犧牲陽極陰極保護輔以鋅包鋼接地體法的應用

鄭 聰, 姚世航, 何 強

(1.臺州市能源集團有限公司, 浙江 臺州 318000; 2.臺州市城市天然氣有限公司, 浙江 臺州 318000)

1 概述

埋地鋼質燃氣管道長期埋于地下,隨著時間推移和地下情況多變,不可避免會產生腐蝕現象,近年來因腐蝕漏氣導致的燃氣爆炸事故時有發生,安全形勢嚴峻。2022年全年共收集到媒體報道的國內燃氣事故802起,造成66人死亡,487人受傷,其中較大事故10起。

埋地設施的防腐尤為重要。犧牲陽極陰極保護是燃氣廠站埋地設施較為常用和有效的防腐手段,但其缺點也很明顯:由于土壤環境不同,部分地區的陽極消耗量大;在高電阻的土壤環境下該手段可能無效;陽極更換費用較高。

2 犧牲陽極陰極保護輔以鋅包鋼接地體法

燃氣廠站采用傳統犧牲陽極陰極保護法(見圖1),是采用鍍鋅鋼接地體保護地上管道,采用陽極保護地下管道,且應該通過安裝絕緣接頭使陽極和鍍鋅鋼接地體處于絕緣狀態。而實際工程中,陽極和鍍鋅鋼接地體往往做不到絕緣,進而導致大量陰極保護電流優先保護褪去鋅層保護的鍍鋅鋼接地體,使燃氣管道無法得到有效保護,陽極消耗極為嚴重,保護電位無法滿足GB/T 21448—2017《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》的相關要求。

圖1 傳統犧牲陽極陰極保護法

為解決該問題,以犧牲陽極陰極保護輔以鋅包鋼接地體方法(見圖2)代替傳統犧牲陽極陰極保護法,即以鋅包鋼接地體代替鍍鋅鋼接地體,且不安裝絕緣接頭,陽極和鋅包鋼接地體不進行絕緣。

鋅包鋼與鍍鋅鋼均為將鋅層包覆在圓鋼的表面,但是鋅層厚度不同,鍍鋅鋼的鋅層很薄,容易消耗,而鋅包鋼的鋅層較厚。

3 鋅包鋼

從目前國內情況來看,常用的接地體材料有銅、鍍鋅鋼和鋅包鋼。根據文獻[1]可知,鋅包鋼作為接地體材料的服役性能更優越。

鋅包鋼(見圖3)是用擠壓包覆工藝將較厚的鋅層包覆在圓鋼的表面。鋅的導電性比鋼更優,又具有較強的耐腐蝕性,作為接地體材料,可以大大延長接地體的使用壽命,減緩陽極的消耗。

圖3 鋅包鋼

4 鋅包鋼之間的焊接工藝

燃氣廠站接地體采用的鋅包鋼表面鋅層厚度一般為3 mm。一般接地體需要對多根鋅包鋼進行焊接,鋅包鋼之間的焊接方式一般采用電弧焊和放熱焊。

電弧焊焊接(見圖4)需要準備電源,并配備合適的電焊機以及與鋼材匹配的電焊條。因鋅包鋼的鍍鋅層較厚,焊接前準備時間較長,僅去除鍍鋅層這道工序就需要花費大量的時間。焊接后的理化試驗顯示,焊接接頭的抗拉強度為47.63 kN,彎曲強度為180°。

圖4 電弧焊焊接

放熱焊焊接(見圖5)有固定的模具和配置好的焊藥,無需單獨準備電源,只需要1只點火槍即可,焊接時將需要焊接的鋅包鋼材料放置在固定的模具內點火、熱熔、冷卻即可。焊接后的理化試驗顯示,焊接接頭的抗拉強度為47.57 kN,彎曲強度為90°。

圖5 放熱焊焊接

對兩種焊接方式比較可知,放熱焊用時較短,設備簡單,不需要去除鍍鋅層,因此優先采用放熱焊焊接工藝。

5 鋅包鋼焊接接頭的防腐

在鋅包鋼焊接完成后,因焊接放熱致使鋅包鋼表面鋅層受到破壞,因此每個焊接接頭會成為鋅包鋼接地體防腐最薄弱的地方,需對鋅包鋼焊接接頭進行重新防腐。

對于土壤含水量高的地區,鋅包鋼焊接接頭形狀不規則,因此在選擇防腐材料時,既要有很好的防透水性又要對不規則形狀有很好的貼合。粘彈體防腐材料具有很好的防透水性和自融合性,對微小的缺陷亦可自我修復,因此成為鋅包鋼焊接接頭防腐材料的首選。粘彈體防腐材料有膏狀防腐膠料(見圖6)和自融合粘彈體膠帶兩部分,均為聚烯烴高分子材料。施工時首先對焊接接頭表面的粉塵和污物等進行清理,其次涂抹膏狀防腐膠料,使凹凸不平的焊接接頭表面與膏狀防腐膠料充分貼合,最后用自融合粘彈體膠帶進行內外雙層表面纏繞(見圖7、8),加強膏狀防腐膠料與接頭表面的附著力,增強防水性。

圖6 涂抹的膏狀防腐膠料

圖7 用自融合粘彈體膠帶進行內層表面纏繞

圖8 用自融合粘彈體膠帶進行外層表面纏繞

6 鋅包鋼接地體施工注意事項

鋅包鋼接地體作為犧牲陽極陰極保護的輔助設施,應盡量減少對鋅層的破壞,保證鋅層均勻消耗。鋅包鋼鋅層較脆,彎折易出現開裂[2]。因此在施工過程中有以下注意事項。

① 鋅包鋼的鋅層容易被劃傷,因此在材料進場時,在場地上鋪干草或布袋等,避免硬質物質直接接觸鋅層。接地網下溝時避免拖拽。

② 沿海地區土質軟、沉降大,為防止沉降拉斷鋅包鋼接地體,需在接地網鋪設前對地基做硬化處理,減少沉降。

③ 接地體埋設前要先在地面上豎直打孔,孔深應大于鋅包鋼接地體長度,孔徑可比接地體直徑大10 mm。在接地體放入孔洞之前可將接地體用布料包裹,以減少接地體和孔壁的摩擦。

④ 接地體全部埋設完成后,孔洞回填時,回填土不得夾雜尖銳物體。

7 結束語

無論效果、成本還是施工工期方面,犧牲陽極陰極保護輔以鋅包鋼接地體方法都優于傳統犧牲陽極陰極保護。熊金根等人[3]在實際應用中發現,廠站采用犧牲陽極陰極保護輔以鋅包鋼接地體方法運行1 a后,開挖檢測發現燃氣管道未被腐蝕,效果良好。一些廠站采用犧牲陽極陰極保護輔以鋅包鋼接地體方法后,實測的管道通電電位、陽極開路電位均符合GB/T 21448—2017的要求。