摘要：論述了新建埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿狸帢O保護(hù)方法的選擇，強(qiáng)制電流法陰極保護(hù)設(shè)計(jì)主要參數(shù)的確定、工藝計(jì)算、工程設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)及應(yīng)用實(shí)例。
關(guān)鍵詞：埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿?；陰極保護(hù)；強(qiáng)制電流法；設(shè)計(jì)
Design of Impressed Current Cathodic Protection for New Buried Steel Gas Pipeline
GA0 Peng，WANG Ya-ping，KANG Zhi-gang，LI Zhi，ZHANG Yan
Abstract：The selection of cathodic protection methods for new buried steel gas pipeline，the determination of main design parameters for impressed current cathodic protection，the process calculation，the matters needing attention in engineering design and the application example are discussed.
Key words：buried steel gas pipeline；cathodic protection；impressed current；design
??? 鋼質(zhì)燃?xì)夤艿酪虬l(fā)生電化學(xué)腐蝕往往對(duì)社會(huì)造成嚴(yán)重危害，實(shí)踐證明控制管道腐蝕的主要方法是防腐層和陰極保護(hù)[1]。CJJ 95—2003《城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道腐蝕控制技術(shù)規(guī)程》對(duì)城鎮(zhèn)燃?xì)饴竦劁撡|(zhì)管道腐蝕控制進(jìn)行嚴(yán)格的技術(shù)規(guī)定，強(qiáng)制要求新建的高壓、次高壓、公稱直徑≥100mm的中壓管道和公稱直徑≥200mm的低壓管道必須采用防腐層輔以陰極保護(hù)的腐蝕控制措施，管道運(yùn)行期間陰極保護(hù)不應(yīng)間斷。
1 新建鋼質(zhì)燃?xì)夤艿狸帢O保護(hù)方法選擇
? ??陰極保護(hù)技術(shù)有兩種方法：強(qiáng)制電流法和犧牲陽極法。不論何種方法，合理有效的陰極保護(hù)系統(tǒng)都可以獲得良好的保護(hù)效果，防止腐蝕產(chǎn)生危害。選擇陰極保護(hù)方法時(shí)考慮的主要因素有：管道防腐層性能，工程規(guī)模，保護(hù)電流大小，環(huán)境條件，土壤電阻率，管網(wǎng)現(xiàn)狀，交、直流干擾情況，有無經(jīng)濟(jì)方便的電源，工程造價(jià)等。
??? 強(qiáng)制電流法的優(yōu)點(diǎn)是[2]：輸出電流連續(xù)可調(diào)；保護(hù)范圍大；不受環(huán)境電阻率限制；工程越大越經(jīng)濟(jì)；保護(hù)裝置壽命長。其缺點(diǎn)是：需要外部電源；對(duì)鄰近金屬構(gòu)筑物干擾大；維護(hù)管理工作量大。
??? 犧牲陽極法的優(yōu)點(diǎn)是[2]：不需要外部電源；對(duì)鄰近構(gòu)筑物無干擾或干擾很??；投產(chǎn)調(diào)試后管理工作量小；工程越小越經(jīng)濟(jì)；保護(hù)電流分布均勻，利用率高。其缺點(diǎn)是：高電阻率環(huán)境下不宜使用；保護(hù)電流幾乎不可調(diào)；防腐層質(zhì)量必須好；投產(chǎn)調(diào)試工作復(fù)雜；消耗有色金屬。
??? 在城市燃?xì)庑袠I(yè)陰極保護(hù)中，強(qiáng)制電流法和犧牲陽極法都有廣泛運(yùn)用。長輸管道一般采用強(qiáng)制電流法，市內(nèi)管道一般采用犧牲陽極法。也有部分城市針對(duì)市內(nèi)在役管道增加陰極保護(hù)項(xiàng)目時(shí)采用強(qiáng)制電流法為主，并輔以犧牲陽極法[3、4]。
??? 新建燃?xì)忾L輸管道一般采用絕緣性能優(yōu)良的3PE防腐層，需要的陰極保護(hù)電流比較小，在實(shí)踐中一般采用強(qiáng)制電流法，其設(shè)計(jì)主要按照SY/T 0036—2000《埋地鋼質(zhì)管道強(qiáng)制電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行。對(duì)于土壤電阻率特別高，不適宜采用犧牲陽極的地方，也建議采用強(qiáng)制電流法。
2 強(qiáng)制電流法設(shè)計(jì)主要參數(shù)的確定
2.1 土壤電阻率的測(cè)試
??? 土壤電阻率的影響有兩方面：陽極地床處的土壤電阻率決定輔助陽極的種類、規(guī)格、埋設(shè)位置；管道沿線的土壤電阻率影響電流密度的大小。
2.2 陰極保護(hù)電流密度的選擇
??? 影響保護(hù)電流密度參數(shù)的因素很多，主要有被保護(hù)管道的表面狀況(防腐層類別及質(zhì)量)、環(huán)境條件(如溫度、介質(zhì)狀態(tài)、pH值、含鹽量及種類、含氧量、微生物活動(dòng)等)和被保護(hù)金屬種類等。對(duì)不同類型的外防腐層和土壤介質(zhì)，強(qiáng)制電流法陰極保護(hù)電流密度的選擇在實(shí)踐中差別較大。
??? 有文獻(xiàn)描述陰極保護(hù)電流密度與防腐層絕緣電阻有對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以用以下經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)[2]：
??? 
式中ip——陰極保護(hù)電流密度，mA/m2
??? Rg——防腐層絕緣電阻，Ω·m2
??? 也有文獻(xiàn)描述陰極保護(hù)電流密度與土壤電阻率有關(guān)聯(lián)，認(rèn)為對(duì)埋設(shè)在以高電阻率、低腐蝕速率為特征的腐蝕性較小的土壤中的鋼管，陰極保護(hù)所需要的電流密度要大大小于埋設(shè)于低電阻率、高腐蝕性土壤中的管道。將電流密度與土壤電阻率的關(guān)系用以下公式表達(dá)[5]：
??? lgip=-lgρ+1.54??? (2)
式中ρ——土壤電阻率，Ω·m
??? 在陰極保護(hù)實(shí)踐中，對(duì)于新建管道的強(qiáng)制電流法電流密度選擇一般根據(jù)不同的防腐層類型，選擇范圍為0.05～0.40mA/m2。建議在設(shè)計(jì)中可以按照表1選擇電流密度。
表1 管道外防腐層類別與電流密度的選擇
?
外防腐層類別 | 石油瀝青 | 聚乙烯膠帶 | 三層PE |
保護(hù)電流密度/(mA·m-2) | 0.30～0.40 | 0.10～0.20 | O.05～0.10 |
2.3 陰極保護(hù)效果判據(jù)
??? 保護(hù)電位是表征陰極保護(hù)效果的重要指標(biāo)，陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)效果應(yīng)達(dá)到下列指標(biāo)之一[6]：
??? ① 施加陰極保護(hù)后，使用銅-飽和硫酸銅參比電極(以下簡稱CSE參比電極)測(cè)得的極化電位至少應(yīng)達(dá)到-850mV或更低。測(cè)量電位時(shí)，必須考慮除構(gòu)筑物與電解質(zhì)界面處之外的電壓降影響。
??? ② 采用斷電法測(cè)得管道相對(duì)于CSE參比電極的極化電位應(yīng)達(dá)到-850mV或更低。
??? ③ 在陰極保護(hù)極化形成衰減時(shí)，測(cè)得被保護(hù)管道表面與接觸土壤的、穩(wěn)定的CSE參比電極之間的陰極極化電位差不應(yīng)小于100mV。
??? ④ 存在細(xì)菌腐蝕時(shí)，管道通電保護(hù)電位(相對(duì)于CSE參比電極)應(yīng)低于或等于-950mV。
??? ⑤ 在沙漠地區(qū)，管道通電保護(hù)電位(相對(duì)于CSE參比電極)應(yīng)低于或等于-750mV。
??? 對(duì)如何消除構(gòu)筑物與電解質(zhì)界面處之外的電壓降影響，一般在測(cè)試中通過控制設(shè)備通電12s，斷電3s來達(dá)到。有文獻(xiàn)報(bào)道利用APM-1型智能測(cè)試儀，可以消除因測(cè)試技術(shù)的原因造成電壓降對(duì)保護(hù)電位測(cè)試的影響[7]。
3 強(qiáng)制電流法陰極保護(hù)設(shè)計(jì)工藝計(jì)算[8]
3.1 保護(hù)長度計(jì)算
??? 強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的保護(hù)長度按下列公式計(jì)算：
??? 
式中L——保護(hù)長度，m
??? L0——單側(cè)保護(hù)長度，m
??? △UL——最大保護(hù)電位與最小保護(hù)電位之差，V
??? D——管道外徑，m
??? ip——保護(hù)電流密度，A/m2
??? Rt——單位長度管道縱向電阻，Ω/m
??? ρT——鋼管電阻率，Ω·m2/m
