阴极保护技术在昆明城市燃气管网上的成功应用及探索

阴极保护技术在昆明城市燃气管网上的成功应用及探索

[摘要]本文介绍了昆明燃气管网自投入运行十五年来牺牲阳极保护在城市管网中的成功应用经验和将来的发展方向。

前 言

　　城市燃气管网是城市的重要基础设施之一，担负着输送能量的工作，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，各种管线纵横交错。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，常常导致管道设备非计划性检修、更换和停产，造成了巨大的直接和间接的经济损失。据资料统计，一个工业发达国家，每年由于金属腐蚀的直接损失，就占国民经济总产值的4％。

　　阴极保护是指将被保护金属(如煤气管道)进行阴极极化，使电位负移到金属表面阳极的平衡电位，消除其化学不均匀性所引起的腐蚀电池，使金属免遭环境介质(如土壤)的腐蚀。即用辅助阳极或牺牲阳极材料的腐蚀来代替被保护管道、设备的腐蚀。从而达到延长被保护管道的使用寿命，提高其安全性和经济性的目的。经实践证明这是一项投资少，其经济和社会效益明显的技术。阴极保护技术发源于160多年前，70年代初阴极保护技术日趋完善，成为欧、美、日等国的(联帮)法规标准。我国早期的部颁标准SYJ7-84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。

概 述

　　阴极保护分为外加电流保护和牺牲阳极保护两种方式，目前昆明市煤气输配管网系统除在昆明焦化厂至昆明城区l号17.9KMφ630中压主干管采用外加电流阴极保护外，二号主干管和其余城区管网均普遍采用牺牲阳极保护。因其施工方便，可靠性高，投资少。一般阴极保护系统投资只占管网总投资的3-5％。其在有效保护下，可延长管道使用寿命一倍以上。(阴极保护系统是指阴极保护设施：如外加电流保护站、牺牲阳极、绝缘法兰、检测桩和被保护对象——煤气输配管网。以及相应的检测、管理软件。)

　　2000年底统计，城市燃气管网总长1113．82公里，城市燃气用户38万户，牺牲阳极总计1200多组，大口径绝缘法兰近4000套，调压站252座，煤气阀门567个，煤气集水井4142口，城市燃气管网设施总投资405461314．37元人民币。目前已服役15年以上的埋地燃气管网和设施已面临着进入大修甚至部分更换的阶段了。对我市燃气管道的腐蚀原因进行深入调查和管网运行15年来阴极保护运行效果综合评价，可以总结成功经验，同时检讨工作中的问题和不足之处，做好管网腐蚀工作，提前预测和防范事故隐患，尽量减少突发事故发生和经济损失。

　　由于埋地燃气管道遭受土壤腐蚀和其它干扰影响，据国内一些地区的地下管道使用寿命统计，低的3-5年，高的10多年，严重的几个月就会使管道腐蚀损坏和发生泄漏事故。昆明城市燃气管网工程自1982年开工建设以来就实施了阴极保护，投入运行至今，由于腐蚀穿孔泄漏造成的事故仅有二例。总结经验，我们主要做了以下几方面的工作。

一、环境调研、确定方案

　　自1982年昆明煤气工程开工建设以来，煤气管网不断扩大，煤气管网从1986投入运行至今已有15年，在1988年《昆明市煤气管道腐蚀调查与阴极保护应用效果》报告中，曾邀请省外专家对煤气管网阴极保护作过(首次)调查结论：

　　1、昆明市区土壤腐蚀性：中等、强腐蚀各占50％。因采样浅，实际土壤腐蚀性比分析化验值高。

　　2、采用阴极保护最大保护度为98％，平均保护度为59％。

　　3、采用阴极保护与未采用阴极保护管道平均失重，平均最大腐蚀深度、平均最大腐蚀速度之比分别为：1：2.76，1:2.52，1:2.49

　　4、采用阴极保护防腐技术可减缓管道腐蚀，延长管道寿命1.49—1.76倍，其经济效益是显著的。

　　昆明城市燃气管网工程全面实施阴极保护，(当时)在国内城市燃气管网中尚属首次大规模应用，并取得成功。

　　根据对昆明市土壤腐蚀性和土壤电阻率等项的调查结果，从经济性、管理和安全性考虑，我们采用在城郊主干管实施外加电流阴极保护，在城区中低压管网和庭院小区实施镁、锌牺牲阳极联合保护。

二、加强管网防腐、绝缘和阴极保护

　　昆明城区煤气管网普遍采用沥青玻璃布加强和特加强级防腐，其中也在昆明烟厂和龙泉路段试用了10多公里的聚乙烯胶带防腐，由于环保等方面的要求，今年开始采用环氧煤沥青防腐。按照规定在防腐管出厂前，均要求作电火花耐压试验。在现场施工中有要求对防腐层破损点和接口进行现场防腐和电火花检查，对回填土的要求也有具体的规定。

　　为了确保管网的保护电位和避免交叉影响，我们首先将中低压主干管和城区管网用绝缘法兰分隔开，同时又将城区中低压管网与小区和大庭院管网用绝缘法兰实施分隔，城区中低压管网也同时按四个片区分隔开。把调压站、阀门井也同时采用绝缘法兰隔离，两端管道用电缆跨接“送电”。在城区燃气入户立管处全部采用φ57绝缘法兰隔离。这样做投资相对增加，但对保证管网阴极保护效果也是必要的。采用镁、锌牺牲阳极进行联合保护，平均每l至2KM埋设一组，同时在各片区选择10处埋设了“腐蚀样片”，便于将来作对比分析。检查桩的设置根据管理的需要和各区段电位的调控确定。

三、配合大修改造、有针对性的实施腐蚀控制

　　在煤气管网投入运行初期，由于焦化厂出产的煤气气质净化不好，腐蚀性杂质硫化氢含量过高，在2—4g／Nm3，经脱硫工段后，效果不佳，含量仍高达1.5g／Nm3。而城市煤气质量标准规定H2S含量不能大于20 mg／Nm3。另外氯化物、溶解氧、二氧化硫、二氧化碳等杂质和水的含量过高，使管网冷凝液中吸收了大量的腐蚀性介质，必然对金属产生腐蚀。特别是冷凝液在主干管和城区中低压干管凝水器和坡度较低的管段聚集。[注：后期(1993年以后)由于煤气气质净化得到了进一步提高，有关指标均接近或达到了部颁标准]

　　1989年3月，为配合昆明西站立交桥的建设，需要对煤气中压干管进行改造，我们借此机会对两个中压凝水器内壁和部份管段部位内壁进行了取样分析和化验。结果证明管道凝水器内壁的腐蚀最严重，集中在凝水器液相部位和焊缝处(其中如两处凝水器内抽水管的腐蚀液相部位外壁最大腐蚀坑深达0.95—2.88mm／年)。两处凝水器内液相侧壁最大腐蚀坑深2.34—3.66mm，平均最大腐蚀坑深2.01—2.73lmm，平均最大腐蚀速率0.923—0.43lmm／年， 两处液相封头最大腐蚀坑深1.6l—2.80mm，平均最大腐蚀坑深0.892—2.147mm，最大腐蚀速率0.635—1.095mm／年，气相封头部位最大腐蚀速率0.35l—0.356mm／年，液相侧壁和封头连接处焊缝部位平均最大腐蚀坑深2.12—5.34mm，最大腐蚀速率1.

388—2.934mm／年。

　　为了解决凝水器内部的(液相部位环境)腐蚀问题，我们采用了小规格镁阳极和锌阳极安装在凝水器内部实验，阳极钢芯一端焊接在凝水器测壁下部，两端面作防腐处理，并在阳极底部作绝缘处理，用以替代凝水器内(电解)液体对内壁的腐蚀。现已在φ219以上管段的凝水器中推广应用，至今未发现因凝水器内壁腐蚀穿孔的事故。

四、防止贵昆电气化机车杂电干扰，保障主干管安全运行

　　在昆明焦化制气厂至昆明城区17.9Km的l号φ630中压主干管上，我们采用了外加电流保护，保护度为98％。其中有一段约4km长与贵一昆电气化铁路横穿和平行交叉，杂散电流干扰较强。

　　(贵昆电气化铁道建设方案于1981年通过国家级鉴定，先于煤气管网建设，贵昆电气化采用将llOKV经降压至27.5KV(即铁道上方接触网上)，供电方式采用BT单相单边供电，该BT供电技术不先进，经铁轨流入地中的杂散电流大(AT供电先进)。沿线建14个牵引变电所，其中在金马村就有一处变电所。贵昆电气化铁道的负荷及牵引电流，初期是单机运行，牵引电流平均值300A，损失580A，今后是双机运行，牵引电流将增加一倍，平均为600A，瞬时1000A。其机车牵引电流由牵引变电所→架空接触网→机车→钢轨(和土壤)→回流线→牵引变电所。虽然按技术要求，钢轨与枕木间采用绝缘，但流入地中的杂散电流为总牵引电流的50％，在短路的故障时更高。据国内有关部门报道，电气化机车由于杂散电流泄漏对其它地下金属设施干扰强、范围大，在几公里内均属受干扰的范围，在杂散电流和感应电的影响下，管道上感应电可达57V，对钢管造成的腐蚀率为2mm／年，严重可达6mm／年，东北输油局长输管道松山段，曾遭受交流杂散电流腐蚀达5mm以上。造成油气管道腐蚀穿孔的故事时有发生)。

　　经协商，铁二院同意在金马村向贵阳方向2400米至昆明站采取吸回装置，可减少地中杂电90％，以减轻杂散电流对煤气管道的影响，同时二院要求煤气主干管采用接地排流措施。由于杂电干扰腐蚀速度远大于土壤腐蚀速度，为避免这4KM煤气主干管与贵一昆电气化平行交叉段受杂电干扰腐蚀，当时我们在原17.9KM煤气主干管已采用外加电流阴极保护的情况下，在与贵一昆电气化铁路平行交叉的煤气主干管上增加了6组镁阳极作为接地排流措施。

　　经多次检测，并在1993年邀请福建三明无线电厂的专家一起对主干管杂电干扰影响进行现场测试，(从昆明往贵阳方向开行列车时，在沿铁路附近干管上测得的交流电 Vac=0.46—0.01V，Vac起动=0.59—5.70V，在干管与铁轨交叉处外加电流保护站电测点测得的Vac=2.4V……)结果证明，采取吸回装置和牺牲阳极排流措施后，杂散电流对主干管的影响得到了有效的控制，保证了煤气主干管的安全。

五、运行保护效果和失效原因分析

　　从十多年的累计测试数据和近期的数据分析，运行保护效果如下：

　　1、1号17.9KMφ630主干管的平均保护率为98％；

　　2、2号18.5KMφ630主干管的平均保护率为87％左右；

　　3、城区一至四片区中低压干管的平均保护率为80％左右，其中三片区一处，二片区四处未达到—0.85V保护电位；

　　4、城区一至二片区庭院、小区平均保护率为80％左右；

　　5、城区三片区庭院、小区平均保护率为70％左右；

　　6、城区四、五片区庭院小区平均保护率为68％左右，其中有2l处庭院末端电位在0.592V-0.823V；

　　7、(二环路以外及郊区)五、六、七、八片区中低压干管平均保护率为65％左右；

失效原因分析：

　　1、由于一期工程和二期部分工程中对主干管和城区中低压干管等的防腐层质量较为重视，生产维护管理也跟得上，特别是一期工程和二期部份工程中煤气管道和牺牲阳极的施工单位均属国有集团公司对工作质量把关较严，责任心较强。因此，一号主干管和一至四片区城区中低压干管的保护效果都较好。

　　2、二期工程后半期和三期工程中由于牺牲阳极施工和监督相对脱离，而验收时发现的问题又未能及时返工和处理，造成防腐层破损等原因导致的保护电位下降。如：阳光小区等大片区庭院。

　　3、由于管网和牺牲阳极投入运行已十多年，沥青防腐层老化，阳极输出电流不断上升，保护电位呈下降趋势，阳极消耗过大，从而使保护率逐渐下降。

　　4、由于城市改扩建、拆迁等原因导致的管网“短接”和防腐层破损漏电导致的保护电位下降。

　　5、由于维护管理人员少和现场施工监督不力，造成的牺牲阳极维护管理根不上管网建设速度，不能及时的维护牺牲阳极设施和更换阳极材料，也是导致保护电位下降的原因。

六、今后发展方向

　　1、加强管网管理维护力度，力争实现信息化管理

　　综上所述，我们将在已取得阴极保护有效应用经验的基础上，力争克服问题和不足，采取措施从各方面抓紧工作。从保证管网安全和延长使用寿命的远期效益来看，阴极保护是为管网长期的经济和社会效益服务的。就城市煤气行业的性质而言，“安全也是一种效益”。安全的前提是须有质量的保障，无论从阴极保护工程质量和防腐层质量；或者从管理人员的业务素质；以及软、硬件的必要投入都需要有标准、规范来约束；有措施来监督；有资金来保障。同时，建立健全阴极保护系统的运行管理机制，明确职责和管理范围，实现档案等数字信息化管理也应列入议程。

　　2、普查与监测同步

　　掌握和摸清我市地下燃气管线的腐蚀现状，是防灾和应付突发性泄漏事故的需要，对维护城市“生命线”的正常运行至关重要。检测这些管线的损坏情况，预测其寿命；运用新技术对新、旧管线进行防腐蚀处理，延长其使用寿命。为了避免管道发生腐蚀穿孔事故、提高管网运行的安全性、增加管网使用效率。对燃气管网可能出现的腐蚀和泄漏进行提前预测和防范，做到有目的、有计划、有措施的运行管理维护和腐蚀控制监测，特别是面对突发事件和灾害，做出快速的正确决策和有效的救援响应。

　　下一步将通过管网腐蚀情况调查和腐蚀样片分析，掌握管网腐蚀现状和规律，同时增加管道内壁和外壁的各项目腐蚀监测。向专家和同行学习，建立阴极保护管理信息系统，使阴极保护工作从单一的管理维护、腐蚀控制职能向腐蚀监测和隐患预报职能提升，最近，公司正在进行管道壁厚减薄量(金属蚀失量)的探测与计算，拟建立管道壁厚减薄量数据库，为今后管网大修或更换计划提供依据，实现管网安全连续的运行。

　　3、区分新、旧管网的保护措施

　　从测试数据分析，有些管段的保护电位并不均衡，采用传统的牺牲阳极埋设方式，不能使管道达到有效的保护。今后我们将采用分散式埋设方式解决这一

问题，并在杂散电流干扰强的地段埋设牺牲阳极，达到保护与排流的双重效果。对新、旧管网采取绝缘法兰分离，对旧管网防腐层老化进行综合评估和阳极逐步更新替代。

　　4、研究气柜保护和深井阳极项目

　　从投资的经济性和扩大城区管网有效保护范围的目的出发，我们将探索采用深井阳极方式。在借鉴同行经验的基础上，我们将把对气柜的阴极保护列入课题研究。使我市管网设施在已有外加电流保护、牺牲阳极保护成功应用的基础上，探索深井阳极保护和气柜阴极保护技术，力争使这些保护方式都能在我市的管网设施中得到成功的应用。

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