环氧煤沥青防腐层辅助牺牲阳极法阴极保护防腐技术在城市天然气埋地钢制管道上

　　1刖目在现代化城市中，城市燃气管网是城市的重要基础设施之一，城市燃气和电力、自来水一样，是不可缺少的基本能源供应，是城市生存和发展的必要保障，被称为城市的“生命线”。随着经济的快速发展，城市燃气管网建设发展很快，这些管道埋设于地下，长期受到外部土壤和内部介质的强烈腐蚀而经常发生腐蚀泄漏事故，必须对其做适当的防腐措施。阴极保护是将被保护金属进行阴极极化，使电位负移到被保护的金属表面，消除其化学不均匀性所引起的腐蚀电池，对腐蚀反应进行积极的干预，它通过对被保护金属体施加电流，使金属减弱由原子态自发变为离子态的趋势，因而从根本上抑制了腐蚀的发生，从而延长被保护管道的使用寿命。我国早期的部颁标准SY7-84就已规定，油、气管道必须采用阴极保护。从环境保护和根据中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T系列规范均要求，对油、气管道建设均须实施阴极保护。2000年建成投运的克拉玛依中心城天然气输配工程中的埋地主干管道的外壁防腐，均采用了环氧煤沥青防腐层辅助牺牲阳极法阴极保护防腐技术。

　　2克拉玛依中心城天然气输配工程埋地管道外壁防腐技术介绍2.1工程概况克拉玛依市区中心城天然气输配工程始建于2000年，规划一期工程为克拉玛依市区昆仑路以南的部分新区居民住宅、锅炉房、公用建筑用天然气，当年建成，当年投产试运行。其中，埋地主干管线管0377x7，长度为0273x6，长度为221m，埋深1.9m.经测试该管道所经地区土壤电阻率30".m左右，其外壁防腐均采用了环氧煤沥青特加强级防腐层铺助牺牲阳极法阴极保护，沿线埋设6组镁合金阳极，除1组为8支外，其余每组6支阳极块，共38支，平均每700m设一阳极组，管线端点安装有绝缘法兰。

　　2.2防腐涂层材料选择及结构该管线外壁防腐选用环氧煤沥青防腐涂料；2+特加强级防腐层结构为：环氧煤沥青底漆-面漆-环氧煤沥青面漆、玻璃布、环氧煤沥青面漆-环氧煤沥青面漆、玻璃布、环氧煤沥青面漆，涂层干膜厚度兰0.6mm. 2.3防腐涂层施工工艺特殊要求钢管外防腐涂装在专业防腐厂进行，由建设单位委托监理公司监理现场监督，除依据埋地钢制管道环氧煤沥青防腐层技术标准KSY/0447-96）外，有以下特殊要求：（1）管道防腐使用的玻璃布为网状平纹，两边封边带轴芯的中碱玻璃布卷，厚度0.1±0.01mm，密度经炜纱10±1根/cm2，带轴芯！40x3mm，长度200m-250m.（2）环氧煤沥青涂料选用经新疆石油管理局油田地面化学剂质量监督检验站检验合格的产品，涂料性能指标符合国家有关标准。

　　3）环氧煤沥青涂料的施工环境温度要求在15-30之间，不得在雨、雾及风力大于5级气候条件下室外施工。4）特加强防腐层操作过程：底漆表干后、固化前涂**道面漆，要求涂刷均匀，不漏涂。**道面漆实干后，涂第二道面漆，随即缠玻璃布，玻璃布要求拉紧、表面平整、无皱折和鼓包，压边宽度为布缠绕后即涂第三道面漆，要求漆量饱满，玻璃布所有网眼应灌满涂料。第三道面漆实干后、固化前涂第四道面漆，并立即缠第二道玻璃布、涂第五道面漆，待其实干后，涂*后一道面漆。涂敷好的防腐层，静置自然固化。5）防腐管装卸车时，要求钩挂管段两端，严禁摔、碰、撬等有损防腐层的操作。

　　2.4防腐层检验、补口与补伤严格按）埋地钢制管道环氧煤沥青防腐层技术2.5管道的下沟与回填1）防腐管道下沟前进行1004电火花防腐层检漏，检漏电压3kV.检漏合格后方可下沟。2）防腐管道回填严格执行先筛细土，细土没管顶30cm后可原土回填，分层夯实。3）现场补口、补伤的管段在防腐层固化后方可回填。

　　2.6辅助牺牲阳极阴极保护安装2.6.1阴极保护材料选择+2）阳极：选用了22.68kg级AZ63-6型梯形常用规格镁合金牺牲阳极38根，沿线埋设6组1-6），除1组为8支外，其余每组6支阳极块。镁合金牺牲阳极技术指标见表1、表2、表3. 2.6.2牺牲阳极施工工艺外壁3m.如。

　　2.6.3阳极电缆连接与敷设1）阳极连接母线电缆和阳极钢芯采用铜焊接连接，连接后用塑料绝缘胶带缠绕一道，然后用热缩套密封绝缘；2）各支阳极连接母线用铜焊接，焊接长度不小于100mm，电缆连接处均采用塑料绝缘胶带缠绕一道，然后用热缩套密封绝缘；3）用万用表表1镁合金阳极的化学成分阳极化学成分（％）型号余量表2镁合金阳极规格型号表3镁合金阳极性能性能单位镁合金阳极密度开路电位理论发生电量电流效率尝50实际发生电量消耗率钢芯接触电阻笤逐支检测阳极与钢芯之间的电性连接情况，阳极体与钢芯接触电阻小于0.01！。在施工过程中严禁用力提拉电缆线，防止电缆接头折断。

　　4阳极电缆与管道连接采用铝热焊接技术连接，焊接点重新做防腐绝缘处理，防腐等级与管体一致。（5）所有连接点必须密封严实，不得有渗水现象'用电火花检漏仪（2.4kV电压）检查所有连接点，不得有针孔漏电。

　　6）阳极电缆直埋敷设，电缆埋深1，上下用铺以100mm厚的细土，并盖红砖保护。

　　2.6.4阳极填料包组装为加速阳极表面活化，在组装阳极之前，用砂纸将阳极打磨一遍，然后用无水乙醇擦拭干净，将阳极表面的油污、氧化物除净。（2）阳极填料配方重量比为，膨润土：石膏粉：工业硫酸镁=50%：15，：35%，每条特制的纯棉布袋充填料50kg，装一支经表面处理过的22.68kg级镁合金牺牲阳极，阳极放在填料包的正中央，阳极必须被填充料紧密包敷，严禁明显偏心。

　　2.6.5阳极床安装（1）阳极填料包放入阳极坑后，对坑内浇水、坑内水位必须完全浸没阳极填料包，且坑内常积水时间必须超过10小时以便彻底浸没填料包。（2）阳极坑细土回填，分层夯实，严禁向阳极坑内回填砂石、水泥块、塑料等杂物，回填土均匀掺入适量盐粒以降低土壤电阻率。（3）阳极地床安装后，地面浇水浸润地床10天以上。

　　2.6.6阳极安装时注意事项⑴阳极填料包装被水浸透后，必须待检测人员对阳极开路电位进行测试后，方可与管道连接。（21阳极与管道连接后，必须待检测人员进行阳极工作电位测试后，方可在焊缝处进行防腐。（3）阳极端面、电缆连接部位及钢芯均要做绝缘防腐，保证密封严实，不得渗水。

　　2.6.7牺牲阳极阴极保护验收阳极埋入地下后，对阴极保护性能进行测试，测试内容及指标如下阳极组开路电位妄-1.4V（相对Cu/CuS02参比电极）。该数据是衡量阳极质量好坏的重要标准。221测量*远点管道阴极保护电位妄-0.85V，该数据是评定管道牺牲阳极保护实施质量的标准。

　　3防腐技术实际应用效果分析3.1阴极保护实测数据阴极保护与涂层的联合保护可取得巨大的经济效益与社会效益，日益被人们所公认。克拉玛依中心城天然气输配工程中的埋地管线环氧煤沥青防腐层铺助牺牲阳极法阴极保护已在用了4年。在过去的4年中，环氧煤沥青防腐层是否有损害，埋地钢制管道是否受到保护，由于阴极保护电位逐年下降，2004年，对管线进行了防腐层全面检测及评价，对此管线防腐层情况及阴极保护系统存在的故障进行了检测确认。

　　3.1.1镁阳极组理论发生电流核算；Rg=F.Ra/n.：Ra每支牺牲阳极的接地电阻，p介质电阻率，m；L阳极长度，m；Im阳极理论输出电流，A；r阳极半径（m）Ea阳极工作电位，V；Ep阴极*小保护电位，V；Rg-阳极组接地电阻，n阳极支数；F电阻修正系数。

　　计算：Im理论（组）=这里电阻修正系数，查表取1.5.不考虑阳极接线电阻及土壤电阻压降，理论计算得阳极组（6支阳极）输出电流为165.4mA，8支阳极组输出电流为220.5mA.根据实际应用，反推其阴极保护电流密度的选取参数，以判断其选取参数是否合理。

　　3.1.2镁阳极实际发生电流测量结果（外防腐层维修后，阴极保护使用4年后实际测量）（实际保护电流密度）3.1.3牺牲阳极系统使用寿命核算由阳极利用率核算阳极寿命%Q阳极实际电容量（Ah/kg）%l/K阳极利用系数；Im?每块阳极平均发生电流（A）。

　　由阳极消耗率核算阳极使用寿命：T=0.85W/wI（kg）；w阳极消耗率kg/（A.a）；Im每块阳极平均发生电流（A）。T2=88（Y）（阳极消耗率刍7.29kg/Axa）结论1由以上核算可知，阳极利用率为75%，即阳极寿命达到80年以上的使用寿命，按阳极正常消耗，系统设计非常可靠，阳极用量非常充足，可谓百年大计，但一般要求管线经济使用寿命为30年，选取过剩的阳极用量，说明在系统设计时，对此管线所需*小保护电流密度设计余量偏大，表现为对管线防腐层没有质量信心。

　　3.1.4牺牲阳极阴极保护的实施效果测量（1）2004年9月阴极保护电位测定（防腐层修补\搭接点处理后测定）见表4表4检测点检测点里程（hi）保护电自然电有效保护中心站-0锅炉房游泳馆2004年9月阳极开路电位、输出电流测定见表5虽经对防腐层破损点、管道搭接接地点全面修补，然而目前所采用的牺牲阳极阴极保护方式，对管线的保护率只能达到85%，不能完全满足管线阴极保护的需求。

　　历年此管道阴极保护测试记录对比年10月牺牲阳极阴极保护安装投运后，至2002年由施工单位移交，2002年4月在生产管理中进行**测量，尔后每半年监测一次，以下选取典型测试记录。

　　2002年4月阴极保护测试结果记录，见表6. 2003年4月阴极保护测试结果记录，见表7.2004年8月阴极保护测试结果记录见表8（防腐层修补处理后，怀疑管线有一搭接点没有处理）。

　　表5阳极桩编号（组）阳极组开路电位阳极组输出电流表6检测号保护电位测量值（?V）阳极桩（组）开路电位测量值（?V）表7检测号保护电位测量值（一V）阳极桩号（组）开路电位测量值（一V）表8检测桩号保护电位测量值（一V）阳极（组）路电位测量值（一V）阳极组输出电流（mA）结论3：（1）由以上实测数据对比可知，此管线牺牲阳极阴极保护建成投用的三年内％2000年10月至2002年4月，阴极保护电位完全达到要求。连续运行第四年后，由于防腐层不断被侵蚀，防腐层破损点、管道搭接点暴露，虽然阳极开路电位基本保持稳定，但管线阴极保护电位不断下降，至2003年4月后失去阴极保护作用。2004年8月，对管线防腐层存在的破损点、段进行了全面检测修补后，阴极保护电位有所提升，但达不到要求）并且阳极组保护电流较大，有4组阳极组实际输出电流接近阳极组理论发生电流，其余2组阳极组实际输出电流远大于阳极组理论发生电流（165.4mA），说明在这两阳极组之间，管道可能有大的接地漏电现象。（2）2004年9月，经仪器检测到，对管线一处搭接点开挖处理后，阴极保护电位有大的提升，阳极组实际输出电流下降。可见，由于管线环氧煤沥清防腐层出现了问题，管道接地漏电，牺牲阳极长时间大电流运行。在阳极组输出功率一定的情况下，阴极保护电位升高，阳极输出组电流必然下降。

　　3.2阴极保护参数核算及实测结果分析（1）阴极保护电流密度的选取是牺牲阳极阴极保护应用成败的关键。*小保护电流密度值主要根据被保护金属的类别、腐蚀介质成分、温度、表面涂层或阴极沉积膜性质、完整性的接触电阻来决定。据查SY/T0036-2000埋地钢制管道强制电流阴极保护设计规范〉〉、SY/T0019埋地钢制管道牺牲阳极阴极保护设计规范+及有关资料显示实际工程测量结果。

　　5、不同涂层所需保护电流密度mA/m2，见表b、不同涂层电阻所需保护电流密度，见表10. 8、不同涂层的绝缘电阻，见表11.结论4：根据以上数据判断，经对该阴极保护系统参数核算，此系统设计时选取的管线阴极保护*小电流密度（0.2mA/m2）比较保守（防腐层绝缘电阻取1000?3000！。m2之间），而一般环氧煤沥青绝缘电阻大于5000！。m2.由实际测量，此牺牲阳极使用4年后，管线阴极保护电流密度下降（0.095mA/m2，满足规范要求），实际是阴极保护距离缩短，管线末端阴极保护电位较低，达不到要求。可以初步断定：牺牲阳极出现故障。

　　表9涂层种类聚乙烯层厚3mm双层沥青玻璃纤维布厚7mm所需保护电流涂层种类一层沥青玻璃纤维布厚4mai旧沥青层旧漆层所需保护电流表10涂层电阻G.m2所需保护电流密度mA/m2涂层电阻G.m2所需保护电流密度mA/m2表11涂层种类沥青/煤焦油瓷漆塑料覆盖层环氧粉末绝缘电阻Q.m2涂层种类三层复合结构50000环氧煤沥青绝缘电阻Q.m2（2）为进一步分析故障原因，对管线进行了强制电流阴极保护状态下的试验测试。检测试验采用恒电位仪，设定输出电压6V，输出电流5A（电流密度0.96mA/m2，按旧沥青层所需保护电流密度设定）。

　　实验结果说明，此管线在强制电流有足够的阴极保护电流状态下，对管线的保护率达到100，完全满足管线阴极保护的需求。采用强制电流状态下的阴极保护情况（按规范，相对Cu/CuS2参比电极满足*大保护电位大于-1.5V，小于-0.85V），如表12.表12检测检测点里程检测点里检测点检测检%检检检m检检领肴-v检检测点-0检测点结论4：由以上数值初步核算管线整体防腐层220！。m2.此管线在用4年后，经对个别防腐层漏点、搭接点修补后，管线环氧煤沥青防腐层绝缘电阻在规范要求之内，环氧煤沥青防腐层基本完好，没有大的破损漏电现象。

　　此管线阴极保护失效原因分析a、在新建管线施工中造成管线防腐层破损点较多。此管线外防腐采用了环氧煤沥青特强级防腐，该级别防腐层厚度仅为0.6mm，由于环氧煤沥青防腐的自身缺陷，该防腐技术对管线敷设环境、施工质量要求相对较高。此管线先后穿越公路、防风林地、绿化地等特殊地段，使得环氧煤沥青特强级防腐层不断受侵蚀，施工中造成的防腐层破损点逐渐暴露，加之个别焊口补口质量差和漏补，造成管线“接地”。阴极保护系统投入运行后，存在阴极保护管道漏电，牺牲阳极大电流已连续“漏电”工作四年，必然是造成阳极材料加快腐蚀损耗。

　　b、出现了阳极接地故障。牺牲阳极由于大负荷工作，腐蚀严重，表面溶解不均匀造成电流障碍。因此，在阴极保护实际测量时出现阳极开路电位正常，而保护电流较小（远小于设计参数）的现象。牺牲阳极不足以提供管线所需的保护电流。因此，只有通过测量，更换或检修阳极地床、阳极接线，来使该牺牲阳极阴极保护系统正常运行。

　　a、环氧煤沥青防腐层吸水和透气性较大。通过对该管线防腐层的检测发现，防腐层出现问题的地方多为地下水较高的地段；土壤干燥地段，管线防腐层光洁完好如初。经初步核算，防腐层绝缘电阻下降为：176！。m2.因此，在施工设计时，应充分考虑管线所经地段地下水的影响问题，在地下水较高地段，有针对性的选择耐水性好的防腐涂层。

　　b、由于环氧煤沥青防腐层抗冲击性较差，在施工中会造成防腐层的破损，因此，新建管线下沟前防腐层的补伤、检漏工序尤其重要，必须按规范要求严格执行，否则，管线在运行3年-4年后，防腐层破损点会逐渐暴露，后患无穷。管线下沟后回填前，应全面再做一次电火花检漏，确保施工质量（规范并没有要求）。另外，增加管道下沟前细土垫底10cm的要求，并应严格要求细土回填至管顶30cm以上，方可原土回填，防止大的砂石破坏防腐层。此工序对施工8质量保证起重要作用。

　　c、镁阳极重量选择要经济合理。由于管壁内、外腐蚀，埋地钢制管道经济寿命一般为30年，相应镁阳极重量选择以保证使用寿命30年为宜，考虑防腐层绝缘电阻下降因素，保守选择阳极使用寿命参数不超过50年。在保证防腐层施工质量的前提下，经济合理选择镁阳极重量，减少管道建设一次性投资。

　　d、天然气管道阴极保护失去作用，经确认为阳极故障时，必须对阳极进行维护。城市天然气管线采取牺牲阳极保护时，选取阳极床的安放位置很重要，在条件允许情况下（符合规范），阳极床安装在绿化带内为*佳，一是便于开挖维护阳极，另是一般绿化带土壤湿度较大，利于减小阳极接地电阻。

　　e、由于该阴极保护阳极床被新建的道路占压，开挖阳极床比较困难，阳极维护费用较大。为减少运行管理费用，保证天然气管线的安全运行，经实地勘查，此天然气管道与其他城市管线间隔水平间隔距离在1m以上，垂直交叉处做了绝缘处理并保证30cm的距离，与其他建筑物地基水平距离在2m以上。所以，可以考虑保留原牺牲阳极阴极保护装置，新增设“强制电流阴极保护装置”，以实现对该管线的安全、长久的阴极保护。新增设的强制阴极保护电流可以从已建阴极站（矿区、来气干线D400）直接引入。

　　4结束语有资料考证，国内环氧煤沥青涂料**批试件埋于大庆、秦皇岛、郑州、武汉和湛江等地，至今已有28年时间；第二代产品，H2型于1982年用于秦皇岛输油公司首站站内11km"720管道防腐，作为首次*大的工业化使用，历经22年，依然效果很好。

　　可见，只要控制好环氧煤沥青防腐层的施工质量，环氧煤沥青防腐层对埋地钢制管线的防腐会起到很好的效果。当然，防腐层在生产、运输、施工中无法保证完全不受到任何损坏。因此，不可能完全将管道与腐蚀环境、介质完全隔离。要维持有效的防腐，就必需同时采取辅助阴极保护，即联合保护。只要把好各个环节的施工质量，环氧煤沥青防腐辅助阴极保护必然对埋地钢制管道起到很好的防腐保护作用。

(完)