李龍煥，劉桂云，李賢才，勞錦洪

（1.廣州城建職業(yè)學(xué)院，廣東 廣州 510627；2.廣州燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司，廣東 廣州 510625）

近年來，伴隨我國天然氣進(jìn)口需求量的持續(xù)上升，LNG接收站的建設(shè)總量在不斷攀升[1]。根據(jù)相關(guān)技術(shù)規(guī)范的要求，LNG接收站及外輸金屬管道的防腐是重要的建設(shè)工作之一，其中陰極保護(hù)技術(shù)是金屬管道防腐工作的重要技術(shù)手段[2-6]。本文結(jié)合廣州LNG接收站建設(shè)情況，分析站場及外輸金屬管道陰極保護(hù)的技術(shù)方案，通過相關(guān)計(jì)算，得出站場及外輸金屬管道所需要的工程量，并對LNG接收站工程建設(shè)及后續(xù)防腐工作，具有實(shí)際的工作意義。

1 依托項(xiàng)目及陰極保護(hù)方式介紹

1.1 依托項(xiàng)目介紹

廣州LNG接收站位于廣州小虎島，建設(shè)一座可靠泊14.7萬立方米LNG船舶的高樁碼頭及LNG全包容儲(chǔ)罐，其中首期建設(shè)兩座16萬立方米LNG儲(chǔ)罐，高壓金屬管道管徑為DN700，線路總長度約7.5km，輸送至天然氣門站。該項(xiàng)目為高樁碼頭及全包容罐，相關(guān)設(shè)備受外部腐蝕小，本文主要對站場內(nèi)的埋地工藝管道及站場外的輸配金屬管道的陰極保護(hù)進(jìn)行研究。

1.2 陰極保護(hù)方式

為了抑制管道外壁金屬腐蝕，延長管道的使用壽命，陰極保護(hù)是行之有效的防腐蝕方法，陰極保護(hù)主要包括強(qiáng)制電流法和犧牲陽極法兩種[7，8]。

（1）強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，又稱外加電流陰極保護(hù)。通過直流電源以及輔助陽極，迫使電流從土壤等介質(zhì)流向被保護(hù)金屬，使金屬表面陰極電位降低到陽極電位，此時(shí)，被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)電位低于周圍環(huán)境，整個(gè)金屬結(jié)構(gòu)成為新的電路中的陰極，該陰極保護(hù)系統(tǒng)由整流電源（恒電位儀）、陽極地床、參比電極、連接電纜組成。

圖1 輸配工藝系統(tǒng)流程圖

（2）犧牲陽極陰極保護(hù)法，犧牲陽極法是將被保護(hù)金屬（陰極）與比之具有更負(fù)電位的合金（陽極）相連接，利用兩者間的電位差，通過消耗此陽極合金，達(dá)到對被保護(hù)金屬的保護(hù)。

1.3 陰極保護(hù)準(zhǔn)則

當(dāng)下述的任意一條要求被滿足，即可認(rèn)為管道達(dá)到完全保護(hù)[9-11]：消除土壤IR降的前提下，測得的管道/電解質(zhì)電位達(dá)到-0.85V或更負(fù)（相對于飽和Cu/CuSO4參比電極）；在陰極保護(hù)極化形成或衰減時(shí)，測取被保護(hù)管道表面與土壤接觸、穩(wěn)定的飽和銅/硫酸銅參比電極之間的陰極極化電位差值最小為100mV；另外陰極保護(hù)狀態(tài)下管道的極限保護(hù)電位不能比-1200mV（相對于飽和Cu/CuSO4參比電極）更負(fù)。

2 線路段金屬管道陰極保護(hù)

2.1 線路段金屬管道的陰極保護(hù)方案選擇

在工程實(shí)施前期，需要對陰極保護(hù)的方法進(jìn)行選擇：

（1）該項(xiàng)目的輸送管道距離較短，約7.5km，犧牲陽極造價(jià)低于強(qiáng)制電流法。

（2）該項(xiàng)目位于工業(yè)區(qū)，沿線金屬構(gòu)筑物較多，采用犧牲陽極法可以有效抑制管道和附近金屬構(gòu)筑物之間的交直流干擾。

（3）結(jié)合上述保護(hù)方法的優(yōu)、缺點(diǎn)，本著經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠、便于管理的原則，該項(xiàng)目采用鎂合金犧牲陽極法對線路段管道提供陰極保護(hù)。犧牲陽極埋設(shè)方式見圖2。

圖2 犧牲陽極埋設(shè)示意圖

2.2 陰極保護(hù)工程量計(jì)算

按照犧牲陽極法，計(jì)算項(xiàng)目線路段埋地金屬管道陰極保護(hù)工程量。

2.2.1 計(jì)算參數(shù)

管道自然電位：-0.55V（相對于硫酸銅參比電極）；

最大保護(hù)電位：-1.48V；

最小保護(hù)電位：-0.85V；

保護(hù)電流密度：10μA/m2；

干線金屬管道電阻率：0.224Ω·mm2/m；

2.2.2 計(jì)算過程

采用圓柱形犧牲陽極填料時(shí)，接地電阻計(jì)算方式如下。

（1）單陽極、陽極組接地電阻計(jì)算：

Rv-立式單支犧牲陽極接地電阻（Ω）；

R總——陽極組總接地電阻（Ω）；

ρ-土壤電阻率（Ω.m）；

ρa(bǔ)-填包料電阻率，（Ω·m）；

L-陽極長度（m）；

La-帶填包料陽極長度（m）；

d-陽極等效直徑(m)；

D-帶填包料陽極直徑（m）；

t-陽極中心至地面的距離；

N-陽極數(shù)量；

K-修正系數(shù)1.3；

（2）陽極輸出電流的計(jì)算：

陽極輸出電流是由陰、陽極極化電位差除以回路電阻來計(jì)算。

Ia——陽極輸出電流（A）；

△E——陽極有效電位差（V）；

Ra——陽極接地電阻（Ω）。

（3）陽極支數(shù)的計(jì)算：

根據(jù)保護(hù)電流密度和被保護(hù)的表面積可算出所需保護(hù)總電流IA，再根據(jù)單支陽極輸出電流，即可計(jì)算出所需陽極支數(shù)，實(shí)際工程一般要取2～3倍的余量。

N-所需陽極支數(shù)；

IA-所需保護(hù)總電流（A）；

Ia-單支陽極輸出電流（A）。

（4）陽極壽命的計(jì)算：

根據(jù)法拉第電解原理，犧牲陽極的使用壽命可按下式計(jì)算，陽極利用率按0.85進(jìn)行計(jì)算。

T—陽極工作壽命（a）；

W—陽極質(zhì)量（kg）；

I—陽極輸出電流（A）；

ω—陽極實(shí)際消耗率（kg/A·a)

在實(shí)際工程中，犧牲陽極的設(shè)計(jì)壽命一般為10年～15年。

2.2.3 計(jì)算結(jié)果及主要工程量

在工程實(shí)施之前，先計(jì)算陽極組的接地電阻，進(jìn)一步推導(dǎo)出陽極輸出電流，從而計(jì)算出所需要的陽極數(shù)量，線路部分陰極保護(hù)主要工程量見表1。

表1 線路部分陰保主要工程量

3 LNG站場工藝金屬管道陰極保護(hù)

3.1 站場內(nèi)陰極保護(hù)方案選擇

（1）根據(jù)LNG站場埋地工藝金屬管道實(shí)際情況，站場埋地管道長度較短，約1.2km，管道表面積較小，采用犧牲陽極的造價(jià)遠(yuǎn)小于強(qiáng)制電流法。

（2）采用強(qiáng)制電流會(huì)對金屬構(gòu)筑物產(chǎn)生干擾，而采用犧牲陽極可以避免對鄰近的金屬構(gòu)筑物的干擾。

（3）站場內(nèi)的電力接地系統(tǒng)與區(qū)域性陰極保護(hù)關(guān)系密切，電力接地系統(tǒng)要求與大地的接地電阻盡可能的小，以釋放沖擊/故障電流，保證站場內(nèi)設(shè)施和人員的安全，而陰極保護(hù)則要求站內(nèi)管道盡可能的與大地絕緣，以消除腐蝕。

（4）結(jié)合上述保護(hù)方法的優(yōu)、缺點(diǎn)，本著經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠、便于管理的原則，該站場采用鎂合金犧牲陽極陰極保護(hù)系統(tǒng)對埋地金屬管道進(jìn)行陰極保護(hù)。

3.2 站場電連續(xù)及電絕緣要求

（1）工藝站場內(nèi)管線多，為防止連接處導(dǎo)電性能的減弱，確保陰極保護(hù)電流的暢通，應(yīng)對各連接點(diǎn)選擇合理地方做電連續(xù)性跨接。

（2）站內(nèi)埋地管網(wǎng)和線路段金屬管道的陰極保護(hù)是相對獨(dú)立的系統(tǒng)，為了避免陰極保護(hù)電流的流失和不同陰極保護(hù)系統(tǒng)間的相互干擾，應(yīng)對站內(nèi)、外金屬管道之間不同陰極保護(hù)系統(tǒng)的管道進(jìn)行電絕緣。絕緣的主要內(nèi)容包括：站場內(nèi)金屬管道與站外金屬管道的電絕緣，站場內(nèi)保護(hù)的金屬管道和其他非保護(hù)埋地金屬構(gòu)筑物的電絕緣，站內(nèi)的管墩、管架等均應(yīng)與管道之間做好電絕緣處理，同時(shí)對絕緣裝置進(jìn)行相應(yīng)的強(qiáng)電沖擊保護(hù)；每個(gè)絕緣裝置都設(shè)置一套絕緣裝置保護(hù)系統(tǒng)，該工程采用火花間隙對絕緣接頭進(jìn)行防強(qiáng)電沖擊保護(hù)，每個(gè)絕緣接頭保護(hù)器處設(shè)一個(gè)絕緣接頭測試樁。

3.3 站場部分陰極保護(hù)工程量

站場部分陰極保護(hù)主要工程量見表2。

表2 站場陰極保護(hù)主要工程量

4 陽極工作環(huán)境及埋設(shè)要求

為了保證犧牲陽極在土壤中的穩(wěn)定性，必須用合適的化學(xué)填料填充陽極。它的功能是：將陽極緊貼于填料，提高了工作環(huán)境；減小陽極的接地電阻并增加其輸出電流；填料中的化學(xué)成分對陽極產(chǎn)品的溶出、不產(chǎn)生結(jié)癡、降低無用極化作用；保持長時(shí)間的陽極地床濕潤；對化學(xué)填包料的基本要求是：低電阻率，高滲透性，不容易流失，良好的防潮性能。

用袋裝和就地鉆孔兩種犧牲陽極充填材料。袋裝必須采用自然纖維面料，禁止使用化學(xué)纖維面料；現(xiàn)場鉆孔充填雖然有很好的效果，但是填料的使用量很大，如果一不小心，很可能會(huì)將土壤顆粒帶入填料，從而影響充填質(zhì)量，填料的厚度應(yīng)該保持在5cm～l0cm左右。陽極埋置在離管外壁3mm～5mm處，不宜超過0.3m，埋深應(yīng)以陽極頂端離地不低于lm為佳。

5 測試系統(tǒng)

為檢驗(yàn)陰極保護(hù)的效果及絕緣裝置的可靠性，測試系統(tǒng)的設(shè)置是十分必要的，根據(jù)沿線情況，該項(xiàng)目采用防腐金屬管測試樁，每500m設(shè)置1支電位測試樁，與其它金屬管道交叉處設(shè)置1支交叉管道測試樁，在定向鉆穿越兩側(cè)，各設(shè)置1支電位測試樁；測試樁可兼作里程樁。該項(xiàng)目測試的內(nèi)容包含以下幾方面：

5.1 輸出電流的測量

因?yàn)闇y試樁輸出電流很低，多為mA級(jí)，因此，它的測量方法比較嚴(yán)格，儀器內(nèi)部電阻越低越好，常用“零阻電流表”（國產(chǎn)的電偶腐蝕計(jì)具有此項(xiàng)功能）。

5.2 陽極有效電位差的測量

這是一種特殊的犧牲陽極參數(shù)，將參比電極置于最接近陽極的兩個(gè)位置，測量出的閉合電勢之差即為陽極有效電位的差異。

5.3 金屬管道電位的測量

參比電極必須盡可能地接近于金屬管道。在評(píng)估保護(hù)作用時(shí)，參比電極應(yīng)該放在兩套陽極中間部位管道上方。由于采用犧牲陽極連接后，不能對管線的自然電勢進(jìn)行測量，因此，在試驗(yàn)樁處應(yīng)設(shè)置一塊與鋼管材料相同的輔助試塊，以作為自然電位的測量。

5.4 套管內(nèi)金屬管道保護(hù)電位的測量

如果在套管中安裝了帶狀陽極，則要對套管內(nèi)管道的保護(hù)電位進(jìn)行測試，將參比電極置于套管中，使其與電解質(zhì)相接觸。該測試在實(shí)踐中比較困難，通常僅用于分析問題。

6 結(jié)論與建議

本文針對持續(xù)增加的LNG接收站及外輸金屬管線，提出陰極保護(hù)技術(shù)對埋地金屬管道防腐，是行之有效的措施。通過對具體項(xiàng)目進(jìn)行分析，比較強(qiáng)制電流法和犧牲陽極法對項(xiàng)目的優(yōu)劣，選擇犧牲陽極陰極保護(hù)方法對該項(xiàng)目進(jìn)行保護(hù)；進(jìn)一步通過計(jì)算，得出犧牲陽極保護(hù)所需要的工程量，為項(xiàng)目后續(xù)工程造價(jià)、工程施工及保證工程質(zhì)量提供基礎(chǔ)理論研究。