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陰極保護(hù)技術(shù)在昆明城市燃?xì)夤芫W(wǎng)上的成功應(yīng)用及探索
[摘要]本文介紹了昆明燃?xì)夤芫W(wǎng)自投入運(yùn)行十五年來犧牲陽極保護(hù)在城市管網(wǎng)中的成功應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和將來的發(fā)展方向。
前 言
城市燃?xì)夤芫W(wǎng)是城市的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一，擔(dān)負(fù)著輸送能量的工作，是城市生存和發(fā)展的必要保障，被稱為城市的“生命線”。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)建設(shè)發(fā)展很快，各種管線縱橫交錯(cuò)。這些管道埋設(shè)于地下，長(zhǎng)期受到外部土壤和內(nèi)部介質(zhì)的強(qiáng)烈腐蝕而經(jīng)常發(fā)生腐蝕泄漏事故，常常導(dǎo)致管道設(shè)備非計(jì)劃性檢修、更換和停產(chǎn)，造成了巨大的直接和間接的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，一個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)國家，每年由于金屬腐蝕的直接損失，就占國民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的4％。
陰極保護(hù)是指將被保護(hù)金屬(如煤氣管道)進(jìn)行陰極極化，使電位負(fù)移到金屬表面陽極的平衡電位，消除其化學(xué)不均勻性所引起的腐蝕電池，使金屬免遭環(huán)境介質(zhì)(如土壤)的腐蝕。即用輔助陽極或犧牲陽極材料的腐蝕來代替被保護(hù)管道、設(shè)備的腐蝕。從而達(dá)到延長(zhǎng)被保護(hù)管道的使用壽命，提高其安全性和經(jīng)濟(jì)性的目的。經(jīng)實(shí)踐證明這是一項(xiàng)投資少，其經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益明顯的技術(shù)。陰極保護(hù)技術(shù)發(fā)源于160多年前，70年代初陰極保護(hù)技術(shù)日趨完善，成為歐、美、日等國的(聯(lián)幫)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。我國早期的部頒標(biāo)準(zhǔn)SYJ7-84就已規(guī)定油、氣管道必須采用陰極保護(hù)。從環(huán)境保護(hù)和根據(jù)中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY／T系列規(guī)范均要求，對(duì)油、氣管道建設(shè)均須實(shí)施陰極保護(hù)。
概 述
陰極保護(hù)分為外加電流保護(hù)和犧牲陽極保護(hù)兩種方式，目前昆明市煤氣輸配管網(wǎng)系統(tǒng)除在昆明焦化廠至昆明城區(qū)l號(hào)17.9KMφ630中壓主干管采用外加電流陰極保護(hù)外，二號(hào)主干管和其余城區(qū)管網(wǎng)均普遍采用犧牲陽極保護(hù)。因其施工方便，可靠性高，投資少。一般陰極保護(hù)系統(tǒng)投資只占管網(wǎng)總投資的3-5％。其在有效保護(hù)下，可延長(zhǎng)管道使用壽命一倍以上。(陰極保護(hù)系統(tǒng)是指陰極保護(hù)設(shè)施：如外加電流保護(hù)站、犧牲陽極、絕緣法蘭、檢測(cè)樁和被保護(hù)對(duì)象——煤氣輸配管網(wǎng)。以及相應(yīng)的檢測(cè)、管理軟件。)
2000年底統(tǒng)計(jì)，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)總長(zhǎng)1113．82公里，城市燃?xì)庥脩?8萬戶，犧牲陽極總計(jì)1200多組，大口徑絕緣法蘭近4000套，調(diào)壓站252座，煤氣閥門567個(gè)，煤氣集水井4142口，城市燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)施總投資405461314．37元人民幣。目前已服役15年以上的埋地燃?xì)夤芫W(wǎng)和設(shè)施已面臨著進(jìn)入大修甚至部分更換的階段了。對(duì)我市燃?xì)夤艿赖母g原因進(jìn)行深入調(diào)查和管網(wǎng)運(yùn)行15年來陰極保護(hù)運(yùn)行效果綜合評(píng)價(jià)，可以總結(jié)成功經(jīng)驗(yàn)，同時(shí)檢討工作中的問題和不足之處，做好管網(wǎng)腐蝕工作，提前預(yù)測(cè)和防范事故隱患，盡量減少突發(fā)事故發(fā)生和經(jīng)濟(jì)損失。
由于埋地燃?xì)夤艿涝馐芡寥栏g和其它干擾影響，據(jù)國內(nèi)一些地區(qū)的地下管道使用壽命統(tǒng)計(jì)，低的3-5年，高的10多年，嚴(yán)重的幾個(gè)月就會(huì)使管道腐蝕損壞和發(fā)生泄漏事故。昆明城市燃?xì)夤芫W(wǎng)工程自1982年開工建設(shè)以來就實(shí)施了陰極保護(hù)，投入運(yùn)行至今，由于腐蝕穿孔泄漏造成的事故僅有二例�？偨Y(jié)經(jīng)驗(yàn)，我們主要做了以下幾方面的工作。
一、環(huán)境調(diào)研、確定方案
自1982年昆明煤氣工程開工建設(shè)以來，煤氣管網(wǎng)不斷擴(kuò)大，煤氣管網(wǎng)從1986投入運(yùn)行至今已有15年，在1988年《昆明市煤氣管道腐蝕調(diào)查與陰極保護(hù)應(yīng)用效果》報(bào)告中，曾邀請(qǐng)省外專家對(duì)煤氣管網(wǎng)陰極保護(hù)作過(首次)調(diào)查結(jié)論：
1、昆明市區(qū)土壤腐蝕性：中等、強(qiáng)腐蝕各占50％。因采樣淺，實(shí)際土壤腐蝕性比分析化驗(yàn)值高。
2、采用陰極保護(hù)最大保護(hù)度為98％，平均保護(hù)度為59％。
3、采用陰極保護(hù)與未采用陰極保護(hù)管道平均失重，平均最大腐蝕深度、平均最大腐蝕速度之比分別為：1：2.76，1:2.52，1:2.49
4、采用陰極保護(hù)防腐技術(shù)可減緩管道腐蝕，延長(zhǎng)管道壽命1.49—1.76倍，其經(jīng)濟(jì)效益是顯著的。
昆明城市燃?xì)夤芫W(wǎng)工程全面實(shí)施陰極保護(hù)，(當(dāng)時(shí))在國內(nèi)城市燃?xì)夤芫W(wǎng)中尚屬首次大規(guī)模應(yīng)用，并取得成功。
根據(jù)對(duì)昆明市土壤腐蝕性和土壤電阻率等項(xiàng)的調(diào)查結(jié)果，從經(jīng)濟(jì)性、管理和安全性考慮，我們采用在城郊主干管實(shí)施外加電流陰極保護(hù)，在城區(qū)中低壓管網(wǎng)和庭院小區(qū)實(shí)施鎂、鋅犧牲陽極聯(lián)合保護(hù)。
二、加強(qiáng)管網(wǎng)防腐、絕緣和陰極保護(hù)
昆明城區(qū)煤氣管網(wǎng)普遍采用瀝青玻璃布加強(qiáng)和特加強(qiáng)級(jí)防腐，其中也在昆明煙廠和龍泉路段試用了10多公里的聚乙烯膠帶防腐，由于環(huán)保等方面的要求，今年開始采用環(huán)氧煤瀝青防腐。按照規(guī)定在防腐管出廠前，均要求作電火花耐壓試驗(yàn)。在現(xiàn)場(chǎng)施工中有要求對(duì)防腐層破損點(diǎn)和接口進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)防腐和電火花檢查，對(duì)回填土的要求也有具體的規(guī)定。
為了確保管網(wǎng)的保護(hù)電位和避免交叉影響，我們首先將中低壓主干管和城區(qū)管網(wǎng)用絕緣法蘭分隔開，同時(shí)又將城區(qū)中低壓管網(wǎng)與小區(qū)和大庭院管網(wǎng)用絕緣法蘭實(shí)施分隔，城區(qū)中低壓管網(wǎng)也同時(shí)按四個(gè)片區(qū)分隔開。把調(diào)壓站、閥門井也同時(shí)采用絕緣法蘭隔離，兩端管道用電纜跨接“送電”。在城區(qū)燃?xì)馊霊袅⒐芴幦坎捎忙?7絕緣法蘭隔離。這樣做投資相對(duì)增加，但對(duì)保證管網(wǎng)陰極保護(hù)效果也是必要的。采用鎂、鋅犧牲陽極進(jìn)行聯(lián)合保護(hù)，平均每l至2KM埋設(shè)一組，同時(shí)在各片區(qū)選擇10處埋設(shè)了“腐蝕樣片”，便于將來作對(duì)比分析。檢查樁的設(shè)置根據(jù)管理的需要和各區(qū)段電位的調(diào)控確定。
三、配合大修改造、有針對(duì)性的實(shí)施腐蝕控制
在煤氣管網(wǎng)投入運(yùn)行初期，由于焦化廠出產(chǎn)的煤氣氣質(zhì)凈化不好，腐蝕性雜質(zhì)硫化氫含量過高，在2—4g／Nm3，經(jīng)脫硫工段后，效果不佳，含量仍高達(dá)1.5g／Nm3。而城市煤氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定H2S含量不能大于20 mg／Nm3。另外氯化物、溶解氧、二氧化硫、二氧化碳等雜質(zhì)和水的含量過高，使管網(wǎng)冷凝液中吸收了大量的腐蝕性介質(zhì)，必然對(duì)金屬產(chǎn)生腐蝕。特別是冷凝液在主干管和城區(qū)中低壓干管凝水器和坡度較低的管段聚集。[注：后期(1993年以后)由于煤氣氣質(zhì)凈化得到了進(jìn)一步提高，有關(guān)指標(biāo)均接近或達(dá)到了部頒標(biāo)準(zhǔn)]
1989年3月，為配合昆明西站立交橋的建設(shè)，需要對(duì)煤氣中壓干管進(jìn)行改造，我們借此機(jī)會(huì)對(duì)兩個(gè)中壓凝水器內(nèi)壁和部份管段部位內(nèi)壁進(jìn)行了取樣分析和化驗(yàn)。結(jié)果證明管道凝水器內(nèi)壁的腐蝕最嚴(yán)重，集中在凝水器液相部位和焊縫處(其中如兩處凝水器內(nèi)抽水管的腐蝕液相部位外壁最大腐蝕坑深達(dá)0.95—2.88mm／年)。兩處凝水器內(nèi)液相側(cè)壁最大腐蝕坑深2.34—3.66mm，平均最大腐蝕坑深2.01—2.73lmm，平均最大腐蝕速率0.923—0.43lmm／年， 兩處液相封頭最大腐蝕坑深1.6l—2.80mm，平均最大腐蝕坑深0.892—2.147mm，最大腐蝕速率0.635—1.095mm／年，氣相封頭部位最大腐蝕速率0.35l—0.356mm／年，液相側(cè)壁和封頭連接處焊縫部位平均最大腐蝕坑深2.12—5.34mm，最大腐蝕速率1.
388—2.934mm／年。
為了解決凝水器內(nèi)部的(液相部位環(huán)境)腐蝕問題，我們采用了小規(guī)格鎂陽極和鋅陽極安裝在凝水器內(nèi)部實(shí)驗(yàn)，陽極鋼芯一端焊接在凝水器測(cè)壁下部，兩端面作防腐處理，并在陽極底部作絕緣處理，用以替代凝水器內(nèi)(電解)液體對(duì)內(nèi)壁的腐蝕�，F(xiàn)已在φ219以上管段的凝水器中推廣應(yīng)用，至今未發(fā)現(xiàn)因凝水器內(nèi)壁腐蝕穿孔的事故。
四、防止貴昆電氣化機(jī)車雜電干擾，保障主干管安全運(yùn)行
在昆明焦化制氣廠至昆明城區(qū)17.9Km的l號(hào)φ630中壓主干管上，我們采用了外加電流保護(hù)，保護(hù)度為98％。其中有一段約4km長(zhǎng)與貴一昆電氣化鐵路橫穿和平行交叉，雜散電流干擾較強(qiáng)。
(貴昆電氣化鐵道建設(shè)方案于1981年通過國家級(jí)鑒定，先于煤氣管網(wǎng)建設(shè)，貴昆電氣化采用將llOKV經(jīng)降壓至27.5KV(即鐵道上方接觸網(wǎng)上)，供電方式采用BT單相單邊供電，該BT供電技術(shù)不先進(jìn)，經(jīng)鐵軌流入地中的雜散電流大(AT供電先進(jìn))。沿線建14個(gè)牽引變電所，其中在金馬村就有一處變電所。貴昆電氣化鐵道的負(fù)荷及牽引電流，初期是單機(jī)運(yùn)行，牽引電流平均值300A，損失580A，今后是雙機(jī)運(yùn)行，牽引電流將增加一倍，平均為600A，瞬時(shí)1000A。其機(jī)車牽引電流由牽引變電所→架空接觸網(wǎng)→機(jī)車→鋼軌(和土壤)→回流線→牽引變電所。雖然按技術(shù)要求，鋼軌與枕木間采用絕緣，但流入地中的雜散電流為總牽引電流的50％，在短路的故障時(shí)更高。據(jù)國內(nèi)有關(guān)部門報(bào)道，電氣化機(jī)車由于雜散電流泄漏對(duì)其它地下金屬設(shè)施干擾強(qiáng)、范圍大，在幾公里內(nèi)均屬受干擾的范圍，在雜散電流和感應(yīng)電的影響下，管道上感應(yīng)電可達(dá)57V，對(duì)鋼管造成的腐蝕率為2mm／年，嚴(yán)重可達(dá)6mm／年，東北輸油局長(zhǎng)輸管道松山段，曾遭受交流雜散電流腐蝕達(dá)5mm以上。造成油氣管道腐蝕穿孔的故事時(shí)有發(fā)生)。
經(jīng)協(xié)商，鐵二院同意在金馬村向貴陽方向2400米至昆明站采取吸回裝置，可減少地中雜電90％，以減輕雜散電流對(duì)煤氣管道的影響，同時(shí)二院要求煤氣主干管采用接地排流措施。由于雜電干擾腐蝕速度遠(yuǎn)大于土壤腐蝕速度，為避免這4KM煤氣主干管與貴一昆電氣化平行交叉段受雜電干擾腐蝕，當(dāng)時(shí)我們?cè)谠?7.9KM煤氣主干管已采用外加電流陰極保護(hù)的情況下，在與貴一昆電氣化鐵路平行交叉的煤氣主干管上增加了6組鎂陽極作為接地排流措施。
經(jīng)多次檢測(cè)，并在1993年邀請(qǐng)福建三明無線電廠的專家一起對(duì)主干管雜電干擾影響進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，(從昆明往貴陽方向開行列車時(shí)，在沿鐵路附近干管上測(cè)得的交流電 Vac=0.46—0.01V，Vac起動(dòng)=0.59—5.70V，在干管與鐵軌交叉處外加電流保護(hù)站電測(cè)點(diǎn)測(cè)得的Vac=2.4V……)結(jié)果證明，采取吸回裝置和犧牲陽極排流措施后，雜散電流對(duì)主干管的影響得到了有效的控制，保證了煤氣主干管的安全。
五、運(yùn)行保護(hù)效果和失效原因分析
從十多年的累計(jì)測(cè)試數(shù)據(jù)和近期的數(shù)據(jù)分析，運(yùn)行保護(hù)效果如下：
1、1號(hào)17.9KMφ630主干管的平均保護(hù)率為98％；
2、2號(hào)18.5KMφ630主干管的平均保護(hù)率為87％左右；
3、城區(qū)一至四片區(qū)中低壓干管的平均保護(hù)率為80％左右，其中三片區(qū)一處，二片區(qū)四處未達(dá)到—0.85V保護(hù)電位；
4、城區(qū)一至二片區(qū)庭院、小區(qū)平均保護(hù)率為80％左右；
5、城區(qū)三片區(qū)庭院、小區(qū)平均保護(hù)率為70％左右；
6、城區(qū)四、五片區(qū)庭院小區(qū)平均保護(hù)率為68％左右，其中有2l處庭院末端電位在0.592V-0.823V；
7、(二環(huán)路以外及郊區(qū))五、六、七、八片區(qū)中低壓干管平均保護(hù)率為65％左右；
失效原因分析：
1、由于一期工程和二期部分工程中對(duì)主干管和城區(qū)中低壓干管等的防腐層質(zhì)量較為重視，生產(chǎn)維護(hù)管理也跟得上，特別是一期工程和二期部份工程中煤氣管道和犧牲陽極的施工單位均屬國有集團(tuán)公司對(duì)工作質(zhì)量把關(guān)較嚴(yán)，責(zé)任心較強(qiáng)。因此，一號(hào)主干管和一至四片區(qū)城區(qū)中低壓干管的保護(hù)效果都較好。
2、二期工程后半期和三期工程中由于犧牲陽極施工和監(jiān)督相對(duì)脫離，而驗(yàn)收時(shí)發(fā)現(xiàn)的問題又未能及時(shí)返工和處理，造成防腐層破損等原因?qū)е碌谋Ｗo(hù)電位下降。如：陽光小區(qū)等大片區(qū)庭院。
3、由于管網(wǎng)和犧牲陽極投入運(yùn)行已十多年，瀝青防腐層老化，陽極輸出電流不斷上升，保護(hù)電位呈下降趨勢(shì)，陽極消耗過大，從而使保護(hù)率逐漸下降。
4、由于城市改擴(kuò)建、拆遷等原因?qū)е碌墓芫W(wǎng)“短接”和防腐層破損漏電導(dǎo)致的保護(hù)電位下降。
5、由于維護(hù)管理人員少和現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)督不力，造成的犧牲陽極維護(hù)管理根不上管網(wǎng)建設(shè)速度，不能及時(shí)的維護(hù)犧牲陽極設(shè)施和更換陽極材料，也是導(dǎo)致保護(hù)電位下降的原因。
六、今后發(fā)展方向
1、加強(qiáng)管網(wǎng)管理維護(hù)力度，力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)信息化管理
綜上所述，我們將在已取得陰極保護(hù)有效應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，力爭(zhēng)克服問題和不足，采取措施從各方面抓緊工作。從保證管網(wǎng)安全和延長(zhǎng)使用壽命的遠(yuǎn)期效益來看，陰極保護(hù)是為管網(wǎng)長(zhǎng)期的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益服務(wù)的。就城市煤氣行業(yè)的性質(zhì)而言，“安全也是一種效益”。安全的前提是須有質(zhì)量的保障，無論從陰極保護(hù)工程質(zhì)量和防腐層質(zhì)量；或者從管理人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)；以及軟、硬件的必要投入都需要有標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范來約束；有措施來監(jiān)督；有資金來保障。同時(shí)，建立健全陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行管理機(jī)制，明確職責(zé)和管理范圍，實(shí)現(xiàn)檔案等數(shù)字信息化管理也應(yīng)列入議程。
2、普查與監(jiān)測(cè)同步
掌握和摸清我市地下燃?xì)夤芫�的腐蝕現(xiàn)狀，是防災(zāi)和應(yīng)付突發(fā)性泄漏事故的需要，對(duì)維護(hù)城市“生命線”的正常運(yùn)行至關(guān)重要。檢測(cè)這些管線的損壞情況，預(yù)測(cè)其壽命；運(yùn)用新技術(shù)對(duì)新、舊管線進(jìn)行防腐蝕處理，延長(zhǎng)其使用壽命。為了避免管道發(fā)生腐蝕穿孔事故、提高管網(wǎng)運(yùn)行的安全性、增加管網(wǎng)使用效率。對(duì)燃?xì)夤芫W(wǎng)可能出現(xiàn)的腐蝕和泄漏進(jìn)行提前預(yù)測(cè)和防范，做到有目的、有計(jì)劃、有措施的運(yùn)行管理維護(hù)和腐蝕控制監(jiān)測(cè)，特別是面對(duì)突發(fā)事件和災(zāi)害，做出快速的正確決策和有效的救援響應(yīng)。
下一步將通過管網(wǎng)腐蝕情況調(diào)查和腐蝕樣片分析，掌握管網(wǎng)腐蝕現(xiàn)狀和規(guī)律，同時(shí)增加管道內(nèi)壁和外壁的各項(xiàng)目腐蝕監(jiān)測(cè)。向?qū)＜液屯袑W(xué)習(xí)，建立陰極保護(hù)管理信息系統(tǒng)，使陰極保護(hù)工作從單一的管理維護(hù)、腐蝕控制職能向腐蝕監(jiān)測(cè)和隱患預(yù)報(bào)職能提升，最近，公司正在進(jìn)行管道壁厚減薄量(金屬蝕失量)的探測(cè)與計(jì)算，擬建立管道壁厚減薄量數(shù)據(jù)庫，為今后管網(wǎng)大修或更換計(jì)劃提供依據(jù)，實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)安全連續(xù)的運(yùn)行。
3、區(qū)分新、舊管網(wǎng)的保護(hù)措施
從測(cè)試數(shù)據(jù)分析，有些管段的保護(hù)電位并不均衡，采用傳統(tǒng)的犧牲陽極埋設(shè)方式，不能使管道達(dá)到有效的保護(hù)。今后我們將采用分散式埋設(shè)方式解決這一
問題，并在雜散電流干擾強(qiáng)的地段埋設(shè)犧牲陽極，達(dá)到保護(hù)與排流的雙重效果。對(duì)新、舊管網(wǎng)采取絕緣法蘭分離，對(duì)舊管網(wǎng)防腐層老化進(jìn)行綜合評(píng)估和陽極逐步更新替代。
4、研究氣柜保護(hù)和深井陽極項(xiàng)目
從投資的經(jīng)濟(jì)性和擴(kuò)大城區(qū)管網(wǎng)有效保護(hù)范圍的目的出發(fā)，我們將探索采用深井陽極方式。在借鑒同行經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，我們將把對(duì)氣柜的陰極保護(hù)列入課題研究。使我市管網(wǎng)設(shè)施在已有外加電流保護(hù)、犧牲陽極保護(hù)成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，探索深井陽極保護(hù)和氣柜陰極保護(hù)技術(shù)，力爭(zhēng)使這些保護(hù)方式都能在我市的管網(wǎng)設(shè)施中得到成功的應(yīng)用。
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