大口徑頂管穿越段管道陰極保護實踐

俞 翔， 茅斌輝， 祝俊宗， 劉 國

(1.杭州市城鄉建設設計院股份有限公司，浙江 杭州310004；2.北京凱斯托普科技有限公司，北京100102)

1 概述

非開挖敷設管道技術在近年得到了廣泛應用。目前，新建天然氣管道施工涉及的非開挖技術主要有頂管、水平定向鉆、盾構等。由于該技術不需要開挖面層，能穿越地面構筑物、公路、鐵路、河流等，在節省投資、縮短工期的同時，也大大降低了對周邊環境的影響[1]。

從西二線復雜地質河流穿越工程的實踐來看，大口徑管道在河流穿越施工時，往往因地質條件所限無法進行水平定向鉆穿越，且因穿越距離較短，采用盾構穿越經濟性較差，因此頂管穿越施工成為優先考慮的方案[2]。在頂管穿越施工過程中，往往不可避免會對管道防腐層造成損傷。此外，由于管道埋深較深且頂管隧道內通常為充水狀態，施工完成后，穿越段管道的檢修維護將變得困難。因此，如何解決頂管穿越段大口徑管道的防腐蝕問題，做好穿越段管道陰極保護方案就顯得尤為重要。

2 大口徑頂管穿越管道陰極保護存在問題

頂管穿越段大口徑管道的陰極保護方法與常規管道的陰極保護方法一致，同樣分為強制電流陰極保護法和犧牲陽極陰極保護法，但由于頂管穿越段管道的特殊性，在具體陰極保護方案的制定上與常規管道又有一定區別。在頂管穿越段大口徑管道的陰極保護方案設計之前，除了對管道管材、規格、防腐層等基本情況確定之外，管道整體陰極保護方案與穿越段管道陰極保護方案的銜接問題、強制電流陰極保護方案的外部條件是否具備都是首要解決的問題。

① 管道整體與穿越段管道陰極保護銜接問題

如果管道整體采用強制電流陰極保護方案，則穿越段管道陰極保護采用下列兩種方案。方案一：穿越段管道采用犧牲陽極陰極保護，則犧牲陽極作為穿越段陰極保護電流的補充，穿越段兩端可以不設置絕緣裝置，如果增加絕緣裝置，則穿越段兩端需做跨接以保證整體線路的電連續。方案二：穿越段管道采用強制電流陰極保護，則穿越段兩端不設絕緣裝置且不設跨接。

如果管道整體采用犧牲陽極陰極保護方案，則穿越段管道陰極保護采用下列兩種方案。方案一：穿越段管道采用犧牲陽極陰極保護，則穿越段兩端不設絕緣裝置且不設跨接。方案二：穿越段管道采用強制電流陰極保護，從確保穿越段陰極保護效果避免電流散失的角度出發，建議穿越段兩端增加絕緣裝置并做好穿越段兩端跨接，以保證整體線路的電連續。

② 強制電流陰極保護方案條件是否具備

強制電流陰極保護系統主要由直流電源、陽極地床、參比電極及連接電纜組成。常規的電源設備如恒電位儀通常需要從市電取電，而管道穿越工程通常在野外，因此是否方便取電是強制電流陰極保護方案能否順利實施的一個關鍵問題。此外，陽極地床無論采用深井陽極還是淺埋陽極通常都會涉及到征地問題，穿越段兩端地質條件對陽極地床方案也會帶來較大影響。相對強制電流陰極保護方案，犧牲陽極陰極保護對外部條件的依賴要小得多。

因此，頂管穿越段管道的陰極保護方案，從建設的難易程度、投資、工期及后期運行維護來看，采用犧牲陽極陰極保護優于強制電流陰極保護。

3 頂管穿越管道犧牲陽極陰極保護實踐

3.1 工程概況

本工程為杭州市天然氣利用工程富陽西線S16-4天然氣高壓管道頂管穿越富春江工程。穿越管道規格為D610×12.7，管材為直縫雙面埋弧焊鋼管，采用3PE加強級防腐層。富陽西線天然氣高壓管道全線采用強制電流陰極保護方式。穿越段位于富春江窄溪大橋上游約32 m處，起點為富陽市淥渚鎮新港村的農田，終點為桐廬縣江南鎮的空地。采用頂管法隧道穿越，穿越工程的工作豎井與接收豎井中心水平距離為658 m，隧道(混凝土套管)內直徑為2 400 mm，外直徑為2 860 mm，長648.6 m，管道施工完成后隧道內充水。

3.2 穿越段犧牲陽極陰極保護方案

該工程穿越距離長，沿線地質條件復雜。根據現場踏勘情況，采用強制電流陰極保護方案涉及供電、征地等外部條件不具備，因此對穿越段采用犧牲陽極陰極保護方案。

針對頂管穿越段大口徑管道的犧牲陽極陰極保護，在設計階段對采用塊狀鋅陽極和帶狀鋅陽極兩種方案分別進行了設計計算，為滿足犧牲陽極設計使用壽命要求，最終確定采用塊狀鋅陽極方案，具體陰極保護方案如下。

① 考慮到富陽西線天然氣高壓管道全線采用強制電流陰極保護方式，且在穿越段前后廠站均設計有深井陽極陰極保護站，穿越段犧牲陽極作為線路陰極保護電流的補充，在穿越段兩端不設置絕緣裝置。

② 頂管穿越段管道陰極保護采用2組(1組4支，共計8支)ZP-3鋅合金陽極，單支陽極質量為24.5 kg，長800 mm，縱截面為梯形，上、下邊長分別為60 mm、80 mm，高65 mm。兩組陽極分別布置在距離兩側固定墩約250 m左右位置，每組陽極通過穿越段兩側電位測試樁(以下簡稱測試樁)與管道連接。頂管穿越段沿線每隔200 m設置一組參比電極(銅/飽和硫酸銅參比電極、鋅參比電極各1支，1用1備)，用于管道保護效果測試，參比電極共4組8支。頂管穿越段兩側各設測試樁1支，共2支。每個電位測試樁接線面板上有6個端子，其中1個端子通過電纜與管道連接，1個端子通過電纜連接塊狀鋅陽極，其余4個端子分別連接2個銅/飽和硫酸銅參比電極和2個鋅參比電極。頂管穿越段管道犧牲陽極陰極保護設置見圖1，現場照片見圖2。

圖2 頂管穿越段管道犧牲陽極陰極保護現場照片

圖1 頂管穿越段管道犧牲陽極陰極保護設置

③ 每套緊固件設置1支ZP-3鋅合金陽極，用于緊固件的陰極保護，鋅合金陽極通過電纜與鋼扣帶連接，共58套。緊固件犧牲陽極陰極保護設置見圖3。

圖3 緊固件犧牲陽極陰極保護設置

3.3 陰極保護方案的注意事項

① 緊固件材質及防腐要求

除對穿越段管道本身進行陰極保護設計外，同時對固定管道用的鋼扣帶等緊固件進行了陰極保護設計。為避免不同金屬搭接產生的電偶腐蝕，管道緊固件螺柱、螺母、螺栓及鋼扣帶均應采用同種碳鋼材質，螺柱、螺母不得采用不銹鋼材質，這點往往在設計中容易忽略。此外，安裝后的螺柱、螺母、螺栓等暴露部分建議采用粘彈體材料進行密封處理。

② 犧牲陽極的接線要求

用于管道陰極保護的塊狀鋅陽極通過測試樁與管道連接，同時為確保能夠檢測穿越段全線陰極保護效果，每隔200 m設置一組參比電極，參比電極接線分別引至兩側測試樁。用于緊固件陰極保護的塊狀鋅陽極通過電纜與鋼扣帶焊接連接，無需通過測試樁。

③ 犧牲陽極、參比電極及電纜的固定

管道及緊固件陰極保護用的塊狀鋅陽極均通過塑料管夾固定于隧道內的混凝土墊層上。每支塊狀鋅陽極用2個寬度80 mm的塑料管夾進行固定，施工完成后應確認固定牢固，防止水流沖擊將陽極沖散。參比電極通過聚乙烯膠帶固定在管道上方，聚乙烯膠帶固定要求纏繞管道2圈，并在搭接處采用補傷片封口固定。連接參比電極的電纜沿管道上方敷設，每隔10 m用聚乙烯膠帶纏繞固定，聚乙烯膠帶固定同樣要求纏繞管道2圈，并在搭接處采用補傷片封口固定。

3.4 陰極保護效果

自2016年建成投運至2019年底，定期對4組參比電極管道電位監測數據進行統計，得知銅/飽和硫酸銅參比電極管道電位為-1.16～-0.97 V，鋅參比電極管道電位為-0.01～0.12 V，IR降按本線路強制電流陰極保護段平均值100 mV計算，可以判斷該穿越段管道陰極保護最小保護電位和限制臨界電位均可以滿足GB/T 21447—2018《鋼質管道外腐蝕控制規范》第6.1.2.2和6.1.2.3款的要求。飽和硫酸銅參比電極比標準氫電極電位正316 mV，鋅參比電極比標準氫電極電位負800 mV。本文提出的針對頂管穿越段大口徑管道的犧牲陽極陰極保護方案，具有投資省、工期短、效果好等特點。

4 結語

大口徑管道的頂管穿越在今后的工程實踐中會越來越多地遇到。目前對于頂管穿越段大口徑管道的陰極保護，特別是管道整體采用強制電流陰極保護方案的，是否有必要對頂管穿越段管道進行專項陰極保護設計，在業內還存在一定的分歧。在不確定管道整體強制電流陰極保護系統能夠完全保護穿越段管道的情況下，提出頂管穿越段管道的陰極保護專項方案是合理的，也是有必要的。