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陰極保護技術在昆明城市燃氣管網上的成功應用及探索
[摘要]本文介紹了昆明燃氣管網自投入運行十五年來犧牲陽極保護在城市管網中的成功應用經驗和將來的發(fā)展方向。
前 言
城市燃氣管網是城市的重要基礎設施之一，擔負著輸送能量的工作，是城市生存和發(fā)展的必要保障，被稱為城市的“生命線”。隨著經濟的快速發(fā)展，城市燃氣管網建設發(fā)展很快，各種管線縱橫交錯。這些管道埋設于地下，長期受到外部土壤和內部介質的強烈腐蝕而經常發(fā)生腐蝕泄漏事故，常常導致管道設備非計劃性檢修、更換和停產，造成了巨大的直接和間接的經濟損失。據資料統(tǒng)計，一個工業(yè)發(fā)達國家，每年由于金屬腐蝕的直接損失，就占國民經濟總產值的4％。
陰極保護是指將被保護金屬(如煤氣管道)進行陰極極化，使電位負移到金屬表面陽極的平衡電位，消除其化學不均勻性所引起的腐蝕電池，使金屬免遭環(huán)境介質(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管道、設備的腐蝕。從而達到延長被保護管道的使用壽命，提高其安全性和經濟性的目的。經實踐證明這是一項投資少，其經濟和社會效益明顯的技術。陰極保護技術發(fā)源于160多年前，70年代初陰極保護技術日趨完善，成為歐、美、日等國的(聯幫)法規(guī)標準。我國早期的部頒標準SYJ7-84就已規(guī)定油、氣管道必須采用陰極保護。從環(huán)境保護和根據中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標準SY／T系列規(guī)范均要求，對油、氣管道建設均須實施陰極保護。
概 述
陰極保護分為外加電流保護和犧牲陽極保護兩種方式，目前昆明市煤氣輸配管網系統(tǒng)除在昆明焦化廠至昆明城區(qū)l號17.9KMφ630中壓主干管采用外加電流陰極保護外，二號主干管和其余城區(qū)管網均普遍采用犧牲陽極保護。因其施工方便，可靠性高，投資少。一般陰極保護系統(tǒng)投資只占管網總投資的3-5％。其在有效保護下，可延長管道使用壽命一倍以上。(陰極保護系統(tǒng)是指陰極保護設施：如外加電流保護站、犧牲陽極、絕緣法蘭、檢測樁和被保護對象——煤氣輸配管網。以及相應的檢測、管理軟件。)
2000年底統(tǒng)計，城市燃氣管網總長1113．82公里，城市燃氣用戶38萬戶，犧牲陽極總計1200多組，大口徑絕緣法蘭近4000套，調壓站252座，煤氣閥門567個，煤氣集水井4142口，城市燃氣管網設施總投資405461314．37元人民幣。目前已服役15年以上的埋地燃氣管網和設施已面臨著進入大修甚至部分更換的階段了。對我市燃氣管道的腐蝕原因進行深入調查和管網運行15年來陰極保護運行效果綜合評價，可以總結成功經驗，同時檢討工作中的問題和不足之處，做好管網腐蝕工作，提前預測和防范事故隱患，盡量減少突發(fā)事故發(fā)生和經濟損失。
由于埋地燃氣管道遭受土壤腐蝕和其它干擾影響，據國內一些地區(qū)的地下管道使用壽命統(tǒng)計，低的3-5年，高的10多年，嚴重的幾個月就會使管道腐蝕損壞和發(fā)生泄漏事故。昆明城市燃氣管網工程自1982年開工建設以來就實施了陰極保護，投入運行至今，由于腐蝕穿孔泄漏造成的事故僅有二例。總結經驗，我們主要做了以下幾方面的工作。
一、環(huán)境調研、確定方案
自1982年昆明煤氣工程開工建設以來，煤氣管網不斷擴大，煤氣管網從1986投入運行至今已有15年，在1988年《昆明市煤氣管道腐蝕調查與陰極保護應用效果》報告中，曾邀請省外專家對煤氣管網陰極保護作過(首次)調查結論：
1、昆明市區(qū)土壤腐蝕性：中等、強腐蝕各占50％。因采樣淺，實際土壤腐蝕性比分析化驗值高。
2、采用陰極保護最大保護度為98％，平均保護度為59％。
3、采用陰極保護與未采用陰極保護管道平均失重，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、采用陰極保護防腐技術可減緩管道腐蝕，延長管道壽命1.49—1.76倍，其經濟效益是顯著的。
昆明城市燃氣管網工程全面實施陰極保護，(當時)在國內城市燃氣管網中尚屬首次大規(guī)模應用，并取得成功。
根據對昆明市土壤腐蝕性和土壤電阻率等項的調查結果，從經濟性、管理和安全性考慮，我們采用在城郊主干管實施外加電流陰極保護，在城區(qū)中低壓管網和庭院小區(qū)實施鎂、鋅犧牲陽極聯合保護。
二、加強管網防腐、絕緣和陰極保護
昆明城區(qū)煤氣管網普遍采用瀝青玻璃布加強和特加強級防腐，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。在現場施工中有要求對防腐層破損點和接口進行現場防腐和電火花檢查，對回填土的要求也有具體的規(guī)定。
為了確保管網的保護電位和避免交叉影響，我們首先將中低壓主干管和城區(qū)管網用絕緣法蘭分隔開，同時又將城區(qū)中低壓管網與小區(qū)和大庭院管網用絕緣法蘭實施分隔，城區(qū)中低壓管網也同時按四個片區(qū)分隔開。把調壓站、閥門井也同時采用絕緣法蘭隔離，兩端管道用電纜跨接“送電”。在城區(qū)燃氣入戶立管處全部采用φ57絕緣法蘭隔離。這樣做投資相對增加，但對保證管網陰極保護效果也是必要的。采用鎂、鋅犧牲陽極進行聯合保護，平均每l至2KM埋設一組，同時在各片區(qū)選擇10處埋設了“腐蝕樣片”，便于將來作對比分析。檢查樁的設置根據管理的需要和各區(qū)段電位的調控確定。
三、配合大修改造、有針對性的實施腐蝕控制
在煤氣管網投入運行初期，由于焦化廠出產的煤氣氣質凈化不好，腐蝕性雜質硫化氫含量過高，在2—4g／Nm3，經脫硫工段后，效果不佳，含量仍高達1.5g／Nm3。而城市煤氣質量標準規(guī)定H2S含量不能大于20 mg／Nm3。另外氯化物、溶解氧、二氧化硫、二氧化碳等雜質和水的含量過高，使管網冷凝液中吸收了大量的腐蝕性介質，必然對金屬產生腐蝕。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)由于煤氣氣質凈化得到了進一步提高，有關指標均接近或達到了部頒標準]
1989年3月，為配合昆明西站立交橋的建設，需要對煤氣中壓干管進行改造，我們借此機會對兩個中壓凝水器內壁和部份管段部位內壁進行了取樣分析和化驗。結果證明管道凝水器內壁的腐蝕最嚴重，集中在凝水器液相部位和焊縫處(其中如兩處凝水器內抽水管的腐蝕液相部位外壁最大腐蝕坑深達0.95—2.88mm／年)。兩處凝水器內液相側壁最大腐蝕坑深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部實驗，陽極鋼芯一端焊接在凝水器測壁下部，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(電解)液體對內壁的腐蝕�，F已在φ219以上管段的凝水器中推廣應用，至今未發(fā)現因凝水器內壁腐蝕穿孔的事故。
四、防止貴昆電氣化機車雜電干擾，保障主干管安全運行
在昆明焦化制氣廠至昆明城區(qū)17.9Km的l號φ630中壓主干管上，我們采用了外加電流保護，保護度為98％。其中有一段約4km長與貴一昆電氣化鐵路橫穿和平行交叉，雜散電流干擾較強。
(貴昆電氣化鐵道建設方案于1981年通過國家級鑒定，先于煤氣管網建設，貴昆電氣化采用將llOKV經降壓至27.5KV(即鐵道上方接觸網上)，供電方式采用BT單相單邊供電，該BT供電技術不先進，經鐵軌流入地中的雜散電流大(AT供電先進)。沿線建14個牽引變電所，其中在金馬村就有一處變電所。貴昆電氣化鐵道的負荷及牽引電流，初期是單機運行，牽引電流平均值300A，損失580A，今后是雙機運行，牽引電流將增加一倍，平均為600A，瞬時1000A。其機車牽引電流由牽引變電所→架空接觸網→機車→鋼軌(和土壤)→回流線→牽引變電所。雖然按技術要求，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％，在短路的故障時更高。據國內有關部門報道，電氣化機車由于雜散電流泄漏對其它地下金屬設施干擾強、范圍大，在幾公里內均屬受干擾的范圍，在雜散電流和感應電的影響下，管道上感應電可達57V，對鋼管造成的腐蝕率為2mm／年，嚴重可達6mm／年，東北輸油局長輸管道松山段，曾遭受交流雜散電流腐蝕達5mm以上。造成油氣管道腐蝕穿孔的故事時有發(fā)生)。
經協商，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％，以減輕雜散電流對煤氣管道的影響，同時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，當時我們在原17.9KM煤氣主干管已采用外加電流陰極保護的情況下，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。
經多次檢測，并在1993年邀請福建三明無線電廠的專家一起對主干管雜電干擾影響進行現場測試，(從昆明往貴陽方向開行列車時，在沿鐵路附近干管上測得的交流電 Vac=0.46—0.01V，Vac起動=0.59—5.70V，在干管與鐵軌交叉處外加電流保護站電測點測得的Vac=2.4V……)結果證明，采取吸回裝置和犧牲陽極排流措施后，雜散電流對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、運行保護效果和失效原因分析
從十多年的累計測試數據和近期的數據分析，運行保護效果如下：
1、1號17.9KMφ630主干管的平均保護率為98％；
2、2號18.5KMφ630主干管的平均保護率為87％左右；
3、城區(qū)一至四片區(qū)中低壓干管的平均保護率為80％左右，其中三片區(qū)一處，二片區(qū)四處未達到—0.85V保護電位；
4、城區(qū)一至二片區(qū)庭院、小區(qū)平均保護率為80％左右；
5、城區(qū)三片區(qū)庭院、小區(qū)平均保護率為70％左右；
6、城區(qū)四、五片區(qū)庭院小區(qū)平均保護率為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主干管和城區(qū)中低壓干管等的防腐層質量較為重視，生產維護管理也跟得上，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公司對工作質量把關較嚴，責任心較強。因此，一號主干管和一至四片區(qū)城區(qū)中低壓干管的保護效果都較好。
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)督相對脫離，而驗收時發(fā)現的問題又未能及時返工和處理，造成防腐層破損等原因導致的保護電位下降。如：陽光小區(qū)等大片區(qū)庭院。
3、由于管網和犧牲陽極投入運行已十多年，瀝青防腐層老化，陽極輸出電流不斷上升，保護電位呈下降趨勢，陽極消耗過大，從而使保護率逐漸下降。
4、由于城市改擴建、拆遷等原因導致的管網“短接”和防腐層破損漏電導致的保護電位下降。
5、由于維護管理人員少和現場施工監(jiān)督不力，造成的犧牲陽極維護管理根不上管網建設速度，不能及時的維護犧牲陽極設施和更換陽極材料，也是導致保護電位下降的原因。
六、今后發(fā)展方向
1、加強管網管理維護力度，力爭實現信息化管理
綜上所述，我們將在已取得陰極保護有效應用經驗的基礎上，力爭克服問題和不足，采取措施從各方面抓緊工作。從保證管網安全和延長使用壽命的遠期效益來看，陰極保護是為管網長期的經濟和社會效益服務的。就城市煤氣行業(yè)的性質而言，“安全也是一種效益”。安全的前提是須有質量的保障，無論從陰極保護工程質量和防腐層質量；或者從管理人員的業(yè)務素質；以及軟、硬件的必要投入都需要有標準、規(guī)范來約束；有措施來監(jiān)督；有資金來保障。同時，建立健全陰極保護系統(tǒng)的運行管理機制，明確職責和管理范圍，實現檔案等數字信息化管理也應列入議程。
2、普查與監(jiān)測同步
掌握和摸清我市地下燃氣管線的腐蝕現狀，是防災和應付突發(fā)性泄漏事故的需要，對維護城市“生命線”的正常運行至關重要。檢測這些管線的損壞情況，預測其壽命；運用新技術對新、舊管線進行防腐蝕處理，延長其使用壽命。為了避免管道發(fā)生腐蝕穿孔事故、提高管網運行的安全性、增加管網使用效率。對燃氣管網可能出現的腐蝕和泄漏進行提前預測和防范，做到有目的、有計劃、有措施的運行管理維護和腐蝕控制監(jiān)測，特別是面對突發(fā)事件和災害，做出快速的正確決策和有效的救援響應。
下一步將通過管網腐蝕情況調查和腐蝕樣片分析，掌握管網腐蝕現狀和規(guī)律，同時增加管道內壁和外壁的各項目腐蝕監(jiān)測。向專家和同行學習，建立陰極保護管理信息系統(tǒng)，使陰極保護工作從單一的管理維護、腐蝕控制職能向腐蝕監(jiān)測和隱患預報職能提升，最近，公司正在進行管道壁厚減薄量(金屬蝕失量)的探測與計算，擬建立管道壁厚減薄量數據庫，為今后管網大修或更換計劃提供依據，實現管網安全連續(xù)的運行。
3、區(qū)分新、舊管網的保護措施
從測試數據分析，有些管段的保護電位并不均衡，采用傳統(tǒng)的犧牲陽極埋設方式，不能使管道達到有效的保護。今后我們將采用分散式埋設方式解決這一
問題，并在雜散電流干擾強的地段埋設犧牲陽極，達到保護與排流的雙重效果。對新、舊管網采取絕緣法蘭分離，對舊管網防腐層老化進行綜合評估和陽極逐步更新替代。
4、研究氣柜保護和深井陽極項目
從投資的經濟性和擴大城區(qū)管網有效保護范圍的目的出發(fā)，我們將探索采用深井陽極方式。在借鑒同行經驗的基礎上，我們將把對氣柜的陰極保護列入課題研究。使我市管網設施在已有外加電流保護、犧牲陽極保護成功應用的基礎上，探索深井陽極保護和氣柜陰極保護技術，力爭使這些保護方式都能在我市的管網設施中得到成功的應用。
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