任基成 楊效明 苑京成

　　[提要] 根據(jù)工程實例，參照石油行業(yè)的有關(guān)規(guī)范，對輸水鋼管陰極保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)與探討，提出了實施要點。
　　[關(guān)鍵詞] 輸水鋼管 陰極保護(hù) 強制電流 犧牲陽極 實施要點

0 前言

　　隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，大口徑長距離輸水管道工程在各地不斷興建。鋼管具有取材制作方便、安裝技術(shù)成熟、適應(yīng)復(fù)雜地形等比點，既適用于埋地敷設(shè)，又可用于跨越架空、過河倒虹和頂管施工，是目前在DN1000mm以上的輸水管道中采用較
多的一種管材。但鋼管最大的缺陷是在自然環(huán)境中易產(chǎn)生腐蝕，因此做好鋼管的內(nèi)外防腐是延長鋼管使用壽命的重要施工環(huán)節(jié)。現(xiàn)行國標(biāo)《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范）（GB50268—97）在“鋼管道內(nèi)外防腐”一節(jié)中，對水泥砂漿內(nèi)防腐層和石油瀝青及環(huán)氧煤瀝青外防腐層的施工作出了相應(yīng)的規(guī)定，而沒有提及對鋼管道進(jìn)行陰極保護(hù)施工的問題。
　　 由于陰極保護(hù)在國外輸水管道和國內(nèi)石油天然氣管道的成功應(yīng)用，日益受到我國供水界的重視。近年來，上海、深圳、成都、大連、廈門、寧波等地相繼進(jìn)行了輸水鋼管陰極保護(hù)的應(yīng)用實踐。但由于這項技術(shù)在我國供水行業(yè)起步較晚，至今沒有統(tǒng)一的行業(yè)規(guī)范， 有一些技術(shù)問題還有待于進(jìn)一步研究。本文根據(jù)寧波的工程實例，試對輸水鋼管陰極保護(hù)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)與探討。

1 輸水鋼管陰極保護(hù)應(yīng)用實例

　　為解決城市水資源短缺和水質(zhì)污染的問題，寧波市自來水總公司從80年代末著手規(guī)劃，并于1996年至1999年間相繼建成投運蕭鎮(zhèn)、橫山、江東三項引水工程，把距離市區(qū)幾十公里外的橫山水庫和亭下水庫的無污染原水用管道分別輸送至南郊、北倉、江東3個水廠，有效解決了市區(qū)水廠的水源污染問題。這三項引水工程總投資6億多元，共敷設(shè)DN1600mm輸水鋼管102．4kin。鋼管外防腐全部采用環(huán)氧煤瀝青四油兩布工藝，并且全線鋼管還進(jìn)行了陰極保護(hù)的施工。根據(jù)不同的環(huán)境條件分別采用強制電流和犧牲陽極兩種陰極保護(hù)技術(shù)，實施情況見表1。

表1 寧波市輸水鋼管陰極保護(hù)實施情況

工程名稱 輸水鋼管長度/km 強制電流法 犧牲陽極法 保護(hù)長度/km 保護(hù)站/座 保護(hù)長度/km 陽極配置（質(zhì)量/kg×支數(shù)×組數(shù)/km） 蕭鎮(zhèn)引水工程 29.4 20.8 2 8.6 14×5×4 橫山引水工程 57.3 16 2 41.3 14×5×4 江東原水工程 15.7 15.7 14×5×4

2 輸水鋼管陰極保護(hù)實施要點

2．1 土壤腐蝕性的評價
　　鋼制管道在土壤環(huán)境中的腐蝕主要為電化學(xué)過程，腐蝕原電池是其最基本的形式。對土壤的腐蝕性進(jìn)行正確評價是實施陰極保護(hù)的前提，在工程實際中常通過測是鋼管環(huán)境的土壤電阻率（Ω·m）和自然電位（——V）來評價土壤腐蝕性。對于大多數(shù)情況，十壤電阻率越小，自然電位負(fù)值越大，則土壤的腐蝕性越強。電阻率與土壤腐蝕性的評價標(biāo)準(zhǔn)參見表2，自然電位與土壤腐蝕性的評價標(biāo)準(zhǔn)參見表3。土壤環(huán)境經(jīng)測定和評價為腐蝕性強、較強和中等的，一般都應(yīng)進(jìn)行陰極保護(hù)。

表2 土壤電阻率與土壤腐蝕性

腐蝕性 土壤電阻率／Ω.m 中國 前蘇聯(lián) 英國 日本 美國 法國 極強 ＜5 ＜9 ＜5 強 ＜20 5-10 9-23 ＜20 ＜20 5-15 中等 20-50 10-20 23-50 20-45 20-45 15-25 弱 ＞50 20-100 50-100 45-60 45-60 很弱 ＞100 ＞100 ＞60 60-100 ＞30

表3 自然電位與土壤腐蝕性

自然電位/-V（相對于Cu-CuSO₄) ＞0.55 0.45-0.55 0.30-0.45 0.15-0.30 ＜0.15 腐蝕性 強 較強 中 弱 極弱

　　我們在工程設(shè)計初期，對管道沿線土壤電阻率和自然電位進(jìn)行了測量，電位均以Cu-SO4飽和溶液為參比電極。測試結(jié)果顯示，蕭鎮(zhèn)和江東段管道沿線土壤電阻率在20Ω.m左右，而橫山管道沿線土壤電阻率數(shù)值相差較大，最低處為16.4Ω.m，最高超量程（大于
628Ω.m）。三段管道沿線自然電位多負(fù)于-0．45V。依據(jù)國內(nèi)外有關(guān)的判別標(biāo)準(zhǔn)，大部分管線所處的土壤環(huán)境腐蝕性較強，需要進(jìn)行陰極保護(hù)。
2．2 陰極保護(hù)方式的選擇
　　駔極保護(hù)有強制電流和犧牲陽極兩種基本方法，這兩種方法自特點如表4所示。

方法 優(yōu) 點 缺點 強制電流法 1．輸出電流連續(xù)可調(diào)，可滿足較大的保護(hù)電流密度要求
2．不受環(huán)境電阻率限制
3．工程越大越經(jīng)濟(jì)
4．對管道防腐覆蓋層質(zhì)量要求相對較低
5．保護(hù)裝置壽命長 1．需要可靠外部電源
2．對臨近金屬構(gòu)筑物干擾大，特別是輔助陽極附近3．需設(shè)陰極保護(hù)站，日常進(jìn)行維護(hù)管理
4．在需要較小電流時，無法減少最低限度的裝置費用 犧牲陽極法 1．不需要外部電源
2、對臨近金屬構(gòu)筑物干擾小
3．管理工作維護(hù)工作量小
4．工程費用與保護(hù)長度成正比
5．保護(hù)電流分布均勻，利用率高

1．高電阻環(huán)境不宜使用
2．保護(hù)電流個可調(diào)
3．對覆蓋層質(zhì)量要求高
4．消耗有色金屬，需定期更換
5．雜散電流干擾大時個能使用

　　選擇陰極保護(hù)方式，應(yīng)根據(jù)防腐層質(zhì)量、土壤環(huán)境、現(xiàn)場條件和運行管理等因素，進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，綜合考慮確定。一般原則是：①工程規(guī)模人宜采用強制電流，規(guī)模小則官采用犧牲陽極。②市區(qū)內(nèi)考慮到對外界干擾電流的影響，一般應(yīng)采出犧牲陽極。③當(dāng)土壤電阻率大于100Ω·m時，或管道覆蓋層質(zhì)量差，一般宜采用強制電流。
　　根據(jù)上述原則，經(jīng)過分析比較，寧波市輸水鋼管陰極保護(hù)考慮管線埋設(shè)現(xiàn)場的特點以及對外界干擾因素的不同，分別采取犧牲陽極和強制電流陰極保護(hù)兩種方式。蕭鎮(zhèn)引水工程全長29.4km，其中20.8km管段采用強制電流，設(shè)蕭鎮(zhèn)、北渡兩個陰極保護(hù)站，其余8．6km管段因處市區(qū)，采用了犧牲陽極。江東原水工程全長15.7km，起始段無可靠交流電源，末段處于勤縣中心區(qū)和寧波市區(qū)，全線陰極保護(hù)系統(tǒng)均采用犧牲陽極法。橫山引水工程共長57.3km，其中兩端各8km管段采用強制電流保護(hù)，其余段因無可靠交流電源，采
于犧牲陽極。穿越東錢湖段兩端采用直接焊接捆綁塊狀鎂陽極。
2．3 主要技術(shù)參數(shù)的確定
　　（1）工程設(shè)計壽命。輸水鋼管陰極保護(hù)工程設(shè)計壽命應(yīng)與被保護(hù)答道使用年限相匹配，一般可取15～25年。
　　（2）管道保護(hù)電位。相對于飽和銅／硫酸銅參比電極的管道保護(hù)電位至少為-850mV。
　　（3）最小保護(hù)電流密度。最小保護(hù)電流密度是陰極保護(hù)設(shè)計的重要參數(shù)，它的大小與被保護(hù)管道覆蓋層質(zhì)量、種類和管道周圍的土壤電阻率大小等因素有關(guān)，但一般難以進(jìn)行理論計算。（給水排水設(shè)計手冊）中所提供的埋地金屬管道所需保護(hù)電流密度數(shù)值范圍大，難以準(zhǔn)確選擇合理的數(shù)據(jù)。因此在陰極保護(hù)設(shè)計施工中應(yīng)根據(jù)具體的環(huán)境條件，參照同類工程的運行數(shù)據(jù)，確定較符合實際情況的數(shù)值。也可試在小部分管段采用簡易強制電流系統(tǒng)實地測量。根據(jù)寧波地區(qū)土壤電阻率低的特點，參照同類工程運行參數(shù)，我們確定寧波三項引水工程鋼管陰極保護(hù)設(shè)計最小保護(hù)電流密度為：外加電流法用0.3～0.4mA/m²，犧牲陽極活用0.15mA／m²。
2．4 犧牲陽板材料的選擇
　　應(yīng)根據(jù)管道沿線土壤電阻率測量結(jié)果，參照石油行業(yè)《埋地鋼制管道犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計規(guī)范）和＜鎂合金犧牲陽極應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)），進(jìn)行犧牲陽板材料和規(guī)格的選擇，可參見表5、表6。

表5 犧牲陽板材料種類的選擇

土壤電阻率/Ω.m 可選陽極種類 ＞100 帶狀鎂陽極 60-100 鎂（-1.7V） 40-60 鎂 ＜40 鎂（-1.5V） ＜15 鎂（-1.5V)、鋅 ＜5 鋅

　　根據(jù)土壤電阻串的測量和土壤腐蝕性的判斷，——寧波市輸水鋼管陰極保護(hù)工程實施中的犧牲陽極選用鎂陽極，土壤電阻率在40Ω·m以下采用鎂鋁鋅合十金陽極，40Ω·m以下采用純鎂陽極。每支陽極的質(zhì)量規(guī)格均采用14kg。

表6 鎂陽極規(guī)格的選擇

土壤電陰率/Ω.m 可選陽極規(guī)格／kg ＞100 2或4 100-50 4或8 50-20 8或11 20-10 11或14 ＜10 14或22

2．5 犧牲陽極設(shè)計簡要計算
　　（1）單支鎂陽極輸出電流計算式為：
　　　　　　　　　　　I_MG=150000FY／θ．
　　式中：I_MG——單支鎂陽極的輸出電流，mA；
　　　　　　F——質(zhì)量修正系數(shù)；
　　　　　　Y——電位修正系數(shù)：
　　 p——土壤電阻率，Ω·cm。
　　我們在設(shè)計中根據(jù)＜給水排水設(shè)計手冊），取F為1.16；Y為0.93;p按實測當(dāng)?shù)赝寥离娮杪嗜∑骄禐?100Ω·cm。經(jīng)計算得IMG=77mA。
　　（2）每組鎂陽極支數(shù)計算式為：
　　　　　N=bIA／IMG
　　式中b——備用系數(shù)，根據(jù)寧波地區(qū)土壤電阻率低的情況，取2：
　　IA——每組陽極需輸出保護(hù)電流，mA。
　　我們在實施小取每組陽極保護(hù)長度為250m，最小保護(hù)電流密度取0．15mA／m³，被保護(hù)管道直徑為1.6m。則IA=0.15×1．6×3．14×250＝188．4mA。所以：N＝2×188．4／77＝4．89≈5（支）
　　（3）陽極使用壽命計算采用美國HARCO防腐公司的經(jīng)驗公式：
　　　　　T=57.08Wη／IMG
　　式中W——為單支陽極質(zhì)量（b，1b＝0．45kg）；我們采用鎂陽極質(zhì)量為14kg，乘以2.2化為質(zhì)量磅數(shù)。
　　　 η——為系數(shù)，通常取0.75。則設(shè)計壽命T≈17年。
2．6 強制電流保護(hù)站的設(shè)置
　　陰極保護(hù)站的設(shè)置應(yīng)考慮到有可靠的交流電源、便于維護(hù)管理以及防止人為破壞等因素，一般陰極保護(hù)站宜設(shè)在泵站或水廠廠區(qū)。
　　蕭鎮(zhèn)段在蕭鎮(zhèn)、北渡泵站各設(shè)一座陰極保護(hù)站。蕭鎮(zhèn)陰極保護(hù)站設(shè)恒電位儀2臺（1用1備），輔助陽極為30支YJBSiCr50×1200mm雙端接頭的含鉻高硅鑄鐵陽極，距管道100m，沿管道垂百方向一字形水平埋設(shè)。北渡陰極保護(hù)站設(shè)恒電位儀3臺（2用1備）。埋設(shè)兩組輔助陽極（規(guī)格數(shù)量同上），每臺儀器對應(yīng)一組陽極。為防止未通電保護(hù)的泵站內(nèi)管道發(fā)生雜散電流干擾腐蝕，對站內(nèi)管道實施了犧牲陽極陰極保護(hù)，埋設(shè)兩組各4支22kg鎂陽極。橫山段強制電流陰極保護(hù)站分別設(shè)在橫山引水管理站和北侖水廠內(nèi)，各有2臺恒電位儀（1用1備）。考慮到橫山陰極保護(hù)站處土壤電阻率比較高（240Ω·m），因此輔助陽極選用了30支YJBSiCr75×1500mm雙端接頭的含鉻高硅鑄鐵陽極，將輔助陽極水平埋設(shè)在焦炭地床中，焦炭地床寬度厚度分別為600mm，長度為2m。
　　蕭鎮(zhèn)北渡陰極保護(hù)站每臺恒電位儀保護(hù)距離8.3km，需保護(hù)電流I=8300×1.6×3.14×0.3＝12509mA。輔助陽極接地電阻0.8Ω。選取電位儀20A／24V。橫山陰極保護(hù)站，因輔助陽極接地電阻10．1Ω，選取恒電位儀30A／100V。北侖水廠陰極保護(hù)站輔助陽極接
地電阻0.8Ω，選取恒電位儀75A／35V。
2．7 管道的電氣絕緣措施
　　陰極保護(hù)需要被保護(hù)輸水管道的電氣連續(xù)性，以及與外界的絕緣，這一點非常重要，為此我們采取以下措施：①在不同的陰極保護(hù)方式之間采用約緣法蘭絕緣。②管線進(jìn)、出陰極保護(hù)站端安裝絕緣法蘭。③所有橋管處鋼管與支墩用橡膠墊片進(jìn)行絕緣處理。④所有其他與管 道直接相連的金屬件不允許直接接地。⑤考慮到湖水與土壤物理化學(xué)性的差異，穿越東錢湖段兩端安裝絕緣法蘭。⑥所有閥門井處加裝一支14kg鎂陽極。
　　上述措施在輸水鋼管陰極保護(hù)實際應(yīng)用中取得了較好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。而這些措施與石油行業(yè)陰極保護(hù)設(shè)計規(guī)范的要求有所不同。該規(guī)范要求被保護(hù)管道在穿跨越段的兩端和排水井的連接處都應(yīng)裝設(shè)絕緣法蘭或絕緣接頭。寧波地處江南水鄉(xiāng)，輸水管道跨越河流的橋管數(shù)量較多 如果每座橋管的兩端都要裝設(shè)絕緣法蘭，則施工難度大，工程費用用高。我們經(jīng)過試驗，在橋管兩端個裝設(shè)絕緣法蘭，采用橡膠墊片把輸水鋼管與管橋支承托座之間進(jìn)行絕緣隔離。另外在管道排水閥門井室也不設(shè)絕緣法蘭，而改為設(shè)置一組14kg單支鎂陽極進(jìn)行保護(hù)。這些措施滿足了陰極保護(hù)的要求，在技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較中占有明顯優(yōu)勢。
2．8 測試樁的設(shè)置
　　陰極保護(hù)測試樁是工程實施的重要內(nèi)容，也是管道保護(hù)效果測試的重要環(huán)節(jié)，一般要求沿保護(hù)管道每公里設(shè)置一個電位測試樁。
　　蕭鎮(zhèn)引水工程全程設(shè)有電位測試樁（每km一個）共18個，電流測試樁2個（距蕭鎮(zhèn)泵站5km和12km處）和絕緣法蘭測試樁4個。江東原水工程全程設(shè)有犧牲陽極測試樁（每km一個）共16個。橫山引水程管線長，且是在管道敷設(shè)2年后再實施陰極保護(hù)施工，再次征地較為困難，考慮到橫山沿線有40座管橋，也可做為測試點的補充，故對電位測試樁間距作了調(diào)整，約1.skin設(shè)1個，共設(shè)置電位測試樁23個。此外設(shè)置犧牲陽極測試樁10個。
2.9 陰極保護(hù)效果的判斷
　　衡量陰極保護(hù)狀況的好壞是根據(jù)保護(hù)站位來判斷的，參照石油行業(yè)的設(shè)計規(guī)范，輸水鋼管陰極保護(hù)良好狀態(tài)時的保護(hù)電位應(yīng)滿足：①對普通土壤，測得管道保護(hù)電位為-850mV湘對Cu—CuSO4，下同）或更負(fù)；②管道表面與同土壤接觸的參比電極之間測得陰極極化電位不得小于 100mV；③最大保護(hù)電位的限制應(yīng)根據(jù)覆蓋層及環(huán)境確定，以不損壞覆蓋層的粘結(jié)力為準(zhǔn)，一般可取-1．5V。
　　橫山引水工程犧牲陽極施工時，根據(jù)上述判斷標(biāo)準(zhǔn)分析，通過實測保護(hù)電位，發(fā)現(xiàn)有部分地段保護(hù)電位未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，主要原因是：因自然條件限制和征地困難，陽極床埋設(shè)位置不能均布，在陽極床間距較大處出現(xiàn)保護(hù)不夠；由于管道敷設(shè)后未及時做陰極保護(hù)，在腐蝕性較強的土壤條件下，涂層的平均電阻較小，電流泄漏較大。為保證本工程鋼管陰極保護(hù)效果和使用壽命，對原設(shè)計做了適當(dāng)變吏，在保護(hù)不足處共增加了31組犧牲陽極，在土壤電阻率低的管段，每組陽極數(shù)量由5支增加到6支。采取上述措施后，經(jīng)實地測
量，被保護(hù)管段電位達(dá)到要求。
　　在對橫山強制電流保護(hù)段電位測量中，我們發(fā)現(xiàn)管道保護(hù)電位的分布并個是沿管道測量點與通電點的距離增加而減小，見表7。

表7 橫山引水工程橫山站強制電流陰極保護(hù)數(shù)據(jù)測量

測量點 通電量 P1 P2 P3 P4 P5 P6 自然電位/-V 0.60 0.59 0.60 0.55 0.585 0.64 0.58 保護(hù)電位/-V 1.226 1.398 0.885 1.036 0.904 0.877 0.866

　　 這主要是因為這一保護(hù)段沿線土壤電阻車變化大，最大處可達(dá)400Ω.m，最小僅為38Ω·m，相差一個數(shù)量級，管道沿線土壤電阻率的變化影響了保護(hù)電位的分布。這意味著，盡管在土壤電阻率低的地區(qū)或遠(yuǎn)離通電點的保護(hù)電位達(dá)到要求，并不表示在土壤電阻
率高或距離通電點近的管段保護(hù)電位也能達(dá)到要求。在管線保護(hù)電位測是中應(yīng)注意此現(xiàn)象，確保全線達(dá)到保護(hù)要求。
　　橫山引水工程陰極保護(hù)是在管道敷設(shè)2年后再進(jìn)行實施陰極保護(hù)的，北侖水廠附近段土壤電阻率與蕭鎮(zhèn)至北渡間的土壤情況相似，但理論計算北侖水廠段干均保護(hù)電流密度大于蕭鎮(zhèn)段，蕭鎮(zhèn)的陰極保護(hù)是與管道同時投運的，由此可見，陰極保護(hù)對防腐層也有一定
的保護(hù)作用。

3 結(jié)論與探討

　　（1）輸水鋼管陰極保護(hù)技術(shù)的推廣應(yīng)用是十分必要的。陰極保護(hù)的設(shè)計與施工應(yīng)與管道建設(shè)同時實施，這在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都是切實可行的。
　　（2）鋼管的陰極保護(hù)有強制電流和犧牲陽極兩種方法，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境和施工條件等因素加以比較確定，一般來說進(jìn)入城市市區(qū)的輸水管道應(yīng)采用犧牲陽極法。
　　（3）管道防腐涂層的質(zhì)量和電阻率是影響保護(hù)范圍和保護(hù)電位均勻分布的關(guān)鍵，同時管道沿線土壤電阻率的大小也會對保護(hù)電位的分布產(chǎn)生影響。
　　（4）在實施陰極保護(hù)時，確保管道的電連續(xù)性以及管道與外界的電絕緣是至關(guān)重要的。而絕緣的形式不是唯一的，輸水鋼管的橋管兩端未必一定采用絕緣法蘭，而采用橡膠絕緣墊層的形式在技術(shù)上是：可行的，在經(jīng)濟(jì)上占有明顯優(yōu)勢。
　　（5）在采用強制電流法陰極保護(hù)時，恒電位儀選·型應(yīng)根據(jù)防腐層質(zhì)量、陽極接地電阻和土壤電阻率測試情況而定，選擇不同電壓電流比的恒電位儀。作為備用的恒電位便宜在工程投入運行后根據(jù)情況再行購置。
　　（6）管道采用犧牲陽極法保護(hù)時，陽極的選擇應(yīng)根據(jù)土壤電阻率來確定。在土壤電阻率較低地段要合理選擇陽極的埋設(shè)位置，確保陽極距離管道有一定的距離，保證管道電位均勻分布。
　　（7）陰極保護(hù)工程實施和投運后，日常運行管理不可忽視。對全線測試樁要保護(hù)好，管道保護(hù)電位的測量應(yīng)定期進(jìn)行，發(fā)現(xiàn)問題及時采取措施，使得保護(hù)電位達(dá)到要求。
　　（8）要認(rèn)真總結(jié)輸水鋼管陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用的實踐經(jīng)驗，供水行業(yè)有必要制訂相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范。

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