阴极保护技术在埋地燃气管道中应用研究

阴极保护技术在埋地燃气管道中应用研究 刘鹏刚1，李妍2 （1. 中冶华天包头设计研究总院有限公司市政院，内蒙古 包头 014010； 2. 内蒙古包钢庆华煤化工有限公司，内蒙古 包头 014010） 摘 要：针对埋地燃气管道的腐蚀问题，首先对我国埋地燃气管道的腐蚀现状进行简单分析，然后从阴极保护方案选择、阴极保护系统基本要求及参数选择、通电点及参比电极的安装、测试桩改进、测试桩及恒电位仪的安装以及阳极布局优化等方面入手，对阴极保护技术在埋地燃气管道中的应用进行具体设计。研究表明：燃气管道一般均选用牺牲阳极的方法进行阴极保护，在实施阴极保护的过程中，管道保护电位最大为-0.85 V，新建管道自腐蚀电位最大为-0.55 V，接地电流为20 mA/m2，阳极地床与管道之间的水平距离应大于300 mm，垂直距离不应小于1.5 m。 关 键 词：阴极保护；埋地燃气管道；腐蚀现状；阳极地床；测试桩 中图分类号：TQ050.9+6 文献标识码： A 文章编号： 1671-0460（2019）06-1311-04  Application of Cathodic Protection Technology in Buried Gas Pipeline LIU Peng-gang1, LI Yan2 （1. MCC Huatian Baotou Design and Research Institute Co. Ltd., Neimenggu Baotou 014010, China； 2. Inner Mongolia Baogang Group Qinghua Coal Chemical Co., Ltd., Neimenggu Baotou 014010, China） Abstract: Aiming at the corrosion problem of buried gas pipelines, the corrosion status of buried gas pipelines in China was briefly analyzed, and then cathodic protection scheme selection, basic requirements and parameters selection of cathodic protection system, installation of electrified point and reference electrode, improvement of test pile, installation of test pile and potentiostat,and optimization of anode layout were discussed. The application of protection technology in buried gas pipeline was designed concretely. The results show that sacrificial anode is generally used for cathodic protection of gas pipelines. In the process of cathodic protection, the maximum protective potential of pipelines is -0.85 V, the maximum self-corrosion potential of new pipelines is -0.55 V, and the grounding current is 20 mA/m2. The horizontal distance between the anode bed and pipelines should be greater than 300 mm, and the vertical distance should not be less than 1.5 m. Key words: Cathodic protection; Buried gas pipeline; Corrosion status quo; Anode ground bed; Test pile 对于城市中的埋地燃气管道而言，尽管已经采取了各种涂层防腐措施，但是受到众多客观因素的干扰，使得管道仍然会出现严重的腐蚀问题。与长输管道相比，当城市燃气管道出现腐蚀问题且较为严重时，所造成的后果将更为严重，因此，十分有[1]必要对埋地燃气管道实施阴极保护措施。但是，由于城市燃气管道与油气长输管道相比存在较多的区别，因此，长输管道中的阴极保护措施并不能直接应用于城市燃气管道，十分有必要对城市燃气管道的阴极保护问题进行系统研究。 孔等，这些缺陷主要是在材料加工及运输的过程[2]中产生的。当涂层及管道埋设于地下以后，受到土壤及地层人员活动的影响，会使得涂层缺陷扩大化，进而管道无法被有效保护，使得管道腐蚀速率增加，如图1所示即为国内某燃气管道腐蚀图，这种严重的管道腐蚀问题将严重威胁燃气管道的安全，因此，必须进一步采取措施降低管道腐蚀速率。 1 埋地燃气管道腐蚀现状及原理分析 目前，我国大多数的城市燃气管道都采有涂层防腐的方式降低管道腐蚀速率，所采用的涂层技术有环氧煤沥青涂层、3PE涂层等，尽管这些涂层技术使得管道腐蚀速率大大降低，但是不管涂层的质量如何，涂层上都会存在一定的缺陷，例如针 图1 燃气管道腐蚀例图 Fig.1 Examples of corrosion of gas pipelines 基金项目：国家自然科学基金项目，项目号：51174046。 收稿日期：2019-01-14 作者简介： 刘鹏刚（1981-），男，山东菏泽人，2010年毕业于中国矿业大学（北京）化环学院，主要从事市政工程设计工作。E-mail：9910596@qq.com。  

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通过调查及分析后发现，引起城市燃气管道腐蚀的因素主要有四点：

（1）城市燃气管道在日常运行的过程中，极易受到城市中杂散电流的干扰，杂散电流的存在不但会对涂层产生一定的破坏，而且可以加速管道的腐蚀。

（2）目前国内并没有形成专业的涂层检测标准，造成部分涂层材料质量低下，在使用几年以后，涂层会出现凹凸不平问题，这说明涂层的粘结力严重不足。

（3）我国部分燃气管道施工单位人员水平较低，在施工的过程中会对管道产生一定的损伤，进而造成管道上涂层不严密问题的出现，尽管长时间的运行以后，必然会出现严重的腐蚀问题。

（4）我国部分城市的地下水位相对较高，且土壤中含有大量的腐蚀性细菌，再加上土壤的透气性相对较差，使得管道的腐蚀速率加快。

2 埋地燃气管道阴极保护方案

2.1 阴极保护方案选择

目前，常见的管道阴极保护方法主要有两种，分别是牺牲阳极的保及外加电流的保，这两种方法存在原理上的区别，但是都可以对管道起到有效的保护，对于长输管道而言，一般都采用外加电流的保，这主要是因素长输管道的距离相

对较长，且受到外界杂散电流的干扰相对较小[3]

。但是对于城市燃气管道而言，由于管道所处的范围相对较小，管道质量相对较高，在管道运行的过程中非常容易受到外界杂散电流的干扰，因此，推荐使用牺牲阳极的保。

2.2 阴极保护系统基本要求及参数选择

（1）保护准则：对于城市燃气管道而言，在实

施牺牲阳极保时，其保护电位不应高于-0.85 V，极限保护电位不应低于-1.2 V，即保护电位应处于

-0.85~-1.2 V之间。

（2）自腐蚀电位：如果某燃气管道属于新建管

道，则其自腐蚀电位可设置为-0.55 V。

（3）保护电流密度：管道的保护电流与其涂层

有关，其具体数值如表1所示。

表1 燃气管道保护电流密度 Table 1 Protection current density of gas pipeline

涂层材料 电阻率/（Ω·m2

）

保护电流密度/（μA·m-2

）

石油沥青 10 000 50~100 环氧煤沥青 5 000 50~100 环氧粉末 50 000 10~50 3PE

50 000

<10

（4）土壤电阻率：土壤电阻率与土壤的腐蚀性有关，其具体数值如表2所示。

表2 土壤电阻率 Table 2 Soil resistivity

土壤腐蚀等级

土壤电阻率/（Ω·m2

）

强 <20 中 20~50 弱

>50

对于牺牲阳极保中的阳极地床问题，无论是城市燃气场站内的管道还是场站外的管道，阳极地床都需要与管道进行同沟敷设，同时，与燃气管道之间的水平距离不得小于300 mm，在管道与阳极地层之间尽可能保持平行。当阳极地床与城市中的电缆及其它物质需要交叉时，两者之间的距离不得小于300 mm，同时，如果两者之间可能出现干扰问

题，则需要增设专门的防护网[4]

。对于存在冻土地区的阳极地床而言，其必须埋于冻土之下1 m及以上位置处，如果阳极地床与燃气管道之间有必要采取垂直敷设，则两者之间的距离不应小于1.5 m。在进行阳极地层安装的过程中，如果安装位置处存在不可移动的障碍物，则需要根据现在的实际情况，

对阳极地床所处的位置进行调整[5]

。

2.3 通电点、参比电极的安装

通电点主要包括电缆以及参比电极，电缆又可以分为阴极电缆以及零位接阴电缆，这三者在进行安装的过程中所使用的电缆存在一定的区别，一般情况下，参比电缆、阴极电缆以及零位接阴电缆分

别选用VV-0.6/kV 1×25 mm2、VV-0.6/kV 1×16 mm2

、

VV-0.6/kV 110 mm2

的材料，同时，三者之间需要采用同沟敷设的方式与管道相连，如果与管道之间存

在交叉问题，则两者之间的距离不得小于0.3 m，同时，在交叉的位置处必须对管道施加保护套管。

对于参比电极而言，常见的材料为硫酸铜参比电极，该种材料在安装的过程中，必须降低安装在冻土位置以下，同时，在安装之前，需要降低放置于净水中浸泡，浸泡时间不得低于24 h，在安装的过程中，安装位置应尽可能接近通电点，但是与燃气管道之间的距离必须大于200 mm。在另一方面，参比电极的外壳较为脆弱，所以在安装的过程中必

须做到轻拿轻放，否则会对其自身产生损坏[6,7]

。 2.4 测试桩改进

与长输管道相比，燃气管道所处区域的人口数量相对较多，如果使用传统的测试桩，极有可能出现偷盗问题，因此，十分有必要结合不同类型测试桩的特点，开发具有防盗功能的测试桩。本次研究

第48卷第6期 刘鹏刚，等：阴极保护技术在埋地燃气管道中应用研究 1313

所提出的测试桩如图2所示。

图2 新型防盗测试桩

Fig.2 New anti-theft test pile

该种类型的测试桩主要由混凝土制造而成，其自身的高度为1 200 mm，水平长度为180 mm，中心位置为长度为160 mm的中空长方体。在测试桩的顶部位置处为接线盒，接线盒内安装有接线板，该位置即为测试点。在接电盒的下方为塑料管材料，该部分主要用于安装测试电流，在测试桩的顶部还存在盲孔，该部分的主要作用是插入塑料管，以便于工作人员可以及时寻找测试桩的位置。在该种类型测试桩的生产及安装过程中，还必须满足五点要求：

①测试桩内安装的铜片厚度应大于1 mm。 ②测试桩内的电缆必须采用黄铜材料，且电缆的直径应大于12 mm，电缆的生产必须采用机加成型；

③测试桩内的木板厚度不应小于4 mm。

④测试桩必须进行整体浇筑，所使用的混凝土材质应为C25，内部的钢筋材料应为Q235，钢筋的直径不得小于4 mm，钢筋所组成的骨架距离不得小于100 mm。

⑤测试桩内的塑料管厚度不得小于3 mm。 2.5 测试桩及恒电位仪的安装

对于测试桩的安装布局问题，首先应根据燃气管道的设计图纸确定测试桩的具体位置，在安装的过程中，应尽可能夯实测试桩的底部，并对每条电缆做好明显的编号标识，根据编号将其接入到测试桩内。然后对电缆的接头进行检查，保证接头的牢固性，检查合格之后，即可对其进行回填处理，同时，也要将回填土夯实。最后，在测试桩安装完成以后，要对其进行严格的检查，同时保证测试桩的高度要超过地表0.5 m。对于恒电位仪的安装问题，在安装之前需要对其进行严格的调试，在安装的过程中，需要邀请生产厂家的工作人员现状指导。

2.6 阳极布局优化

（1）目标函数

对于阳极布局问题，如果阳极之间的距离相对较小，则会使其与管道之间的土壤等介质电阻降低，从而使得电位值受到一定的影响，同时，也会加快阳极电位的降低速度，从而对阴极保护产生影响，因此，阳极之间必须保证处于一定的距离范围，一般情况下，最佳距离和管道的保护参数具有一定的联系。

（2）最大保护长度状态下阳极距离

通常情况下，燃气管道所接受的保护电位可以看作是管道通电点电位与其电位分布的乘积，即

EE0(a)Ef(a,x)        （1）

在上述公式中，E0（a）表示管道的通电点电位与阳极之间距离a的关系函数，Ef（a，x）表示管道电位分布与位置x和阳极之间距离a的关系函数。如果Ep表示管道的最小保护电位，则在E=Ep时，则x=L，其中L表示管道的最大保护长度，将其代入到原式中，就可以得到管道所受保护的长度L和阳极之间距离a的关系，即：

E(a)Ef(a,L)Ep           （2） Ef(a,L)-Ep            （3） 

E0(a)

0通过上述两式可以得到  

g(a,L)=Ef(a,L)-Ep       （4） 

E0(a)

0 在另一方面，在阳极之间距离非常小的前提下，管道通电点位置处的电位也不会高于管道所受的保护电位，该结论对于常规的牺牲阳极方法皆适用，但是为了确保管道受到完善的保护，所以在计算得到a的数值以后，需要对其进行一定的检验，确保管道通电点位置处的电位小于管道所受的保护电位。当阳极之间的距离减小时，管道通电点位置处的电位将会降低，这主要是因为阳极之间的距离减小，阴阳极之间的电阻降低，目前已有的电阻计算公式已经表明了该结论，例如Dwight电阻计算公式：R

d2L[ln(4L

r

)1]         （5） 式中：d —介质电阻率;

L —所使用阳极材料的长度; r —所使用阳极材料的半径。

在对管道的通电点电位进行计算的过程中，可对上述公式取倒数进行计算。 (下转第1320页)

1320 当 代 化 工 2019年6月

时，氢气回收率会下降。

（2）且由于吸附压力降低，导致吸附及解析压差减少，吸附时间延长，吸附剂用量需相应增加。

（3）且由于压力降低，导致气体体积流量增大，程控阀门口径需相应增加，PSA吸附剂。

（4）热低分压力降低时增加了低分和高分的压差，液力透平能回收更多的能量。

经计算液力透平回收的最大能量约150 kW左右，而因此带来所需氢气压缩机及循环水的电耗增加量约50 kW，且需要新增压缩机1台，价格约50万元，PSA投资费提升约20万元，年省操作费用提升约8万元，综合考虑将低分气压力设定低于2.6 MPa(g)的方案，其投资回收期均在10 a以上，低于该类装置基准投资回收期8 a，且增加了操作复杂性和占地面积。

低分压力在2.6 MPa(g)以上增长时，缺由于压力升高，PSA程控阀门等级上升导致成本上升，且所提纯的氢气仍然需要调节阀降压到2.4 MPa(g)并入新氢管网，能耗大，故本装置冷低分操作压力按2.6 MPa(g)考虑。

料，相比较该装置能耗明显较低。这是由于本装置

采用纯芳烃饱和改质方案，反应放热较多，且采用了适应于该改质路线的优化分馏及换热方案。

4 结 论

加氢装置采用汽提加分馏的分离方案，具有柴油不含硫化氢和水，含硫干气利于后续脱硫的特点。换热方案采用适用于高放热量的换热方案，使得反应炉操作负荷小，整体㶲损失小，更节能。优化的热高分温度采用240℃，冷低分压力控制在2.6 MPa(g)。优化后的流程具有工艺先进、投资小、节能的优点。

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3 装置能耗比较

经核算本装置能耗约7.7 kg标准油/t原料, 国

内同类柴油改质装置的能耗约13~17 kg标准油/t原

（上接第1313页）

3 结 论

对于城市埋地燃气管道而言，尽管采取一定的涂层防腐措施，但是由于受到各种因素的干扰，还是非常容易出现腐蚀问题，十分有必要采取阴极保护措施对其进行保护，由于燃气管道与油气长输管道存在一定的区别，所以其阴极保护与长输管道也存在一定的区别。在对城市埋地燃气管道实施阴极保护的过程中，首先推荐使用牺牲阳极的保护方法，同时，管道保护电位最大为-0.85 V，新建管道

2

自腐蚀电位最大为-0.55 V，接地电流为20 mA/m，阳极地床与管道之间的水平距离应大于300 mm，垂直距离不应小于1.5 m，测试桩应选用本次研究所提出的新型防盗测试桩，阳极布局中阳极之间的距

离需要根据本次研究所提方法进行计算。

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