新疆復雜侵蝕環(huán)境下長距離輸水管道陰極保護技術實踐與展望

李 江，楊輝琴，何向國，馬 軍

（1.新疆水利水電規(guī)劃設計管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆寒旱區(qū)水資源與生態(tài)水利工程研究中心，新疆 烏魯木齊 830000；3.河南燦加防腐保溫工程有限公司，河南 鄭州 450001）

0 引 言

鋼管（SP管）是石油、燃氣、水利行業(yè)中應用最廣泛的管材，而大口徑預應力鋼筒混凝土管（PCCP 管）在輸水行業(yè)應用也極為普遍。近年來隨著區(qū)域水資源配置工程、長距離引調(diào)水工程、城鄉(xiāng)一體化供水工程的建設，在大口徑管道方面，SP、PCCP管與化學管材相比較因其優(yōu)異的抗內(nèi)外壓能力、加工制作便利、連接形式多樣成為上述工程的首選管材。但SP 管和PCCP管中的內(nèi)襯鋼筒、預應力鋼絲等都屬于金屬，金屬材料和周圍介質(zhì)接觸時所發(fā)生化學或電化學反應而引起的腐蝕卻是金屬材料本質(zhì)特性。SP、PCCP 管除了采用內(nèi)外防腐材料對管壁進行涂裝以外，還需要考慮如何消除或減弱水、土壤侵蝕的影響，即管道的設計采用“內(nèi)抗+外防”的防護手段。所謂“內(nèi)抗”，即采用涂層進行內(nèi)外涂裝，SP 管過去采用三布五油、3PE、浸塑等方式，現(xiàn)在多用內(nèi)外涂塑；PCCP 管的持力層預應力鋼絲噴涂高標號砂漿+外壁涂刷環(huán)氧瀝青等方式，其目的是通過涂裝層提高管道內(nèi)外壁的抗侵蝕能力，延長管道使用壽命；所謂“外防”，即采用其他手段如陰極保護、管道外加裝塑料套管、管周土換填或采用兩布一膜土工布隔絕與外界侵蝕性環(huán)境接觸等提高管道抗侵蝕能力［1］。

由于運行環(huán)境的變化、涂裝層材料的老化、失效，管材自身粗制濫造等，管道運行后產(chǎn)生裂縫、破損就不可避免，從而導致發(fā)生爆管、泄露等事故，有的教訓極為深刻、代價極為慘重［2］。如“新疆某供水與生態(tài)建設工程”建設時國內(nèi)對PCCP 管的防腐蝕設計要求不高，而管線地基土腐蝕性較強且當?shù)氐卣痤l發(fā)，造成管線建成通水后爆管時有發(fā)生，影響當?shù)厣a(chǎn)、生活用水；又如2013年11月22日，中國黃島輸油管道爆炸事件，事故共造成62 人死亡，136 人受傷，直接經(jīng)濟損失7.5 億元，事后查明事故發(fā)生的直接原因是輸油管道與排水暗渠交匯所處區(qū)域土壤鹽堿和地下水氯化物含量高，導致管道加速腐蝕減薄、破裂，造成原油泄漏，進一步導致爆炸事故。

近年來，新疆實施的多個引調(diào)水工程、城鄉(xiāng)一體化供水工程，除了在管材上考慮“內(nèi)抗”措施以外，普遍都重視和關注管道的“外防”問題，采用陰極保護成為首選。而陰極保護的有效性、與管道SCADA系統(tǒng)嵌入的智能化管理都成為關注焦點。

圖1 新疆某供水管道破裂爆管現(xiàn)場Fig.1 A water supply pipe burst site in Xinjiang

圖2 黃島輸油管道爆炸現(xiàn)場Fig.2 Explosion site of Huangdao oil pipeline

1 侵蝕環(huán)境與金屬管道腐蝕

1.1 新疆復雜侵蝕環(huán)境

新疆特有三山夾兩盆的地理環(huán)境和地形地貌，使高濃度的酸堿鹽離子在沖洪積平原的中下部及沙漠邊緣聚集，特別是水土中Cl-、SO42-、HCO3-、侵蝕性CO2不同程度存在，如準噶爾盆地天山北緣山前沖洪積扇11-12月地下水中的SO42-離子含量1 134～15 129 mg∕L，Mg2+離子含量175～1 057 mg∕L，礦化度3.20～31.24 g∕L；在4-5月地下水中的SO42-離子含量565.9～30 595 mg∕L，Mg2+離子含量83～2 203 mg∕L，礦化度1.43～102.8 g∕L；1.0～5.0 m 以內(nèi)，土層中的含鹽量2.11%～10.4%（高含鹽部位一般在2～2.5 m 或地下水位以上），Na2SO4含量0.36%～1.49%，屬硫酸鹽中－強鹽漬土，造成管道或混凝土構筑物的外部腐蝕。

1.2 金屬管道腐蝕

根據(jù)有關資料，正常的埋地金屬管道的年腐蝕速度為0.2～0.4 mm，但在發(fā)生局部腐蝕或干擾腐蝕的情況下，壁厚8～9 mm鋼管2～3個月就可能穿孔滲水。同時由于輸送原水中含有泥沙或侵蝕性離子還會造成管道內(nèi)腐蝕。新建工程的管道內(nèi)壁一般比較光滑，但隨著運行時間的增加，管道內(nèi)壁尤其是鋼管內(nèi)壁由于腐蝕導致粗糙系數(shù)急劇增大，深圳水庫一條1961年建成的DN1400 對香港供水鋼管，1964年檢查時發(fā)現(xiàn)其內(nèi)壁已嚴重瘤化，實測管內(nèi)壁糙率n值竟達0.017 71，為原設計值（0.012）148%，嚴重影響管道輸水能力。新疆羅布泊鉀肥外部供水一期工程鋼管段土壤侵蝕環(huán)境極其惡劣，采用三布五油作為外防腐，同時輔以陰極保護，維護工作量較大［3］。長期腐蝕可以破壞管道的受力結(jié)構，發(fā)生事故危及工程安全，是影響管道長期運行安全的首要問題，通過采用陰極保護技術可有效解決管道腐蝕問題。

2 陰極保護技術

2.1 陰極保護的原理

陰極保護是通過向被保護的金屬結(jié)構物表面通入足夠的陰極極化電流，金屬表面電子富集而電位負移，陰極反應所消耗的電子由外部電路提供，從而使金屬自身電化學腐蝕得到有效抑制。和別的防腐手段不同的是，它是通過對腐蝕反應進行積極的干預，從根本上抑制電化學腐蝕的發(fā)生，因而保護效果徹底和有效。

2.2 陰極保護方法

根據(jù)提供保護電流的方式不同，陰極保護可分為犧牲陽極和外加電流兩種方法。前者是將一種比被保護金屬更活潑的材料（犧牲陽極）與被保護金屬結(jié)構物件電性連接，通過這種金屬的溶解消耗來提供保護電流［4］。后者是將外部交流電轉(zhuǎn)變成可控低壓直流電，通過專門的輔助陽極經(jīng)由介質(zhì)向金屬結(jié)構物提供保護電流。

2.3 腐蝕性評價

依據(jù)巖土工程勘察規(guī)范GB50021-2001，分析水、土對鋼管和對混凝土結(jié)構的腐蝕性評價，應符合表1與表2的規(guī)定。

表1 土對鋼結(jié)構腐蝕性評價Tab.1 Corrosion of soil to steel structures

表2 水和土對鋼筋混凝土結(jié)構中鋼筋的腐蝕性評價Tab.2 Corrosion of steel in reinforced concrete by water and soil

2.4 陰極保護技術研究及應用

埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術的應用，國外已有80多年的歷史和實踐經(jīng)驗，國內(nèi)也有四十年的歷史。美國政府在《聯(lián)邦規(guī)程》法規(guī)第39號192部分中規(guī)定：“在1971年7月31日以后安裝的埋地管線，除特殊情況外，必須安裝陰極保護系統(tǒng)，以保證管道的安全。”

美國NACE 標準《地下或水下金屬管線裝置的外部腐蝕控制》中規(guī)定：“凡地下或水下的鋼、鑄鐵、銅、鋁管線裝置，只要有腐蝕就必須采用防腐蝕涂層與陰極保護的防腐蝕措施?！背酥猓毡?、前蘇聯(lián)、英國、德國等工業(yè)發(fā)達的國家都明文強制性規(guī)定：“禁止使用未加陰極保護而只有防腐涂層的地下金屬管道”。

我國《室外給水設計規(guī)范》GB50013-2018第7.5.2條規(guī)定了當金屬管道敷設在腐蝕性土中以及電氣化鐵路附近或其他有雜散電流存在的地區(qū)時，應采取防止發(fā)生電化學腐蝕的外加電流陰極保護或犧牲陽極的陰極保護措施。

《埋地預應力鋼筒混凝土管道的陰極保護》GB∕T28725-2012 第4.1 條：按國標50021 規(guī)定的環(huán)境對混凝土中鋼筋、鋼結(jié)構的腐蝕性評價為中、強等級時，新建或已建PCCP 管道均應采用陰極保護，并在管道運行期間始終維持［5］。腐蝕性評價為弱腐蝕等級時，宜采用陰極保護［6］。

3 典型陰極保護工程及效果評價

3.1 陰極保護設計指標

根據(jù)《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術規(guī)范》GB∕T21448-2017，陰極保護準則的要求：

（1）管道的所有保護部分都極化到相對于銅∕飽和硫酸銅參比電極-850 mV 或更負的電位。這一電位應是剔除IR 降后的電位。

（2）為防止防腐層損壞，避免析氫有害影響，管道上相對于銅∕飽和硫酸銅參比電極陰極保護臨界電位（不含IR 降）不應負于-1 200 mV。

（3）對于在高電阻率的土壤里埋設的管道，可采用比相對于銅∕飽和硫酸銅參比電極-850 mV 更正的電位準則，例如：土壤電阻率100＜ρ＜1 000 Ω·m 的情況，可采用保護電位-750 mV；土壤電阻率ρ≥1 000 Ω·m的情況，可采用保護電位-650 mV。

（4）作為上述保護電位準則的補充，可采用相對于腐蝕電位最少100 mV 的陰極極化，這一準則適用于極化的形成與衰減過程。

3.2 陰極保護方式與數(shù)量選擇

對于埋地PCCP 管道，國內(nèi)外一般采用棒狀鋅合金陽極或者帶狀高純鋅陽極對預應力鋼絲進行保護，輔以PCCP 專用極化探頭測量保護效果［7］。

對于埋地鋼管，依據(jù)《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術規(guī)范》GB∕T21448-2017，可采用犧牲陽極法、強制電流法或者兩種方法結(jié)合的方式，應視工程規(guī)模、土壤環(huán)境、管道防腐層絕緣性能的因素，經(jīng)濟合理的選用。一般認為犧牲陽極法適用于電阻率低的土壤、水、沼澤或濕地環(huán)境中的小口徑管道或距離較短且?guī)в袃?yōu)質(zhì)防腐層的管道。

陰極保護的數(shù)量計算，可以參考《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護技術規(guī)范》GB∕T21448-2017 和《埋地預應力鋼筒混凝土管道的陰極保護》GB∕T28725-2012，考慮到新疆地區(qū)普遍干旱、電阻率較大的特性，一般選擇規(guī)格型號較大的直流電源。

3.3 典型陰極保護案例

目前，新疆長距離供水工程中涉及電化學腐蝕和含金屬材質(zhì)的管道都在實施陰極保護技術?？κ驳貐^(qū)一市兩縣安全飲水工程、伽師城鄉(xiāng)安全飲水工程、羅布泊鉀肥供水工程、柯坪縣城鄉(xiāng)安全飲水工程等項目中的鋼制管材及準東供水二級管網(wǎng)、JK 供水工程的PCCP 管道都采用了陰極保護技術，總實施長度達到了數(shù)千千米，并且運行效果良好。

3.4 典型工程效果評價

從表4典型長距離輸水工程陰極保護電位保護及運行情況統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，4個典型案例中，有個別檢測點的電位未達到-0.85 V，但滿足保護度大于85%的要求，陰極保護運行良好，保護效果滿足設計及標準規(guī)范的要求。

表3 新疆長距離輸水工程陰極保護工程典型案例Tab.3 Typical case of cathodic protection in long-distance water conveyance project in Xinjiang

表4 新疆典型長距離輸水工程陰極保護電位保護及運行情況統(tǒng)計Tab.4 CATHODIC protection potential protection and operation statistics of typical long-distance water conveyance projects in Xinjiang

4 陰極保護典型問題及解決方案

4.1 遠程采集及傳輸數(shù)據(jù)失真

由于現(xiàn)場施工保護不到位導致人為破壞探頭，以及采集和遠程傳輸裝置、接線門不能準確合攏水氣進入導致元器件受潮、智能采集裝置安裝位置信號源不足。

針對以上問題，具體解決方案為施工過程中對探頭和采集以及傳輸裝置加以特別保護，并安裝警示標識，同時盡量將這些裝置安裝于閥井等結(jié)構物處，以減少外來破壞。

采用IP65防水防塵等更高的防護等級，提高出廠產(chǎn)品的加工精度。

在允許的范圍內(nèi)，通過手機信號初步判斷安裝位置，如果實在由于移動手機信號源不足，可以考慮采用光纖等有線傳輸方式。

圖3 喀什地區(qū)一市兩縣陰極保護測試樁Fig.3 Cathodic protection test piles in one city and two counties of Kashi

4.2 陰極保護設施與鋼管連接對涂塑等防腐層的破壞

無論是外加電流技術還是犧牲陽極技術，都需要通過電纜與鋼制管道施行電性連接，難免對成品的管道防腐層造成人為破壞。

解決方案為電纜與管道的焊接位置避免在焊縫兩側(cè)150 mm 范圍內(nèi)，并且在焊點做防腐密封，施工方法是首先徹底清除焊渣，在焊點處涂敷足量的熱熔膠進行密封，然后用專用補傷片進行補傷，補傷片是由輻射交聯(lián)聚烯烴基材和特種密封熱熔膠涂層復合而成，在施工時加熱熔化膠層，粘貼破損管道表面，與原管道防腐層形成連續(xù)、緊密的防腐體系，可以抵抗土壤應力，抗靜水壓力，抗陰極剝離，抗化學腐鏃蝕和霉菌侵蝕等多種腐蝕行為。

圖4 喀什地區(qū)一市兩縣深井陽極Fig.4 Deep well anode in one city and two counties of Kashi

4.3 PCCP陰極保護系統(tǒng)安裝困難

PCCP 管陰極保護的對象是預應力鋼絲，但預應力鋼絲不能直接焊接，且預應力鋼絲全部外包混凝土和環(huán)氧砂漿，無法焊接。

解決方案為在制管時沿管芯縱向安裝兩條約成180°的導電用薄鋼帶，薄鋼帶接觸預應力鋼絲的一側(cè)，需要做圓弧過渡。每節(jié)PCCP 管在兩端引出兩條導電鋼帶，以供管道之間電性連接和安裝陰極保護設施。

5 陰極保護未來發(fā)展及關鍵技術

5.1 太陽能恒電位儀的應用

隨著長輸管線距離越來越長，陰極保護站在數(shù)量增加的同時也伴隨著用電困難。由于新疆地區(qū)氣候干燥、日照時間長，具備大規(guī)模使用太陽能恒電位儀的條件。太陽能恒電位儀陰極保護站作為一種典型的新能源陰極保護系統(tǒng)，具有可持續(xù)發(fā)展和綠色環(huán)保兩大優(yōu)勢，同時還解決了戶外長輸管線陰極保護站電源的問題，對陰極保護技術具有更高的實用價值和研究意義。表5～7 為部分新疆長輸管道項目太陽能恒電位儀運行狀況。

表5 伽師城鄉(xiāng)飲水項目太陽能恒電位儀運行情況表Tab.5 Operation of Solar Potentiostat in Peyziwat County's urban and rural drinking water project

5.2 新型廣譜合金陽極的開發(fā)

犧牲陽極的發(fā)展隨著陰極保護重視程度的加深在不斷擴展［8］，犧性陽極材料也由早期的單一的純金屬發(fā)展到今天的合金陽極。目前新型合金化又將是未來犧牲陽極的發(fā)展方向，新型廣譜的合金陽極，既能適用于普遍的環(huán)境，還具有高的電流效率特點并正在向智能化方向轉(zhuǎn)變?？朔鹘y(tǒng)Mg 合金陽極的電流效率低，Zn 合金陽極適用于低電阻環(huán)境的缺點［9］，智能化的陽極可以根據(jù)被保護體對電流的需要的變化，實現(xiàn)自我調(diào)節(jié)。目前出現(xiàn)的新型復合陽極，已經(jīng)有了一定的自我調(diào)節(jié)性能，這種陽極的出現(xiàn)，代表了未來犧牲陽極發(fā)屬的趨勢，市場也需要智能化的犧牲陽極的出現(xiàn)，以實現(xiàn)長壽命綠色發(fā)展的需要。

表6 喀什“一市兩縣”飲水項目設備及運行情況表Tab.6 Equipment and operation of drinking water project in one city and two counties in Kashi

表7 柯坪縣城鄉(xiāng)飲水項目設備及運行情況表Tab.7 Facilities and operation of urban and rural drinking water projects in Kalpin County

另外解決屏蔽問題將是輔助陽極材料的發(fā)展方向。輔助陽極的發(fā)展主要在于陽極的結(jié)構上，如網(wǎng)狀陽極和柔性陽極打破傳統(tǒng)的棒型、條型的設計思維。今后新型結(jié)構的陽極將會進一步發(fā)展，通過陽極結(jié)構的發(fā)展，解決復雜環(huán)境下的屏弊問題應該有比較好的發(fā)展空間［10］。

5.3 陰極保護與防腐層的聯(lián)動和兼容

管道腐蝕控制系統(tǒng)是由陰極保護系統(tǒng)和防腐層系統(tǒng)共同組成的，二者相互影響。陰極保護系統(tǒng)可以為防腐層漏點管道提供保護，同時防腐層電阻率也會反過來影響到陰極保護系統(tǒng)的保護能力［11］。隨著管道陰極保護技術的發(fā)展，陰極保護與防腐層的兼容性將越來越受到重視。

目前，在外涂防腐層與陰極保護兼容性方面主要存在兩個問題：①陰極保護系統(tǒng)的較小電流是否能夠?qū)Ψ栏瘜勇c提供有力的保護；②外涂防腐層與管道一旦剝離，水進入管道剝離層內(nèi)，防腐層就會屏蔽陰極保護電流，導致管道保護失效［12］。因此未來還需要圍繞這些回題來研究防腐層與陰極保護兼容性技術，通過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析對防腐層的失效情況進行研究和實踐，不斷提高陰極保護與防腐層之間的聯(lián)動性和兼容性，優(yōu)化和完善管道腐蝕控制系統(tǒng)。

5.4 智能監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)

長距離管道陰極保護的難點是距離長、地理環(huán)境復雜、人工數(shù)據(jù)采集慢、不夠精準，導致整個管道腐蝕監(jiān)測和腐蝕評價不夠準確［13］?；谀壳巴ㄓ嵤侄?、數(shù)據(jù)傳輸?shù)阮I域的高速發(fā)展，結(jié)合傳感器、電子技術、無線通訊技術、互聯(lián)網(wǎng)技術、計算機軟件技術，把陰極保護數(shù)據(jù)的采集、傳輸、顯示、監(jiān)控、存儲以及數(shù)據(jù)比對和遠程控制等工作交給系統(tǒng)，可進一步提高可靠性和實效性。

SCADA 系統(tǒng)，全名為數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)，典型采集方式是采用RTU 或FTU 等，陰極保護數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與之類似，只要在SCADA 系統(tǒng)內(nèi)按照采集儀的通信協(xié)議（TCP∕IP）數(shù)據(jù)格式編寫相應的軟件，解析采集儀上傳的數(shù)據(jù)，進行存儲、監(jiān)控等操作即可。另一種方式就是由SCADA 系統(tǒng)訪問和調(diào)取陰極保護數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫進行監(jiān)測，具體視情況而定。

GIS 陰極保護可視化監(jiān)控管理，是將管道監(jiān)測點的地理信息及陰極保護相關監(jiān)測數(shù)據(jù)集合到 GIS 地理信息系統(tǒng)平臺，并通過分析圖表、數(shù)據(jù)統(tǒng)計等的直觀實時展示，達到犧牲陽極輸出電流和陰極保護電位的在線實時輸出、監(jiān)測，還可進一步實現(xiàn)對陰極保護設備進行遠程操控［14］。

陰極保護數(shù)據(jù)在整個大環(huán)境、大系統(tǒng)中只占小部分數(shù)據(jù)量，但又是運行安全必不可少的數(shù)據(jù)［15］。在不久的將來，以互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎，陰極保護數(shù)據(jù)平臺可全面融合腐蝕控制的絕大多數(shù)傳感器，采用人工智能技術，自主調(diào)節(jié)管道陰極保護的電位數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)指導管道保護安全運行的經(jīng)驗性操作；數(shù)據(jù)傳輸將采用更為高速的5G 或衛(wèi)星通信，使管道腐蝕控制更為科學、更為安全。

6 結(jié) 語

圖5 伽師城鄉(xiāng)飲水工程自動化監(jiān)控系統(tǒng)Fig.5 Automatic Monitoring System for urban and rural drinking water projects in Peyziwat County

圖6 柯坪縣城鄉(xiāng)引水項目遠程監(jiān)控系統(tǒng)Fig.6 Remote Monitoring and control system for Kalpin County's urban-rural water diversion project

金屬腐蝕是影響長輸管道安全運行的一個重大因素，特別是在新疆這樣嚴苛復雜的地理環(huán)境下對管道運行的要求就更為嚴格。在新疆長距離輸水管道工程中，發(fā)生過對腐蝕機理認識不清而產(chǎn)生的管道安全問題，如金屬管道外有覆蓋層保護就不考慮做陰極保護、PCCP 管只注重外覆砂漿和環(huán)氧煤瀝青涂層而未考慮增加陰極保護措施或過雜散電流區(qū)未考慮排流問題等［16］，都發(fā)生過嚴重事故，影響了工程的正常運行，造成了重大的經(jīng)濟損失，教訓是十分深刻的。目前，新疆長距離引調(diào)水工程中的鋼管（包含涂塑、3PE 管道）、PCCP 管只要涉及到腐蝕性環(huán)境，基本都要求進行陰極保護設置，同時也緊跟信息化、智能化發(fā)展要求在工程中逐步開展管道監(jiān)測工作，其中包含陰極保護運行數(shù)據(jù)監(jiān)測工作，但目前離智能化運行管控還有一定差距，大力開展陰極保護新技術應用及運維管理，同時利用新疆得天獨厚的光熱資源開展環(huán)保設備研發(fā)，是今后新疆長距離輸水管道工程陰極保護的研究方向之一。

圖7 物聯(lián)網(wǎng)技術為基礎的陰極保護應用前景Fig.7 Application prospect of CATHODIC protection combined with Internet of things technology