐輻照性能和較低的滲透性，即使長期暴露于大氣中，其性能仍可保持不變。因此，絕緣膠帶可考慮選用聚四氟乙烯生料帶或絕緣電工膠布，絕緣墊圈選用聚四氟乙烯墊片，絕緣緊固件如圖8-b、c所示。此改造方案施工難度小、效率高，能顯著減少改造時間，降低改造成本。

為了評價方案3的絕緣效果，對改造后的法蘭電阻進行測試，結果如表2所示。根據法蘭絕緣改造后的電阻值，估算平均漏電量為0.001 7 mA。法蘭絕緣處理后的電阻雖然低于相關標準[19]中規定的絕緣接頭、絕緣法蘭的絕緣電阻值應高于20 MΩ的要求，但其電流漏損量與改造前相比，已大大降低。可通過適當增大保護電流來彌補，只會增加少許電費支出，屬于可接受范圍。因此，通過增設絕緣膠帶、絕緣墊圈可以達到絕緣效果。

圖7 法蘭連接式絕緣接頭安裝圖

圖8 增設絕緣膠帶、絕緣墊圈的改造原理圖

表 2 絕緣改造后的法蘭電阻值表 MΩ

對上述3種改造方案進行綜合技術經濟對比分析（表3）。由表3可知，若樓棟調壓箱前安裝有法蘭時，建議采用增設絕緣膠帶、絕緣墊圈的改造方案；無法蘭時，則采用焊接絕緣接頭的改造方案。

2.4.2 閥門改造

在役燃氣管網的部分閥門在涂刷防銹漆后，埋設在閥井內。部分閥門銹蝕嚴重，存在較嚴重的漏電情況，如圖9所示。為了減少保護電流的漏損量，應對其進行電絕緣性改造。

表3 電絕緣性改造方案技術經濟對比表

圖9 埋地閥門現狀照片

燃氣管網系統的閥井數量眾多，改造工作量大，短期內無法完成。可根據電連續性檢測、饋電試驗、陰極保護系統調試等結果，判斷不同閥門的漏電嚴重程度，進而制訂合理的改造計劃。對電流漏損嚴重的閥門，可采用將其整體更換為電絕緣性更好的直埋閥等方式，優先進行改造。而電流漏損相對較輕的閥門，可通過外包橡膠墊、加纏熱縮帶、包覆粘彈體防腐膏等方式，對閥門及兩側露空管道進行電絕緣性改造。

2.4.3 管道外防腐層修復

在役燃氣管網的防腐層多以石油瀝青和三層PE為主。目前，常用的外防腐層修復材料有冷纏帶、熱收縮帶、無溶劑液體環氧涂料和粘彈體材料等[20]。然而，部分管道埋設在機動車道下，不便于對其破損點進行開挖修復。因此，可根據電連續性檢測、PCM檢測和陰極保護系統調試結果，判斷破損點的漏電情況與修復難易程度，制訂合理的修復計劃。對防腐層破損較大、漏電較為嚴重的位置優先進行修復。

3 結論

在役燃氣管網結構復雜，追加強制電流陰極保護設計時，需考慮管道參數、地形、干擾等諸多因素。總結了在役燃氣管網追加強制電流陰極保護設計的思路，并對設計中面臨的管道電連續性、保護分區劃分、保護電流強度確定、管網電絕緣性改造方案等關鍵技術問題進行分析，提出以下解決辦法：

1）市政干網應追加陰極保護，用戶管道應根據其電連續性檢測、饋電試驗結果，判斷是否具備追加陰極保護的條件。可利用PCM+等儀器，排查影響管道電連續性的各種因素，確保管道的電連續性。

2）綜合考慮防腐層的類型和質量、管道拓撲結構、電連續性檢測、河流和鐵路的分布等情況，進行初步分區。開展饋電試驗，確定各分區所需保護電流強度，并對深井陽極地床的數量和位置進行優化。

3）在役燃氣管網追加強制電流時，推薦采用深井陽極地床。通過深井陽極地床勘察結果確定深井陽極地床的深度，盡量減小其接地電阻，以降低電源設備的輸出電壓和功率，進而減少對外部金屬結構的干擾。

4）當樓棟調壓箱前安裝有法蘭時，推薦采用增設絕緣膠帶、絕緣墊圈的絕緣改造方案；無法蘭時，則采用焊接絕緣接頭的絕緣改造方案。

5）根據電連續檢測、陰極保護系統調試等結果，判斷閥門、管道防腐層破損點的漏電情況與修復難易程度，制訂閥門、防腐層破損點絕緣改造計劃。