3PE防腐管道阴极保护应注意的几个问题

按照现行国家标准GB／T 21448—2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》规定：“新建管道应采用防腐层加阴极保护的联合防护措施或其他业已证明有效的腐蚀控制技术”。从上世纪90年代起，我国建设的油气管道大部分采用较先进的3PE防护涂层。3PE 防护和阴极保护的联合应用是埋地钢质管道腐蚀防护普遍采用的一项技术，已在国内数万公里管道上应用，并取得了显著效果。根据大量工程和管道后期运行情况分析，笔者认为在3PE防腐管道阴极保护设计施工中应注意以下几方面的问题。
　　阴极保护方法选择
　　油气管道阴极保护有强制电流法和牺牲阳极法两种方法。不论何种方法，合理有效的阴极保护系统都可以获得良好的保护效果，防止腐蚀发生。两种方法各有优缺点，在实践中应区别情况使用。选择阴极保护方法时考虑的主要因素有：管道防腐层性能、工程规模、保护电流大小、环境条件、土壤电阻率、管网现状、交直流干扰情况、有无经济方便的电源及工程造价等。 目前的习惯是，强制电流阴极保护主要适用于郊区等地下管网单一地区的油气主管道或城镇燃气环网。牺牲阳极阴极保护主要适用于人口稠密地区和城镇内各种压力级制燃气管道。
　　采用绝缘性能优良的3PE防腐层管道需要的阴极保护电流比较小，大量资料表明，强制阴极保护中过负的阴极极化电位会造成电解质更容易渗透防腐层引起阴极剥离，致使防腐层提早失效，而采用牺牲阳极阴极保护则不会出现这种情况，再加上施工和维护成本等因素，在实践中3PE管道一般采用牺牲阳极阴极保护法，其设计主要按照SY/T 0019—97《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》要求进行。在土壤电阻率特别高，不适宜采用牺牲阳极的地方，建议采用强制电流法。
　　套管对阴极保护电流的屏蔽
　　穿越公路、铁路的3PE燃气管道，按照设计要求 ，施工时要加设套管，并且套管与主管之间要用绝缘的支架支撑，套管两端用柔性的防水材料封堵，防止地下水进入套管内使主管道发生腐蚀。但通过对管道防腐情况的检测发现，加设套管并不能阻止管道腐蚀的发生，而且加设套管的管段，主管道发生腐蚀的情况越严重。原因是套管内主管道能够得到有效阴极保护的必要条件是主管道与套管之间存在导电介质，而严格按照规范施工的管道，套管与主管道之间设绝缘支架，套管两端防水密封良好，地下水不能进入，套管与主管道之间的介质是空气，导致没有导电介质。主管道虽然加设阴极保护，但阴极保护电流受空气层阻断被完全屏蔽，起不到任何作用，这就是套管对阴极保护电流产生了屏蔽。另外，在穿越套管施工时，人工拖、拽等操作往往会破坏主管道的防腐层，如果未及时发现并修补，管道埋地投用后，因为套管对阴极保护电流的屏蔽，阴极保护不起作用，套管内主管道防腐层的破损处会处于自然氧化、腐蚀的状态，并逐步蔓延。解决阴极保护电流屏蔽的方法是：
　　（1）穿越公路、铁路的管道，为控制腐蚀，可以加大壁厚及增加埋深，尽量避免使用套管。
　　（2）不可避免使用套管时，可在套管内部采取局部的阴极保护。具体做法是：在套管内的主管道上缠绕镁阳极带或锌阳极带或安装镯式阳极。当主管道外防腐层为3PE防腐时，推荐使用缠绕镁阳极带的局部阴极保护。安装镁阳极带时，可采用机械打磨的方法，露出里面的钢管3～5cm，主管道上开凿一个合适的焊点，采用电焊、铝热焊等焊接方式把镁阳极带一端焊接到主管道上，根据不同的管径按照一定的角度和间距，贴着管道的外壁紧紧缠绕（如图1所示）。针对不同管径，镁阳极带有不同的缠绕角度：当燃气管道外径≤219mm时，镁阳极带沿管道外壁等距且与管道轴向成30°角缠绕；当管道外径为219～377mm时，沿管道外壁等距且与管道轴向成45°角缠绕；当燃气管道外径≥377mm时，沿管道外壁等距且与管道轴向成60°角缠绕。镁阳极带另一端也要和起点一样，焊接在主管道上，而且两个焊点都要做好绝缘防腐。镁阳极带缠绕施工完毕，套管两端应采用柔性的防腐、防水材料密封，并保证密封良好，防止水或其他杂物进入。缠绕镁阳极带法的优点是施工简单方便，缺点是镁的电位较负，保护年限不是很长。
　　图1 带状牺牲阳极的安装图

　　（3）不可避免加设套管时，还可采取用其他柔软材料替代防水材料填充套管两端的办法，只要能防止沙石等杂物进入即可。因为当套管内有水或泥土存在时，能起到导电介质的作用，阴极保护电流通过介质形成回路，不会被屏蔽。套管可视为土壤介质的一部分，阴极保护电流从套管外壁流入，从套管内壁流出，再从主管道外部流入，主管道将受到很好的阴极保护。如果套管与主管道间有特定性能的电解质物质，导电性能会更好，主管道阴极保护的效果会更好，其原理如图2所示。
　　图2 主管与套管绝缘且套管两端不密封时的阴极保护原理

　　杂散电流的防护
　　杂散电流是指在规定电路或意图电路之外流动的电流，杂散电流主要表现为直流电流、交流电流和大地中自然存在的地电流三种状态，且各自具有不同的特点。以电气化铁路车辆直流供电牵引系统产生的直流杂散电流是造成油气管道杂散电流腐蚀的主要原因。杂散电流腐蚀具有局部集中特征，当杂散电流通过油气管道防腐层的缺陷点或漏铁点流出时，对该部位管道产生激烈的电化学腐蚀，短期内就可以造成穿孔事故。防腐层的缺陷点或漏铁点愈小，相应的电流密度愈大，杂散电流的局部集中效应愈突出，腐蚀速度愈快。
　　对杂散电流的防护，一是从源头上控制和减小，选线时尽量不与电气化铁路等杂散电流产生区域交织。其他方法因需要对铁路设施做出改变，现实中很难行得通；二是采取排流措施。排流的方法有以下四种。
　　（1）直接排流法。即把油气管道与电气化铁路的负极或行走轨用导线直接连接起来。这种方法不需要排流设备，操作简单，造价低，排流效果好。但当管道的对地电位低于行走轨对地电位时，行走轨电流会流入管道内产生逆流。故这种方法只适合管地电位永远高于轨地电位、不会产生逆流的场所，而这种机会不多，所以该方法有局限性。
　　（2）极性排流法。由于负荷的变动，变电所负荷分配的变化等，管地电位低于轨地电位而产生逆流的现象比较普遍。为防止逆流，使杂散电流只能由管道流入行走轨，必须在排流线路中安装单向导通的二极管整流器、逆电压继电器等排流装置。这种防止逆流的排流法称为极性排流法。该方法简单易行，应用广泛。
　　（3）强制排流法。就是在油气管道和行走轨的电气接线中加入直流电流，促进排流的方法。在管地电位正负极性交变，电位差小，且环境腐蚀性较强时，可以采用此防护措施。通过强制排流器将管道和行走轨连通，杂散电流通过强制排流器的整流环排放到行走轨上，当无杂散电流时，强制排流器给管道提供一个阴极保护电流，使管道处于阴极保护状态。强制排流法防护范围大，铁路停运时可对油气管道提供阴极保护，但对行走轨的电位分布有影响，需要外加电源。
　　（4）接地排流法。即;管道的排流电缆不是直接连接到行走轨上，而是连接到一个埋地辅助阳极上，将杂散电流从管道上排出至辅助阳极上，经过土壤再返回到行走轨上。接地排流法使用方便，但效果不显著，需要辅助阳极，且辅助阳极需要定期更换。
　　测试桩的设置
　　测试桩是阴极保护系统中必不可少的装置,主要用于阴极保护效果和运行参数的检测。
　　在设计施工中，测试桩应该和其他阴极保护系统同时安装。安装测试桩应该沿着被保护管道的方向设定位置，可设置在地下和地上，彼此相邻的两个测试桩间隔距离应该在1～3公里之间。如果管道经过城镇或工业园区，测试桩相邻间隔距离不应该超过1公里。如果测试到受杂散电流干扰影响的地区，测试装置的间隔距离更应该适当加密。测试桩安置的环境通常为：被保护管道与交流/直流电气化铁路交叉或者平行段；安装绝缘接头的地方；连接接地系统的地方；装有金属套管的位置；被保护管道与其他管道或结构有连接的地方；辅助试片及接地装置连接的地方；管道与周围道路或者堤坝交叉通过的地方；穿越铁路或者流水的地方；与外部金属结构建筑物相邻的地方等。安装测试桩时应至少有两个电缆与被保护管道相连接，而且使用的电缆应该用颜色区别，或者做其他标志进行区分，并且要做到全线统一。牺牲阳极阴极保护系统应设置足够的测试装置，且应与阴极保护系统同步安装。

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