6、关于埋地管道外防腐与电法保护有关问题的探讨

出处： 作者：李永威 金溪燃气网 2005年10月08日

内容提要：本文结合北京市埋地燃气管道的工程实践，对埋地管道的防腐涂层与阴极保护状况进行了介绍，并对其中的原料质量、涂层质量、安装质量及质量控制等关键点进行了分析和探讨，同时介绍了一些新技术及应用难点，最后强调了阴极保护的重要性和立法紧迫性。
　　一、引言
　　埋地管道采用外防腐层与电法保护是延长管道运行寿命、减少管道运行故障的有效手段。七十年代初，自美国首次立法开始，一些国家相继立法，规定埋地管道必须采用防腐涂层与阴极保护的双重保护措施。近年来，国内对埋地管道的双重保护问题日渐重视，各地就埋地管道的腐蚀与防护问题召开各种专题研讨会，对管道进行阴极保护的必要性和可行性进行了深入细致的研讨，并在管道保护的理论和实践方面发展了许多新技术、新工艺和新产品。本文拟结合北京市埋地燃气管道的工程实践，就埋地管道的外防腐层与阴极保护的有关问题进行初步探讨，并对工程实践中有关问题提出拙见，以抛砖引玉。
　　二、现状与分析
　　目前北京市埋地燃气管道通常采用的外防腐层包括以下几种：
　　a)石油沥青+玻璃布
　　b)环氧煤沥青+玻璃布
　　c)塑化沥青防蚀带
　　d)无机富锌+环氧煤沥青+玻璃布
　　e)环氧粉末喷涂(+聚乙烯粘胶带)
　　石油沥青、环氧煤沥青及塑化沥青防蚀带主要用于中压干线及小区中低压燃气管道的防腐。塑化沥青防蚀带近二年才开始在北京市的燃气管道上使用，且价格偏高，目前仍以前二种方式为主。环氧煤沥青在防止细菌腐蚀和植物根系方面比石油沥青优越，对环境污染也较小，使用较普遍。但由于操作温度和固化时间的限制，冬季施工困难较多，因此冬季施工的工程，在环境允许的条件下，仍沿用石油沥青防腐层。随着塑化沥青防蚀带的大面积推广使用，其价格会适当降低，而且其施工受环境温度影响较小，逐渐会成为常用防腐方式的一种。
　　无机富锌+环氧煤沥青是随着华北油田进京天然气复线工程进入燃气工程应用领域的，主要用于1.0MPa高压管线。原因是燃气管道阴极保护得到重视，但实施管道阴极保护需要设置检测桩，而在城区道路上设置检测桩有一定难度，所以采用无机富锌底漆做为管道双重保护的一种措施。而且当时对采用阴极保护方案，从运行管理方面能否得到预期保护效果的疑虑，也是采用无机富锌的原因之一。
　　环氧粉末喷涂(及以环氧粉末为底层的PE三层做法)是目前国际上公认的防腐方式之一。九十年代初在北京液化石油气三油线上首次使用，从近几年运行情况看，效果良好。陕甘宁进京天然气工程中2.5MPa高压市内公路环线上采用了这种防腐方式。
　　在埋地管道的阴极保护方面，城区一般是采用牺牲阳极阴极保护方案。外加电流阴极保护在北京市郊的液化石油气管道和天然气管道上也均有使用的实例。但由于对管道的阴极保护重视不够，运行管理跟不上，久而久之，外加电流阴极保护形同虚设，被保护管道的运行寿命未能达到设计要求。随着对埋地管道阴极保护问题的重视，近几年正在对原有的阴极保护系统进行修复和更新。
　　三、存在问题及对策
　　每种防腐涂料和每种阴极保护方案都有其优缺点，但它们有一个共同特点，就是对埋地管道给予保护。而它们对管道的保护效果又取决于从选料至施工的各个工序质量。如果在各个阶段均按照标准、规范的要求进行，那么无论哪种外防腐层、哪种阴极保护方案，都会对埋地管道起到一定的保护作用。相反，不论多么优质的涂料，多么先进的防腐手段，花费多高的投入，也不能确保对埋地管道起到应有的保护作用。
　　在完整的工序质量控制过程中，有以下几个重要的控制环节：
　　1、原料质量
　　原料的质量是所有后续质量的基础。在目前市场经济条件下，经济效益是人们共同追求的目标。一种产品有市场，由于利益驱动，众多厂家一哄而上，产品质量参差不齐。而要从众多厂家选择合格或者优质的产品，就成为关键的一环。同时，在产品由施工单位选择的前提下，业主的质量监督就显得尤为重要。因此，建立严格的产品调研和采购制度，强化程序管理，就成为原料质量的制度保证。在工程实践中大大小小的产品质量问题，产生的经验教训是深刻的。
　　2、涂层质量
　　一种好的产品，应该有一套完善的涂敷工艺和要求，涂敷质量不高，就会影响产品的使用性能。例如以无机富锌为底漆的防腐方式，其涂敷质量的关键之一就是涂层厚度应均匀，而要涂层厚度均匀，就要选择合理的涂敷方案，以避免厚薄不均的现象发生。笔者曾对要求厚度为50～70μm的试验管段进行检测，实际检测结果，其厚度范围为25～125μm，远远超出了规定的涂层厚度范围。究其原因，该结果与工作人员素质、责任心、施工的机械化、自动化程度、施工工具及施工工艺要求不无关系。又如环氧粉末喷涂防腐方式，其涂层质量的两个关键指标就是粘结力和厚度。涂层与管子的粘结力主要取决于钢管表面的除油、除锈质量。这与钢管的原始状态，除锈用料的选择和更换频度又有直接关系。环氧粉末是一种价格昂贵的防腐原料，其用量的多少直接决定着该种防腐方式的经济性。在涂层设计厚度确定的前提下，实际涂层薄，达不到设计要求，实际涂层厚，又造成浪费。在陕京市内工程中，就发生了涂层粘结力不好、厚度不均的问题。粘结力问题经过分析讨论，认为关键之一就是钢管表面除油效果不好，同时抛丸除锈用钢砂又造成联锁负效应。加强钢管除油工作，又彻底替换了钢砂之后，粘结力问题彻底解决。涂层厚度问题，经现场分析讨论，认为与电源的稳定性、喷腔内的工作条件以及喷枪的排放和喷枪口的清理等因素有关，经过技术改进，涂层厚度基本得到控制，但仍无法完全控制到设计要求的经济厚度范围内。这也许是因为该种防腐方式的实践经验还不多，但也正是工程技术人员努力攻关的一个方向。
　　3、安装质量
　　为了提高涂层质量，一般均采取工厂化施工方式。广义的安装质量，是指防腐厂做好管材防腐后，从管材的装卸、运输、摆放、下沟、焊接以至回填的安装过程质量。而在这个过程中，对管道防腐层的保护就成为至关重要的问题。任何一个环节对防腐涂层的损坏，都会影响涂层的整体防腐效果。而这个过程当中，由于工作人员的素质和责任心，又是最容易出现问题的地方。防腐涂层对管道的保护效果是基于涂层材料的特性，尤其是理化特性，而在耐物理碰撞方面，往往比较薄弱。因此，采取必要的防范措施，是对管道防腐涂层进行保护的必需手段。如在吊装过程中使用对管材涂层无损坏作用的尼龙吊带或在钢丝绳上缠绕柔性材料，在摆放时铺设支木和隔离物，在焊接时对接近焊道的管段进行遮挡，在回填时胸腔应回填过筛细土等。同时，应加强质量监督职能并加强对工作人员的质量意识教育，强化质量第一观念，以保证安装质量。
　　安装质量中，也包括了阴极保护工程安装质量。管道的阴极保护是提高管道工程质量、确保管道安全运行的重要手段，是对管道安装质量的补救和补充。如果管道实施阴极保护，必然要对管道的防腐涂层进行破坏，而这些破口的修补以及阴极保护设施与管道的连接质量就成为阴极保护工程安装质量的关键环节。阴极保护是一项高技术含量的工艺技术，因此，在其实施的全过程中，应由专业技术人员负责。否则，用于保护管道的设施由于安装质量差，就会变成影响管道质量的设施。
　　工序质量的控制，在重视以上几个环节之外，甲乙双方的质控员、质量监理人员等的责任心也是一个不可忽视的重要因素。由于工期、效益、技术水平、责任心等方面原因，施工部门对质量问题的重视程度并不像人们想象的那样高，因此，质控员的责任心有时决定着工程和整体质量，而质控员衡量各工序质量的标准就是设计文件及有关的法律、法规及规范。只有在各个工序按工序质量标准严格要求，才能保证工程整体质量。例如，防腐涂层的电火花检测标准，是贯穿管道施工全过程的一个涂层质量控制标准，在任一工序、任一环节，只要管道涂层的电火花检测达不到标准，就可以判定涂层质量不合格，就应该要求工作人员返工或返修，直至达到电火花检测标准为止。
　　四、新技术应用及难点
　　新敷设管道埋入地下后，如何验证管道防腐层的质量好坏，在以往是难以解决的。运行中的管道，怎样了解防腐层的状况，以往也是个难题。对于设计人员来讲，仅仅是按标准、规范的规定要求进行设计，而无法掌握管道入地后，其防腐层质量是否达到了设计要求。因此也无法判定阴极保护设计是否合理，参数取舍是否准确。近年来，国内夕旺程技术人员和科研工作者在该方面做了大量的研究工作，取得了可喜的进展。如近年来国内出现的"地下管道防腐层绝缘电阻原位检测新技术--变频选频法"就是一种经济实用的判断埋地管道防腐层质量好坏的一种新方法。该方法已在长输油气管道和北京、成都、大连等城市燃气管道上得到成功应用。该方法的基本原理是向管道输入一个高频信号，改变信号频率，并选择适当的频率，通过电信号沿管道传输衰耗的变化，求得管道防腐层绝缘电阻。该方法适用于任意长度的新、老管线，测量简单、迅速、准确。测量时，只需在被测管段两端与埋地管道实现电气联通(可在检测桩、阀门处)，不必开挖管道，不影响管道的正常运行。但该方法要求被测管段内，应无分支和无人为接地，这对于采用牺牲阳极法阴极保护的埋地管道来讲，就成为一个推广应用的难点。因为采用牺牲阳极法阴极保护，管道上必然要连接牺牲阳极，而且目前的做法，并非所有的阳极都通过阳极桩与管道相连。因而，若想采用变频选频法对管道的防腐涂层状况进行监测，在牺牲阳极法阴极保护的设计和施工中，就必须采取有效措施。如全部阳极均通过阳极桩与管道相连。如果想监测重要管段的防腐涂层状况，也可采用绝缘接头将被测管段隔离出来，在隔离段内，将所有阳极通过阳极桩与管道相连。
　　在管线阴极保护方案设计中，对套管内的管道和高电阻率土壤中的管道如何实施阴极保护，在近几年的工程实践中也做了一些有益的探索，一是选用带状镁阳极，一是选用柔性阳极。带状镁阳极很好地解决了高电阻率土壤中管道的阴极保护问题，但在套管内对管道的保护状况及原理还需进一步探讨。柔性阳极实际上是外加电流阴极保护的一种辅助阳极。采用柔性阳极阴极保护方案，比牺牲阳极法阴极保护和过去概念中的外加电流阴极保护都有突出的优越性。其优点表现在：a)长距离电流分布均匀;b)柔性阳极可敷设在距离管道较近范围内，提供完全保护，又不对邻近金属设施产生干扰，c)即使管子涂层严重破损，甚至无覆盖层情况下，也可确保阴极保护电流的均匀。但是该保护方法需要电源，需要安装仪器的地方，这在城区的地下管道上采用时也是需要克服的一个难点。
　　五、措施及立法
　　防腐涂层是对埋地管道外壁的面保护，主要是针对均匀腐蚀而言，阴极保护则主要以点保护为主，是针对防腐涂层的漏损处。一条管道，可能由于一个点蚀而造成整条管道报废。但由于涂层漏损位置的不确定性，整条管道都必须在阴极保护的保护范围内。管道不论压力高低、管径大小，都可能存在防腐涂层的漏损情况和点蚀情况，。因而阴极保护不应该仅针对高压力的大口径管道。包括中压干线及小区中低压管线在内的所有埋地燃气管道均应该是阴极保护的对象。
　　无机富锌底漆在短时间内可以对管道起到一定的阴极保护作用，但它能否代替阴极保护，还有待于实践的检验。到目前为止，无一权威人士或权威机构就此给出定论。因此，从科学的角度讲，为了有效地实施管道保护，还是应该采用防腐涂层和电法保护的双重保护措施。
　　国外对城市埋地管道尤其是埋地燃气管道的双重保护的立法工作应该给我们以借鉴，阴极保护实施的效果与其投入的对比是无法否认的，而不实施阴极保护的潜在危害却是显而易见的。北京市一些铺设不到十年的天然气管道已接二连三地出现漏气现象，也给我们敲响了警钟。随着北京市引进陕甘宁天然气工程的实施，燃气用户会越来越多，地下燃气管道会越来越长。因而，对埋地燃气管道实施外防腐涂层与阴极保护的立法工作也会越来越紧迫

其他阴极保护方法

1、   网状阳极

　网状阳极系统是国际上先进的目前国内外流行的专门针对新建储罐进行阴极保护的一种有效的好方法。自90年代出引进以来，该技术已在国内获得越来越多的应用，而且也得到了用户的认可和好评。该系统的两种主要材料是混合金属氧化物阳极带和钛导电片，两者用专用焊机交叉焊接形成阳极网，数根阳极电缆（电缆接头）从阳极网引出。为监测或控制保护电位，在基础中埋设数支进口超长效参比电极（15-30年）。

该系统主要包括以下材料和设备：
阳极带

阳极带

混合金属氧化物阳极带为阳极网的主要材料之一，作为本系统的辅助阳极。该阳极为在钛基材上覆盖混合金属氧化物膜制成。
导电片

钛导电片

钛导电片为阳极网的主要组成部分之一，作为本系统的导电载体。该材料采用美国国家标准的一级钛材，经多次熔炼加工而成。
电缆接头
专用电缆接头为专用防腐电缆端部连接一段钛片组成，作为本系统阳极馈电缆。
恒电位仪

恒电位仪

参比电极等。
施工所用设备
主要包括：阳极网专用焊机、电焊机、水平仪等。

参比电极

2、  深井阳极

深井阳极阴极保护是针对已建储罐的一种有效的阴极保护方法。深井阳极是在地质条件允许的情况下，在罐周合适位置打深井。在井中安装适量的阳极组成阳极地床。深井阳极可以对储罐底板实施有效的保护，而且电位分布比较均匀。只是施工和调试比较复杂。

3、  浅埋阳极

浅埋阳极是常规的阴极保护方法，施工方便、易于维护，可对站区内的复杂管网和罐区内的罐底板
的下表面等埋地金属构筑物实现有效保护。浅埋阳极一般沿罐周一定距离均匀分布，保护电位比较均匀。但对大型（5万以上）且罐底下表面防腐层严重老化的储罐不推荐采用。

4、  内壁牺牲阳极

牺牲阳极阴极保护方法是延缓储罐内壁（底板上表面）腐蚀的有效方法，牺牲阳极与内壁的涂层相辅相成可有效延长防腐年限，减少底板穿孔漏油事故的发生。
这种保护方法已在国内大量采用，是一种成熟的做法。关于阳极品种多选用铝合金阳极，在高温介质中可选用耐高温铝合金阳极。而且当阳极消耗后，可以利用大修清罐的机会进行更换。

5、  外加电流阴极保护

6、  牺牲阳极保护

在土壤中，常用的牺牲阳极材料有镁和镁合金、锌和锌合金，加工成块状或棒状装在填包料袋子
里，以一定间距埋设在距管道一定距离的土壤中。
牺牲阳极阴极保护施工简便，保护效果较好。但牺牲阳极消耗较快，比较适合于复杂管网区的保
护，无需考虑杂散电流干扰问题。

对海底管道则主要采用镯状铝合金牺牲阳极。

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