戰廣深 任厚珉 劉貴昌 (大連理工大學化工學院)
李勤 封勃 張捍東 (大連市引碧供水南段工程指揮部辦公室)
劉海峰 張學文 孫顯臣 (中國市政工程東北設計研究院)[SX)]

　　大連市引碧入連三期南段供水工程主干地下輸水管道從洼子店水庫至開發區灣里，全長43.70km，管道于1996年3月開工，直埋式鋪設，同年10月竣工，總投資近2億元人民幣。管材為碳鋼，管徑2054mm，壁厚16mm，外壁涂敷環氧煤瀝青涂層，內壁采用水泥砂漿襯里。依據對管道途經沿線土壤電阻率的測試結果，結合一、二期輸水管道犧牲陽極的陰極保護工程實踐，決定采用犧牲陽極分段保護的方案，即對土壤電阻率<100Ω·m以及電阻率>100Ω·m但有地下水地段的輸水管道實施保護。?

1 沿線土壤腐蝕性簡析

1.1 土壤電阻率測定和腐蝕性評價
　　土壤電阻率是犧牲陽極保護設計的基本參數。為獲得設計必需的第一手資料，沿管道走向每隔200m左右測試一組數據。結果表明，沿線屬較高電阻率土壤環境，且電阻率變化范圍較大(20～50 Ω·m)，其中電阻率<50Ω·m的地段約占18%，電阻率為50～100 Ω·m的地段約占32%，電阻率>100Ω·m的地段約占50%?！　?BR>　由于土壤電阻率與土壤的多種理化性質有關，所以在一般情況下可以借助土壤電阻率的大小判斷土壤腐蝕性。參照SYJ7—84標準，以土壤電阻率作為單項評價指標，并考慮到土壤含水量、pH值等因素的影響，評價沿線土壤腐蝕性等級為：強腐蝕約占5%(電阻率<20 Ω·m地段)，中等腐蝕強度占15%，中等偏弱占35%，其余為弱腐蝕強度。?
1.2 碳鋼在土壤中的腐蝕速率
　　選擇砂土、壤質砂土和粘土(編號分別為1^#、2^#和3^#)作為供試土壤，以與管道材質相同的碳鋼作為試樣，進行線性極化曲線測量和現場掛片失重試驗，將測得的極化電阻和失重率換算成侵蝕深度，結果列于表1。由表1可以看出，兩種方法測定的侵蝕率相近，隨土壤電阻率降低，碳鋼的平均腐蝕速率明顯增大。對失重試驗(240d)的試片表面進行形貌觀察，發現有明顯的局部腐蝕坑，最大坑蝕深度為：2^#試片0.28 mm/a,3^#試片 0.51mm/a。顯然，在同一土壤環境中，碳鋼的局部腐蝕強度遠大于全面腐蝕。1^#試片所處土壤環境電阻率較高，土壤腐蝕性較弱，試片表面無明顯的局部腐蝕坑。?

2 工程設計

2.1 被保護管道長度
　　根據現場勘察、土壤電阻率測試和腐蝕率測定結果，本工程采用犧牲陽極分段保護的方案。對石硼段和土壤電阻率較高(>100 Ω·m)的干燥地段不實施保護。被保護管道的實際長度為24.5km。?
2.2 犧牲陽極材料的選擇
　　由于沿線土壤電阻率較高，故采用低鐵(<0.005%)的Mg-Al-Zn-Mn合金犧牲陽極。陽極單支質量8kg，開路電位-1.55～-1.65 V(相對于銅/飽和硫酸銅參比電極，下同)。?
2.3 主要技術指標
　　實施犧牲陽極的陰極保護后，被保護管道任意點對地電位應為-0.85～-1.25V；犧牲陽極設計使用壽命為30年。?
2.4 最小保護電流密度J_p的確定
　　最小保護電流密度是陰極保護設計的重要參數之一。它的大小與被保護金屬的表面狀態、涂層的種類和質量以及土壤電阻率大小等因素有關。如何確定最小保護電流密度值，是陰極保護工程的主要技術難點之一。由于影響因素較多，進行理論計算比較困難，文獻介紹的經驗數據范圍又較大，為了獲得可靠的設計參數，本工程采用現場實物試驗的方法確定最小保護電流密度。?
2.4.1 試驗方法?
　　選擇不同土壤電阻率的三個地段，采用外加電流方法測定。以焊接覆土后的管段(管長>100m)作為被保護體，廢鋼管作為輔助陽極，與可調式直流電源組成極化回路，回路中串接一零阻電流表。電位測量回路中參比電極為銅/飽和硫酸銅電極，電位測量采用高阻抗數字萬用表。?
　　通過調整直流控制電源的輸出電壓和電流，測量被保護管段距輔助陽極和通電點最遠端電位值，當電位測量值為-0.90V時記錄系統的電流。此電流值與被保護管段表面積的比值即為所確定的最小保護電流密度。現場試驗線路連接見圖1。?

2.4.2 試驗結果和討論
　　表2列出了三種土壤環境中涂敷環氧煤瀝青涂層的碳鋼管最小保護電流密度試驗值。由表2可見，土壤電阻率愈小，最小保護電流密度愈大。設計計算時，考慮到土壤電阻率變化、涂層破損等因素的影響，并留有設計余量，最小保護電流密度取值范圍確定為0.1～0.5mA/m²。

2.5 簡要設計計算?
2.5.1 陽極輸出電流I?
　　單支鎂陽極輸出電流經驗計算公式為：
?　I₁=150 000fy/ρ??
　　式中?ρ——————土壤電阻率，Ω·cm?
?　　　　f、y————系數，與陽極重量和管道保護電位有關，計算時分別取1和0.93?
　　若雙支陽極埋設間距5m，屏蔽系數取1.946，則雙支陽極輸出電流為：?
?　I₂=I₁×1.946?
　　不同土壤電阻率時陽極輸出電流的計算結果列于表3。

2.5.2 保護長度L
　　保護長度計算公式為：?
?　　L=I/J_pπD??
　　式中?D——管徑，m?
　　當土壤電阻率為20、40、60、80、100 Ω·cm時，J_p依次取0.40、0.35、0.30、0.25、0.20mA/m²，按雙支陽極為一組埋設，輸出電流取表3中不同電阻率對應值，保護長度計算結果一并列入表3。?
2.5.3 陽極使用壽命T
　　計算公式：
?　　　　T=WAη/8 760I??
　　式中?W——陽極質量，kg?
?　　　　A——陽極理論發生電量，A·h/kg
　　　　?η——電流效率
?　　　　I——陽極輸出電流，A?
　　按雙支陽極埋設計算時，W為16 kg，A為2 210A·h/kg，η為50%，I為表3中不同土壤電阻率對應I₂值。?
　　計算結果除土壤電阻率為20 Ω·m時陽極使用壽命為15年，其余均大于30年。土壤電阻率較低時陽極輸出電流較大，使用壽命較短，可通過在保護長度范圍內增加陽極埋設支數(即增加陽極重量)的方法延長陽極使用壽命，滿足設計和技術指標要求。?
2.6 陽極布置和埋設方式
　　綜合考慮保護長度和陽極使用壽命兩個因素，低電阻率土壤中兩支陽極為一組，每組陽極埋設間距20 m，同組兩支陽極管道兩側埋設，間距>5 m?；高電阻率土壤中，單支陽極管道兩側交錯埋設，陽極間距10 m。陽極與管道同溝水平式埋設，陽極距地表面2.5～3m，距管道水平距離0.5～5 m。?
2.7 陽極填充?
　　為了降低陽極與土壤接觸電阻，活化陽極表面，維持陽極較高、較穩定的電流輸出，采用硫酸鈉、硫酸鈣、膨潤土三組分(配比1∶5∶4)填料填充陽極。?
　　陽極在室內預先填充，裝入布袋備用。陽極與填料的質量比為1∶6，陽極周圍填料的厚度>10 cm。
2.8 測試樁
　　為了便于檢測管道是否處于被保護狀態，沿線1 km左右設一個電位測試樁。采用涂有環氧煤瀝青涂層的鋼筋(12mm)作為測量線，一端焊在管道上，另一端引出地面5cm以上，鑲入鑿有溝槽的石樁內。全線共安裝測試樁21個，沿水流方向依次編號。

3 陽極安裝

　　一般陽極安裝與管道鋪設同時進行。安裝前在室內將陽極與導線連接處錫焊后用熱塑管密封，導線另一端接頭與加強板銅焊牢固，清除陽極表面油污后填充，制成袋裝陽極。現場安裝時，將預制陽極的加強板焊接在管道外壁上，焊接處涂敷環氧煤瀝青涂層(四油三布)，固化干燥后用細土回填。?

4 參數測量與保護效果評價

4.1 參數測量
　　現場安裝時，為了保證管道被保護距離內任意點電位測量值符合技術指標要求(以便及時調整每組<支>陽極的埋設間距)，測量了每一埋設點管道和陽極開路電位、陽極輸出電流、管道極化電位等參數。圖2顯示了單支陽極輸出電流與土壤電阻率的關系。由圖2可見，采用經驗公式計算的數值與現場測量值相近，且隨土壤電阻率增大有大致相同的變化趨勢，表明設計計算中采用的經驗公式有一定的可靠性。

4.2 保護效果的評價?
　　全線陽極安裝結束后，對實施犧牲陽極保護的管道定期進行電位檢測。每一個測試樁作為一個檢測點，分別測量樁附近、距樁正反兩個方向5m和10m共5個位置的電位值，以測量值中最準值作為該點的電位檢測值。犧牲陽極工作1年后各點電位檢測結果如圖3所示。圖中的結果表明，各點的電位值均低于-0.85V，達到了設計和技術指標的要求，表明管道處于被保護狀態。

?

　　圖3中電位值高于-0.90 V的測試點均屬電阻率接近100 Ω·m或>100 Ω·m但有地下水的地段，表明高電阻率土壤中，由于陽極的輸出電流較小，在一定程度上抑制了被保護管道極化電位朝負向變化；同時說明，對較高電阻率土壤環境中的管道實施犧牲陽極保護時，陽極采用分散式短間距埋設是必要的。

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　　(收稿日期 1999-02-08)