天然氣管道陽極地床設(shè)計及施工中的注意事項

趙之華 張燁

摘 要：輔助陽極地床作為強制電流陰極保護(hù)的主要組成部分，其設(shè)計和施工決定了地床的接地電阻并最終影響了保護(hù)效果。本文以江山支線天然氣管道陽極地床的設(shè)計和施工為課題，對陽極地床設(shè)計和施工中須注意的事項進(jìn)行深入的探討。

關(guān)鍵詞：陽極地床 設(shè)計 施工 注意事項

中圖分類號：TU996.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）03（b）-0116-01

目前強制電流陰極保護(hù)法作為防止和緩解金屬腐蝕的有效方法，已在天然氣等長輸埋地鋼制管道中廣泛應(yīng)用。但由于人們對陰極保護(hù)中的陽極地床重視不足，施工措施不規(guī)范導(dǎo)致輔助陽極接地偏高，影響了埋地管道的陰極保護(hù)效果。因此對陽極地床設(shè)計和施工中的注意事項進(jìn)行重點歸納，可以有效規(guī)范陽極地床的設(shè)計和施工。

1 外加電流陰極保護(hù)法原理[1]

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要由電源設(shè)備、輔助陽極、被保護(hù)管道、附屬設(shè)施四部分組成。輔助陽極作為保護(hù)系統(tǒng)中的重要組成部分，當(dāng)電源設(shè)備正極輸出的保護(hù)電流經(jīng)土壤流入被保護(hù)管道，再由管道流入保護(hù)設(shè)備負(fù)極形成一個電解池回路。輔助陽極在正極進(jìn)行氧化反應(yīng)，不斷失去電子遭受腐蝕，而受保護(hù)的金屬管道在負(fù)極進(jìn)行還原環(huán)反應(yīng)，不斷得到電子，使管道金屬表面陰極極化，防止了腐蝕發(fā)生。

2 江山支線工程概況

江山支線天然氣管道全長約52公里，管徑φ355.6，材質(zhì)為L360高頻直縫電阻焊鋼管。管道起點為衢州分輸站，終點為江山末站。根據(jù)設(shè)計要求管道采用加強級三層PE防腐層，

全線采用外加電流陰極保護(hù)法，輔助陽極地床及保護(hù)系統(tǒng)設(shè)置在衢州站一側(cè)。

3 陽極地床設(shè)計

3.1 地質(zhì)勘察及地床定位

輔助陽極與管道距離愈遠(yuǎn)電流分布愈均勻，但過遠(yuǎn)會增加引線上的電壓降和投資，因此輔助陽極的距離和埋設(shè)方式應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場情況選定。地床位置確定原則[1]：（1）地下水位較高或潮濕低洼處。（2）土壤電阻率50 Ω·m以下的地點。（3）土層厚，無石塊，便于施工處。（4）陽極與管線之間不得有其它管線或金屬設(shè)施。

現(xiàn)場地質(zhì)勘探取樣后，衢州站周圍的地質(zhì)條件是地表以下依次土層、強風(fēng)化和中分化巖石層，且土壤電阻率為13.8～116.9 Ω·m。根據(jù)地床位置確定原則，本工程陽極地床確定位于距場站工藝區(qū)及進(jìn)出站管線50 m處的相對土層較厚，且土壤電阻率相對較低的空地。

3.2 地床類型選擇

陽極地床一般可分深井式和淺埋式[2]。

深井式：地表土壤電阻率高或地下管網(wǎng)等構(gòu)筑物較集中區(qū)域，分淺深井（20～40 m）、中深井（50～100 m）、深井（>100 m）。優(yōu)點：接地電阻小、占地少、壽命長，缺點：施工復(fù)雜、造價高。

淺埋式：地表土壤電阻率較低或地下鋼鐵構(gòu)筑物不密集區(qū)域，埋入距地表1～5 m土層，分為立式和水平式。優(yōu)點：接地電阻變化小；施工費低、維護(hù)方便。缺點：占地大、開挖、回填量大。

根據(jù)衢州站周圍管網(wǎng)密集程度及土質(zhì)狀況的具體特點，為避免對周圍管道產(chǎn)生直流干擾及降低陽極地床接地電阻，地床方式設(shè)計為一口深度50 m的深井陽極。

3.3 地床材質(zhì)要求

本工程采用工廠預(yù)制式深井陽極體，陽極組合體用外徑為219 mm，長6 m的鋼套管做成。每組陽極體內(nèi)串接有3支直徑25 mm×1000 mm，表面覆蓋貴金屬氧化膜（氧化銥和氧化鉭（IrO/TaO））組成的鈦鍍貴金屬氧化物陽極。陽極體在工廠預(yù)先封裝，貴金屬氧化物陽極周圍應(yīng)填充高純度、低阻抗碳素填料。電纜在陽極筒內(nèi)連接，接觸電阻<0.05 Ω。

4 陽極地床施工及注意事項

4.1 地床布置形式調(diào)整

根據(jù)設(shè)計方案，施工隊在鉆至11 m井深時，出現(xiàn)鉆頭卡井、鉆桿變形情況。在排除非人為誤操作后，經(jīng)現(xiàn)場分析確定受地質(zhì)堅硬、電阻率高的中風(fēng)化巖層阻礙，無法下鉆至設(shè)計深度50 m?？紤]中風(fēng)化巖石層的電阻率較高，會引起陽極地床的接地電阻偏高，可能導(dǎo)致保護(hù)電位和保護(hù)電流達(dá)不到設(shè)計要求，從而降低對管道的保護(hù)效果。經(jīng)設(shè)計同意后，施工時將一口50 m深井調(diào)整為5口11 m垂直布置的淺埋式陽極井，每口井內(nèi)安裝一組預(yù)制式陽極體，預(yù)制的陽極體的具體要求不變，采用并聯(lián)連接。

4.2 陽極地床施工

4.2.1 進(jìn)場驗收[3]

陽極體到場后先進(jìn)行外觀檢查，確定外觀完好、陽極體兩端封堵較嚴(yán)密、焦炭粒填裝密實。鋼套管分段預(yù)制陽極體應(yīng)有和井深相適應(yīng)的電纜，電纜型號必須與設(shè)計值一致，并且有排氣管伸出陽極體等， 在完成進(jìn)場驗收并確認(rèn)合格后方可下井安裝。

4.2.2 陽極制作及安裝

分段預(yù)制的結(jié)構(gòu)和組合組裝工藝的陽極，必須控制單段的裝配尺寸精度、填料的密實度、排氣管及貴金屬氧化物陽極的固定定位及保護(hù)陽極表面氧化物燒結(jié)層等關(guān)鍵工藝，以保證陽極體質(zhì)量。施工現(xiàn)場的陽極下井就位安裝主要是注意按順序吊裝、套管間螺栓緊固和上部排氣管與陽極引出線的安裝工作。

4.2.3 填料及回填要求

為降低陽極地床電阻，填料必須采用導(dǎo)電性能良好的高純度低阻抗碳素（直徑小于5 mm）。其主要性能指標(biāo)：含碳量>90%、電阻率<0.01 Ω·cm。當(dāng)陽極體吊裝至預(yù)定深度后，用低阻抗碳素填料應(yīng)將貴金屬氧化物陽極與井壁之間緊密填充。

4.2.4 氣阻問題

氣阻也是導(dǎo)致陽極報廢的主要原因，在工廠分段預(yù)制的陽極體應(yīng)安裝專門的排氣管，并保證各組間及與上部排氣管定位準(zhǔn)、現(xiàn)場連接方便可靠。封裝時應(yīng)將排氣管引出，排氣通暢，防止氣阻的發(fā)生。

5 陽極地床接地電阻測試及保護(hù)效果

陽極施工完成后，用接地電阻測試儀對5個淺埋式陽極體的并聯(lián)接地電阻進(jìn)行測試，測試電阻小于3 Ω。后期調(diào)試中采用型號HDY恒電位儀（輸出電壓40 V，輸出電流20 A）進(jìn)行調(diào)試，實測參數(shù)：管道匯流點電位-1.19 V，管道最小保護(hù)電位-0.95 V。設(shè)計值：管道匯流點電位-1.15 V，管道最小保護(hù)電位-1.15V～-0.85 V，結(jié)果證明實測參數(shù)達(dá)到設(shè)計要求。

6 結(jié)語

綜上所述，在熟悉設(shè)計規(guī)范要求的基礎(chǔ)上，根據(jù)實際地質(zhì)情況合理設(shè)計陽極地床位置和類型，正確選擇陽極體和填料的材質(zhì)，并對施工中的進(jìn)場驗收、安裝施工、填料回填等環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)和處理，可以有效的防止陽極地床接地電阻偏高，使后期陰保系統(tǒng)運行參數(shù)達(dá)到理想效果。

參考文獻(xiàn)

[1]國家石油和化學(xué)工業(yè)局.埋地鋼質(zhì)管道強制電流陰極保護(hù)設(shè)計規(guī)范[Z].2000（3）：15.

[2]田戈.田玉林.深井陽極地床的設(shè)計與施工[J].防腐保溫，2003，11（1）：20-21.

[3]楊萬國，徐公銀，鄭克江.深井陽極施工注意事項[J].石油工程建設(shè)，2009，35（6）：39-40.