摘要：論述了新建埋地鋼質(zhì)燃氣管道陰極保護方法的選擇，強制電流法陰極保護設(shè)計主要參數(shù)的確定、工藝計算、工程設(shè)計注意事項及應(yīng)用實例。
關(guān)鍵詞：埋地鋼質(zhì)燃氣管道；陰極保護；強制電流法；設(shè)計
Design of Impressed Current Cathodic Protection for New Buried Steel Gas Pipeline
GA0 Peng，WANG Ya-ping，KANG Zhi-gang，LI Zhi，ZHANG Yan
Abstract：The selection of cathodic protection methods for new buried steel gas pipeline，the determination of main design parameters for impressed current cathodic protection，the process calculation，the matters needing attention in engineering design and the application example are discussed.
Key words：buried steel gas pipeline；cathodic protection；impressed current；design
??? 鋼質(zhì)燃氣管道因發(fā)生電化學(xué)腐蝕往往對社會造成嚴(yán)重危害，實踐證明控制管道腐蝕的主要方法是防腐層和陰極保護[1]。CJJ 95—2003《城鎮(zhèn)燃氣埋地鋼質(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》對城鎮(zhèn)燃氣埋地鋼質(zhì)管道腐蝕控制進行嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)定，強制要求新建的高壓、次高壓、公稱直徑≥100mm的中壓管道和公稱直徑≥200mm的低壓管道必須采用防腐層輔以陰極保護的腐蝕控制措施，管道運行期間陰極保護不應(yīng)間斷。
1 新建鋼質(zhì)燃氣管道陰極保護方法選擇
? ??陰極保護技術(shù)有兩種方法：強制電流法和犧牲陽極法。不論何種方法，合理有效的陰極保護系統(tǒng)都可以獲得良好的保護效果，防止腐蝕產(chǎn)生危害。選擇陰極保護方法時考慮的主要因素有：管道防腐層性能，工程規(guī)模，保護電流大小，環(huán)境條件，土壤電阻率，管網(wǎng)現(xiàn)狀，交、直流干擾情況，有無經(jīng)濟方便的電源，工程造價等。
??? 強制電流法的優(yōu)點是[2]：輸出電流連續(xù)可調(diào)；保護范圍大；不受環(huán)境電阻率限制；工程越大越經(jīng)濟；保護裝置壽命長。其缺點是：需要外部電源；對鄰近金屬構(gòu)筑物干擾大；維護管理工作量大。
??? 犧牲陽極法的優(yōu)點是[2]：不需要外部電源；對鄰近構(gòu)筑物無干擾或干擾很小；投產(chǎn)調(diào)試后管理工作量小；工程越小越經(jīng)濟；保護電流分布均勻，利用率高。其缺點是：高電阻率環(huán)境下不宜使用；保護電流幾乎不可調(diào)；防腐層質(zhì)量必須好；投產(chǎn)調(diào)試工作復(fù)雜；消耗有色金屬。
??? 在城市燃氣行業(yè)陰極保護中，強制電流法和犧牲陽極法都有廣泛運用。長輸管道一般采用強制電流法，市內(nèi)管道一般采用犧牲陽極法。也有部分城市針對市內(nèi)在役管道增加陰極保護項目時采用強制電流法為主，并輔以犧牲陽極法[3、4]。
??? 新建燃氣長輸管道一般采用絕緣性能優(yōu)良的3PE防腐層，需要的陰極保護電流比較小，在實踐中一般采用強制電流法，其設(shè)計主要按照SY/T 0036—2000《埋地鋼質(zhì)管道強制電流陰極保護設(shè)計規(guī)范》進行。對于土壤電阻率特別高，不適宜采用犧牲陽極的地方，也建議采用強制電流法。
2 強制電流法設(shè)計主要參數(shù)的確定
2.1 土壤電阻率的測試
??? 土壤電阻率的影響有兩方面：陽極地床處的土壤電阻率決定輔助陽極的種類、規(guī)格、埋設(shè)位置；管道沿線的土壤電阻率影響電流密度的大小。
2.2 陰極保護電流密度的選擇
??? 影響保護電流密度參數(shù)的因素很多，主要有被保護管道的表面狀況(防腐層類別及質(zhì)量)、環(huán)境條件(如溫度、介質(zhì)狀態(tài)、pH值、含鹽量及種類、含氧量、微生物活動等)和被保護金屬種類等。對不同類型的外防腐層和土壤介質(zhì)，強制電流法陰極保護電流密度的選擇在實踐中差別較大。
??? 有文獻描述陰極保護電流密度與防腐層絕緣電阻有對應(yīng)關(guān)系，可以用以下經(jīng)驗公式表達[2]：
??? 
式中ip——陰極保護電流密度，mA/m2
??? Rg——防腐層絕緣電阻，Ω·m2
??? 也有文獻描述陰極保護電流密度與土壤電阻率有關(guān)聯(lián)，認(rèn)為對埋設(shè)在以高電阻率、低腐蝕速率為特征的腐蝕性較小的土壤中的鋼管，陰極保護所需要的電流密度要大大小于埋設(shè)于低電阻率、高腐蝕性土壤中的管道。將電流密度與土壤電阻率的關(guān)系用以下公式表達[5]：
??? lgip=-lgρ+1.54??? (2)
式中ρ——土壤電阻率，Ω·m
??? 在陰極保護實踐中，對于新建管道的強制電流法電流密度選擇一般根據(jù)不同的防腐層類型，選擇范圍為0.05～0.40mA/m2。建議在設(shè)計中可以按照表1選擇電流密度。
表1 管道外防腐層類別與電流密度的選擇
?
外防腐層類別 | 石油瀝青 | 聚乙烯膠帶 | 三層PE |
保護電流密度/(mA·m-2) | 0.30～0.40 | 0.10～0.20 | O.05～0.10 |
2.3 陰極保護效果判據(jù)
??? 保護電位是表征陰極保護效果的重要指標(biāo)，陰極保護系統(tǒng)的保護效果應(yīng)達到下列指標(biāo)之一[6]：
??? ① 施加陰極保護后，使用銅-飽和硫酸銅參比電極(以下簡稱CSE參比電極)測得的極化電位至少應(yīng)達到-850mV或更低。測量電位時，必須考慮除構(gòu)筑物與電解質(zhì)界面處之外的電壓降影響。
??? ② 采用斷電法測得管道相對于CSE參比電極的極化電位應(yīng)達到-850mV或更低。
??? ③ 在陰極保護極化形成衰減時，測得被保護管道表面與接觸土壤的、穩(wěn)定的CSE參比電極之間的陰極極化電位差不應(yīng)小于100mV。
??? ④ 存在細菌腐蝕時，管道通電保護電位(相對于CSE參比電極)應(yīng)低于或等于-950mV。
??? ⑤ 在沙漠地區(qū)，管道通電保護電位(相對于CSE參比電極)應(yīng)低于或等于-750mV。
??? 對如何消除構(gòu)筑物與電解質(zhì)界面處之外的電壓降影響，一般在測試中通過控制設(shè)備通電12s，斷電3s來達到。有文獻報道利用APM-1型智能測試儀，可以消除因測試技術(shù)的原因造成電壓降對保護電位測試的影響[7]。
3 強制電流法陰極保護設(shè)計工藝計算[8]
3.1 保護長度計算
??? 強制電流陰極保護的保護長度按下列公式計算：
??? 
式中L——保護長度，m
??? L0——單側(cè)保護長度，m
??? △UL——最大保護電位與最小保護電位之差，V
??? D——管道外徑，m
??? ip——保護電流密度，A/m2
??? Rt——單位長度管道縱向電阻，Ω/m
??? ρT——鋼管電阻率，Ω·m2/m
煉油裝置中管道硫化氫腐蝕及防護
長輸燃氣管道的安全保護距離
