華 偉，劉俐俐，任 勇，孟培彥，胡學(xué)濤，錢 鋮，臺(tái)寶燦，何少平，楊 陽

(北京市燃?xì)饧瘓F(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100035)

0 前 言

隨著北京地區(qū)埋地燃?xì)夤芫W(wǎng)服役時(shí)間延長(zhǎng)及服役環(huán)境日益復(fù)雜,整體管線陰極保護(hù)狀況及管線防腐狀況并不樂觀[1,2]。及時(shí)識(shí)別燃?xì)夤艿勒w陰極保護(hù)狀態(tài),對(duì)于提高燃?xì)夤艿赖裙不A(chǔ)設(shè)施的安全至關(guān)重要。

對(duì)遠(yuǎn)離犧牲陽極等位置的陰極保護(hù)檢測(cè),實(shí)現(xiàn)管段整體檢測(cè)的常規(guī)方法為以犧牲陽極測(cè)試樁為管道連接點(diǎn),進(jìn)行密間隔電位測(cè)試技術(shù)(CIPS)測(cè)試或密間隔試片斷電測(cè)試。其中CIPS測(cè)試適用于無雜散電流干擾、犧牲陽極可以斷開的管段;密間隔試片斷電測(cè)試可應(yīng)用于存在雜散電流干擾和犧牲陽極不可斷開的管段。但此2種方法面臨城市地表硬化路面多,很多位置參比或試片無法布置的問題;或穿越道路多,不便長(zhǎng)距離拉線測(cè)試,現(xiàn)場(chǎng)很難開展。

保護(hù)電流密度是指被保護(hù)構(gòu)筑物單位面積上所需的保護(hù)電流密度,也是陰極保護(hù)設(shè)計(jì)和判斷陰極保護(hù)程度的重要參數(shù)[3]。極化曲線表明了管道極化電位與流入其表面電流密度的關(guān)系,有效陰極保護(hù)電位對(duì)應(yīng)著電流密度要求值。防腐層破損面積與流入破損點(diǎn)的電流密度要求值乘積即為需求電流,需求電流存在1個(gè)限值,犧牲陽極輸出電流達(dá)到限值以上,被保護(hù)管段就達(dá)到了良好的陰極保護(hù),該法可稱為保護(hù)電流法。其中,防腐層破損面積與防腐層電阻率存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

與CIPS測(cè)試或密間隔試片斷電測(cè)試法相比,保護(hù)電流法只需要在連接犧牲陽極的測(cè)試樁位置測(cè)試犧牲陽極輸出電流,結(jié)合目標(biāo)管段防腐層電阻率即可整體評(píng)估管道陰極保護(hù)狀況,不需要在管道地表進(jìn)行電位測(cè)試,因而評(píng)估過程不受管道地表環(huán)境影響,即使需要對(duì)目標(biāo)管段測(cè)試防腐層電阻率,因接收機(jī)自備電池也避免了長(zhǎng)距離拉線的困擾。該方法優(yōu)點(diǎn)是立足于測(cè)試樁位置測(cè)試,十分便捷且能準(zhǔn)確地評(píng)估管段整體陰極保護(hù)狀態(tài)。該方法是一種管道陰極保護(hù)狀態(tài)的間接評(píng)估方法,國內(nèi)外多對(duì)管道防腐層狀態(tài)采用間接檢測(cè)技術(shù),對(duì)管道陰極保護(hù)狀態(tài)尚未開展間接評(píng)估技術(shù),因此本方法在國內(nèi)外尚屬首創(chuàng)。

為了明確北京地區(qū)埋地燃?xì)夤艿琅R界保護(hù)電流密度,本工作在北京地區(qū)土壤環(huán)境中選擇多種不同數(shù)量級(jí)電阻率防腐層管道開展饋電試驗(yàn),測(cè)試管道達(dá)到臨界有效陰極保護(hù)[管段最正極化電位-0.85 V(vs CSE)]所需保護(hù)電流密度,并將現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與數(shù)值模擬相結(jié)合,得出了陽極管道間距對(duì)保護(hù)電流分布的影響規(guī)律。

1 檢測(cè)方法

選擇現(xiàn)有全部陰極保護(hù)系統(tǒng)可斷開且無直流干擾或直流干擾水平低的管段,進(jìn)行饋電試驗(yàn)并同步測(cè)試全管段電位,獲得被測(cè)管段達(dá)到臨界有效陰極保護(hù)[即該管段最正極化電位為-0.85 V(vs CSE)]所需的陰極保護(hù)電流,計(jì)算臨界有效陰極保護(hù)[管段最正極化電位為-0.85 V(vs CSE)]所需保護(hù)電流密度。

因此,選擇6條防腐層類型不同、防腐層電阻率不同的管段,其管徑、管段長(zhǎng)度與防腐層材質(zhì)見表1。按照如下具體步驟測(cè)試:

(1)斷開待測(cè)管段現(xiàn)有全部陰極保護(hù)系統(tǒng),以測(cè)試樁為模擬試驗(yàn)饋電電流設(shè)置點(diǎn)。

(2)在其附近尋找優(yōu)良接地體作為臨時(shí)地床,地床可以由角鋼接地材料制作或利用現(xiàn)有陽極,地床位置宜距離管道2 m以上。

(3)將直流電源的正極接臨時(shí)的排流地床,負(fù)極接直流雜散電流防護(hù)點(diǎn)位置的管道。

(4)將直流電源開啟,給管道輸出保護(hù)電流。調(diào)節(jié)不同的輸出電流,同時(shí)采用密間隔電位測(cè)試技術(shù)(CIPS)測(cè)試管道的通/斷電電位。

(5)經(jīng)全管段電位測(cè)試,被測(cè)管段應(yīng)達(dá)到臨界有效陰極保護(hù)[即該管段最正極化電位為-0.85 V(vs CSE)]狀態(tài)。

(6)通過測(cè)量的各點(diǎn)通電電位與斷電電位和管內(nèi)電流,分別計(jì)算各測(cè)量段的平均電位偏移和饋入的管內(nèi)保護(hù)電流,再計(jì)算出管段防腐層電阻率。各測(cè)量點(diǎn)的通/斷電位差按式ΔV=Von-Voff計(jì)算,防腐層電阻按式ΔV/ΔI計(jì)算,平均防腐層電阻率按式r=R·π·D·L。

2 北京地區(qū)不同電阻率防腐層管道陰極保護(hù)電流密度需求

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”4.0.1節(jié)強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù),新建管道的保護(hù)電流密度按覆蓋層電阻選取:在5 000～10 000 Ω·m2時(shí),取100～50 μA/m2;在10 000～50 000 Ω·m2時(shí),取50～10 μA/m2;在50 000 Ω·m2以上時(shí),取10 μA/m2以下。

王健等[4]針對(duì)目前陰極保護(hù)工程設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的有關(guān)陽極地床、保護(hù)電流需要量套管絕緣法蘭及長(zhǎng)效硫酸銅參比電極等問題,提出一些看法,提出根據(jù)實(shí)際輸出電流和保護(hù)面積計(jì)算出的電流密度參考值,見表2[4]。

表2 涂層電阻和所需保護(hù)電流密度(《陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問題》)[4]

圖1為6條管段饋電至臨界陰極保護(hù)時(shí)CIPS測(cè)試結(jié)果。北京測(cè)試、SY/T 0036及文獻(xiàn)[4]中不同防腐層電阻率、電流密度對(duì)比見圖2和表3。

圖1 6處不同防腐層電阻率管道饋電CIPS測(cè)試結(jié)果Fig. 1 CIPS test results of pipeline feeding with six different anti-corrosion coating resistivities

圖2 北京測(cè)試、SY/T0036及文獻(xiàn)[4]中不同防腐層電阻率、臨界陰極保護(hù)電流密度需求對(duì)比Fig. 2 Comparison of critical cathodic protection current density requirements for different resistivity of anticorrosive coatings in beijing testing, SY/T0036, and reference[4]

表3 北京測(cè)試、SY/T 0036及文獻(xiàn)[4]中不同防腐層電阻率、電流密度需求

Y030測(cè)試樁管段為低壓管道,與中壓管道連接處設(shè)置有絕緣接頭,電連續(xù)管段長(zhǎng)184 m,管徑400 mm。Y030饋電試驗(yàn)與全管段電位測(cè)試顯示,饋電電流達(dá)到0.006 A時(shí),管道平均IR降為0.123 V,該管段全線達(dá)到臨界陰極保護(hù),即最正電位為-850 mV(vs CSE)?；谌芏蜪R降與饋入電流值,計(jì)算可得其平均防腐層電阻率為7.5×103Ω·m2,按前述饋入電流與管段長(zhǎng)度及尺寸參數(shù)可得,此次饋電管段達(dá)到臨界保護(hù)的平均電流密度為16.00 μA/m2。

YYA閘管段為中壓管道,其與其他管道連接處設(shè)置有絕緣接頭,電連續(xù)管段長(zhǎng)101 m,管徑300 mm。饋電試驗(yàn)與全管段電位測(cè)試顯示,當(dāng)在YYA閘對(duì)該段管道饋電電流達(dá)到0.230 A時(shí),管道平均IR降為0.571 V,該管段全線達(dá)到臨界陰極保護(hù),即最正電位為-850 mV(vs CSE)?；谌芏蜪R降與饋入電流值,計(jì)算可得其平均防腐層電阻率為299.0 Ω·m2,按前述饋入電流與管段長(zhǎng)度及尺寸參數(shù)可得,此次饋電管段達(dá)到臨界保護(hù)的平均電流密度為1 908.0 μA/m2。

XNMA閘管段為中壓管道,該管段長(zhǎng)242 m,管徑200 mm。饋電試驗(yàn)與全管段電位測(cè)試顯示,當(dāng)在XNMA閘對(duì)該段管道饋電電流達(dá)到0.279 A時(shí),管道平均IR降為0.279 V,該管段全線達(dá)到臨界陰極保護(hù),即最正電位為-850 mV(vs CSE)。基于全管段IR降與饋入電流值,計(jì)算可得其平均防腐層電阻率為1.9×106Ω·m2,按前述饋入電流與管段長(zhǎng)度及尺寸參數(shù)可得,此次饋電管段達(dá)到臨界保護(hù)的平均電流密度為1.00 μA/m2。

S0247測(cè)試樁管段,長(zhǎng)1 350 m,管徑300 mm。饋電試驗(yàn)與全管段電位測(cè)試顯示,當(dāng)在S0247測(cè)試樁對(duì)該段管道饋電電流達(dá)到0.003 A時(shí),管道平均IR降為0.222 V,該管段全線達(dá)到臨界陰極保護(hù),即最正電位為-850 mV(vs CSE)?；谌芏蜪R降與饋入電流值,計(jì)算可得其平均防腐層電阻率為1.3×106Ω·m2,按前述饋入電流與管段長(zhǎng)度及尺寸參數(shù)可得,此次饋電管段達(dá)到臨界保護(hù)的平均電流密度為2.00 μA/m2。

W0236測(cè)試樁管段為中壓管道,該管段長(zhǎng)268 m,管徑400 mm。饋電試驗(yàn)與全管段電位測(cè)試顯示,當(dāng)在W0236測(cè)試樁對(duì)該段管道饋電電流達(dá)到0.000 3 A時(shí),管道平均IR降為0.240 V,該管段全線達(dá)到臨界陰極保護(hù)有效,即最正電位為-850 mV(vs CSE)?；谌芏蜪R降與饋入電流值,計(jì)算可得其平均防腐層電阻率為1.5×107Ω·m2,按前述饋入電流與管段長(zhǎng)度及尺寸參數(shù)可得,此次饋電管段達(dá)到臨界保護(hù)的平均電流密度為0.16 μA/m2。

W0253測(cè)試樁管段為中壓管道,電連續(xù)管段長(zhǎng)157 m,管徑500 mm。饋電試驗(yàn)與全管段電位測(cè)試顯示,當(dāng)在W0253測(cè)試樁對(duì)該段管道饋電電流達(dá)到0.000 8 A時(shí),管道平均IR降為0.272 V,該管段全線達(dá)到臨界陰極保護(hù),即最正電位為-850 mV(vs CSE)?；谌芏蜪R降與饋入電流值,計(jì)算可得其平均防腐層電阻率為8.7×106Ω·m2,按前述饋入電流與管段長(zhǎng)度及尺寸參數(shù)可得,此次饋電管段達(dá)到臨界保護(hù)的平均電流密度為0.31 μA/m2,可見,當(dāng)平均防腐層電阻率為8.7×106Ω·m2,該防腐層管段臨界保護(hù)的平均電流密度為0.31 μA/m2。

北京測(cè)試的臨界陰極保護(hù)電流密度均小于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”4.0.1節(jié)強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù);除YYA閘外,其他北京測(cè)試結(jié)果也小于文獻(xiàn)[4]中的電流密度參考值。這表明,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”的臨界電流密度較為保守,也可滿足北京地區(qū)應(yīng)用。

3 犧牲陽極與管道間距對(duì)管道陰極保護(hù)電流需求影響規(guī)律

基于同一管段不同饋電間距的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果,利用BEASY軟件開展數(shù)值模擬,分析犧牲陽極與管道間距對(duì)管道陰極保護(hù)電流需求影響規(guī)律,以明確犧牲陽極與管道的合理間距。

3.1 不同犧牲陽極與管道間距下管道陰極保護(hù)電流需求現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)

表4為饋電點(diǎn)與管道間距1,10 m下Y039測(cè)試樁管段IR降最大值、最小值與平均值。

表4 饋電點(diǎn)與管道間距1 m與10 m下Y039測(cè)試樁管段IR降最大值、最小值與平均值

圖3為饋電點(diǎn)與管道間距1 m與10 m下Y039測(cè)試樁管段通斷電電位。

圖3 饋電點(diǎn)與管道間距1 m與10 m下Y039測(cè)試樁管段通斷電電位Fig. 3 On/off potential of Y039 test pile pipe section at a distance of 1 m and 10 m between the feeding point and the pipeline

由圖可見,均勻防腐層電阻率和土壤環(huán)境下,管道陰極保護(hù)狀態(tài)沿長(zhǎng)度方向分布是否均勻受犧牲陽極與管道間距的影響,犧牲陽極與管道間距過近,管地電位及IR降將分布不均勻,不利于發(fā)揮犧牲陽極對(duì)其覆蓋1 km監(jiān)測(cè)范圍管道提供陰極保護(hù)。

3.2 不同犧牲陽極與管道間距下管道陰極保護(hù)電流需求數(shù)值模擬

為進(jìn)一步研究犧牲陽極與管道間距對(duì)陰極保護(hù)電流需求影響,利用陰極保護(hù)技術(shù)學(xué)科常用模擬軟件Beasy開展數(shù)值模擬計(jì)算。計(jì)算中,以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果為邊界條件,將模型計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)饋電結(jié)果校對(duì),設(shè)計(jì)不同管道長(zhǎng)度幾何模型,計(jì)算不同管道長(zhǎng)度對(duì)陰極保護(hù)電流需求的影響。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)饋電位置的管線進(jìn)行建模,模型管道長(zhǎng)度2 000 m,饋電點(diǎn)上下游各1 000 m,饋入電流6.25 A,計(jì)算不同饋電點(diǎn)與管道間距(0.5,2.0,5.0,10.0,20.0,50.0 m)下管道陰極保護(hù)狀態(tài)。圖4為管線與陽極模型,然后設(shè)定其邊界條件,邊界條件設(shè)定思路為:管線最小保護(hù)電流密度等于現(xiàn)場(chǎng)饋電電流量與埋地管線面積之商;結(jié)合實(shí)驗(yàn)室極化曲線和現(xiàn)場(chǎng)饋電試驗(yàn)結(jié)果。圖5為實(shí)驗(yàn)室測(cè)試極化曲線。

圖4 管線與饋電點(diǎn)模型Fig. 4 Pipeline and Feed Point Model

圖5 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試極化曲線Fig. 5 Laboratory testing of polarization curve

圖6為不同饋電點(diǎn)與管道間距(0.5,2.0,5.0,10.0,20.0,50.0 m)下管段陰極保護(hù)電位。圖7為相同饋入電流下不同饋電點(diǎn)與管道間距管段斷電電位分布對(duì)比。由圖可見,陽極與管道距離越遠(yuǎn),電位分布越均勻,遠(yuǎn)端位置電位越負(fù);當(dāng)陽極與管道間距在2.0 m以上時(shí),陽極與管道間距對(duì)管道陰極保護(hù)電流需求影響較小,因此,在犧牲陽極設(shè)計(jì)施工時(shí),陽極與管道間距宜在2.0 m以上,以保障陽極合理保護(hù)范圍。

圖6 相同饋入電流下不同饋電點(diǎn)與管道間距管段斷電電位分布Fig. 6 Power outage potential distribution of pipeline sections with different feed points and pipeline spacing under the same feed current

圖7 不同饋電點(diǎn)與管道間距下管段陰極保護(hù)電位Fig. 7 Cathodic protection potential of pipeline section under different feed points and pipeline spacing

圖8為饋電點(diǎn)與管道間距0.5 m下,不同饋入電流的陰極保護(hù)電位分布。由圖可見,與前述2.0 m以上的正常饋電點(diǎn)與間距相比,陽極與管道距離僅0.5 m時(shí),為達(dá)到正常保護(hù),其需求電流將從6.25 A增大到31.25 A,是正常間距需求電流的5倍之多。

圖8 饋電點(diǎn)與管道間距0.5 m下,不同饋入電流的陰極保護(hù)電位分布Fig. 8 Cathodic protection potential distribution of different feeding currents at a distance of 0.5 m between the feeding point and the pipeline

4 結(jié) 論

(1)獲得了北京地區(qū)不同防腐層電阻率管段臨界有效陰極保護(hù)電流密度,可應(yīng)用于保護(hù)電流法全面評(píng)估北京地區(qū)管段整體陰極保護(hù)狀態(tài)。

(2)北京測(cè)試的臨界陰極保護(hù)電流密度均小于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”4.0.1節(jié)強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù);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”的臨界電流密度較為保守,也可滿足北京地區(qū)應(yīng)用。

(3)均勻防腐層電阻率和土壤環(huán)境下,管道陰極保護(hù)狀態(tài)沿長(zhǎng)度方向分布是否均勻,受犧牲陽極與管道間距的影響,陽極與管道距離越遠(yuǎn),電位分布越均勻,遠(yuǎn)端位置電位越負(fù),管道與陽極間距宜2.0 m以上;犧牲陽極與管道間距過近,管地電位及IR降將分布不均勻,不利于犧牲陽極對(duì)管道提供陰極保護(hù),如果達(dá)到相同的電位保護(hù)效果,電流需求量更大。