输水钢管阴极保护技术应用研究
0 前言
随着我国经济的发展和城市化进程的加快，大口径长距离输水管道工程在各地不断兴建。钢管具有取材制作方便、安装技术成熟、适应复杂地形等优点，既适用于埋地敷设，又可用于跨越架空过河倒虹和顶管施工，在管径1000mm能上能下的输水管道中是目前较多采用的一种管材。但钢管最大缺陷是在自然环境中易产生腐蚀，因此做好钢管的内外防腐是延长钢管使用寿命的重要施工环节。现街上国标《给水排水管道工程施工及验收入规范》（GB50268--97）在“钢管道内外防腐”一节中，对水泥砂浆内防腐层和石油沥青及环氧煤沥青外防腐层的施工作出了相应的规定，而没有提及对钢管道进行阴极保护施工的问题。
由于阴极保护在国外输水管道和国内石油天然气管道的成功应用，日益受到我国供水界的重视。近年来，上海、深圳、成都、大连、厦门、宁波等地相继进行了输水钢管阴极保护的应用实践。但由于这项技术在我国供水行业起步较晚，至今没有统一的行业规范，有一些技术问题还有待于进一步研究。本文根据宁波的工程实例，试对输水钢管阴极保护技术的应用进行总结与探讨。
1 输水钢管阴极保护应用实例
为解决城市水资源短缺和水质污染的问题，宁波市自来水总公司从八十年代末着手规划，并于96至99年间相继建成投运萧镇、横山、江东三项引水工程，把距离市区几十公里外的横山水库和亭下水库存的无污染原水用管道分别输送至南郊、北仑、江东三个水厂，有效解决了市区水厂的水源泉污染问题。这三项引水工程总投资六亿多元，共敷设DN1600mm输水钢制管道102.4公里。钢管外防腐全部采用环氧煤沥青四油两布工艺，并且全线钢管还进行了阴极保护的施工。根据不同的环境条件分别采用强制电流和牺牲阳极两种阴极保护技术，实施情况见表1。
表1 宁波市输水钢管阴极保护实施情况
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2 输水钢管阴极保护实施要点
2.1土壤腐蚀性的评价
钢制管道在土壤环境中的腐蚀主要为电化学过程，腐蚀原电池是其最基本的形式。对土壤的腐蚀性进行正确评价是实施阴级保护的前提，在工程实际中常通过测量钢管环境的土壤电阻率（Ω.m)和自然电位（-V）来评价土壤腐蚀性。对于大多数情况，土壤电阻率越小，自然电位负值越大，则土壤的腐蚀性越强。电阻率与土壤腐蚀性的评价标准参见表2，自然电位与土壤腐蚀性的评价标准参见表3。土壤环境经测定和评价为腐蚀性强、较强和中等的。一般都应进行阴极保护。
土壤电阻率与土壤腐蚀性（Ω.m） 表2
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自然电位与土壤腐蚀性 表3
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我们在工程设计初期，对管道沿线土壤电阻率和自然电位进行了测量，电位均以Cu-CuSO4饱和溶液为参比电极所测。测试结果显示，萧镇和江东段管道沿线土壤电阻率在20Ω.m左右，而横山段管道沿线土壤电阻率数值相差较大，最低处为16.4Ω.m，最高处超量程（大于628Ω.m）。三段管道沿线自然电位多负于-0.45V。依据国内有关的差别标准，大部分管线所处的土壤环境腐蚀性较强，需要进行阴极保护。
2.2阴极保护方式的选择
阴极保护有强制电流和牺牲阳极两种基本方法，这两种方法各自特点如表4所示。
牺牲阳极与强制电流的比较 表4
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选择阴极保护方式，应根据防腐层质量、土壤环境、现场条件和运行管理等因素，进行技术经济分析，综合考虑确定。一般原则是：
（1）工程规模大宜采用强制电流，规模小则宜采用牺牲阳极。
（2）市区内考虑到对外界干扰电流的影响，一般应采用牺牲阳极。
（3）当土壤电阴率大于100Ω.m时，或管道覆盖质量差，一般宜采用强制电流。
根据上述原则，经过分析比较，宁波市输水钢管阴极保护考虑管线埋设现场的特点以及对外界干扰因素的不同，分别采取牺牲阳极和强制电流阴极保护两种方式。萧镇引水工程全长29.4公里，其中20.8公里管段采用强制电流，设萧镇、北渡两个阴极保护站，其余8.6 公里管段因处市区，采用了牺牲阳极。江东原水工程全长15.7公里，起始段无可靠交流电源，末段处于鄞县中心区和宁波市区，全线阴极保护系统均采用牺牲阳极法。横山引水工程共长57.3公里，其中管线始、终两端各8公里管段采用强制电流保护，其余段因无可靠交流电源，采用了牺牲阳极。穿越东钱湖段两端采用直接焊接捆绑块状镁阳极。
2.3主要技术参数的确定
（1）工程设计参命：
输水钢管阴极保护工程设计寿命应与被保护管道使用年限相匹配，一般可取15——25年。
（2）管道保护电位：
相对于饱和铜/硫酸铜参比电极的管道保护电位至少为-850mV。
（3）最小保护电流密度
最小保护电流密度是阴极保护设计的重要参数，它的大小与被保护管道覆盖层质量、种类和管道周围的土壤电阴率大小等因素有关，但一般难以进行理论计算。《给水排水设计手册》中所提供的埋地金属管道所需保护电流密度数值范围大，难以准确选择合理的数据。因此在阴极保护设计施工中应根据具体的环境条件，参照同类工程的运行数据，确定较符合实际情况的数值。也可试在小部分管段采用简易强制电流系统实地测量。根据宁波地区土壤电阻率低的特点，参照同类工程运行参数，我们确定宁波三项引水工程钢管阴极保护设计最小保护电流密度为：外加电流法用0.3～0.4mA/m2，牺牲阳极法用0.15mA/m2。
2.4牺牲阳极材料的选择
应根据管道沿线土壤电阻率测量结果，参照石油行业《埋地钢制管道牺牲阳极阴极保护设计规范》和《镁合金牺牲阳极应用技术标准》，进行牺牲阳极材料和规格的选择，可参见表5、6。
牺牲阳极材料种类的选择 表5
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镁阳极规格的选择 表6
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根据土壤电阻率的测量和土壤腐蚀性的判断，宁波市输水钢管阴极保护工程实施中的牺牲阳极选用镁阳极，土壤电阴率在40Ω.m以下采用镁铝锌合金阳极，40Ω.m以上采用镁阳极。每支阳极的技师规格均采用14kg。
2.5牺牲阳极设计简要计算
（1）单支镁阳极输出电流计算式为：
IMG=150000×F×Y/p
式中：IMG----单支镁阳极的输出电流，mA；
F------重量修整系数
Y------电位修正系数
p------土壤电阻率，Ω.m
我们在设计中根据《给水排水设计手册》，取F为1.16；Y为 0.93；p按实测当地土壤电阻率取平均值为2100Ω.com。经计算得IMG=77mA。
（2）每组镁阳极支数计算式为：
N=b×IA/IMG
式中：b---备用系数，根据宁波地区土壤电阻率低的情况，取2；
IA----每组阳极需输出保护电流，mA；我们在实施中取每组阳极保护长度为250m，最小保护电流密度取0.15mA/m2，被保护管道管径为1.6m。则IA=0.15×1.6×3.14×250=188.4mA。所以：N=2×188.4/77= 4.89≈5支。
（3）阳极使用寿命来访者睬用美国HARCO防腐公司的经验公式：
T=57.08Wη /IMG
式中：W-----为单支阳极重量（磅）；我们采用镁阳极质量为14kg,乘以2.2化为重量磅数。
η -----为系数，通常取0.75。
则设计寿命为：T=57.08×14×2.2×0.75/77≈17年。
2.6强制电流保护站的设置
阴极保护站的设置应考虑到有可靠的交流电源、便于维护管理以及防止人为破坏等因素，一般阴极保护站宜设在泵站或水厂厂区内。
萧镇段在萧镇、北渡泵站各设一座阴保护站。萧镇阴极保护站设恒电位仪2台（1用1备），辅助阳极为30支YJBSICr50×1200mm双端接头的含铬高铸铁阳极，距管道100m，油管道垂直方向一字形水平埋设。北渡阴极保护站设恒电位仪3台（2用1备）。埋设两组辅助阳极（规格数量同上），每台仪器对应一组阳极。为防止未通电保护的泵站内管道发生杂散电流干扰腐蚀，对站内管道实施了牺牲阳极阴极保护，埋设两组各埋4支22kg镁阳极。
横山段强制电流阴极保护站分别设在横山引水管理站和北仑水厂内，各有2台恒电位仪（1用1备）。考虑到横山阴极保护站处土壤电阻率比较高（240Ω.m），因引辅助阳极选了30支YJBSICr75×1500mm双端接头的含铬高硅铸造铁阳，将辅助阳极水平埋设在焦炭地床中，焦炭地床宽度厚度分别为600mm，长度为2m。
萧镇北渡阴极保护站每台恒电位仪保护距离8.3公里，需保护电流I=8300×1.6×3.14×0.3=12509mA.辅助阳极接地电阻0.8 欧姆。选取恒电位仪20A/24A。横山阴极保护站，因辅助阳极接地电阻10.1欧姆，选取恒电位仪30A/100V。北仑水厂阴极保护站辅助阳极接地电阻0.8欧姆，选取恒电位仪75A/35V。
2.7管理道电气绝缘措施
阴极保护需要被保护输水管道的电气连续性，以及与外界的绝缘，这一点非常重要，为此我们采取以下措施：
（1）在不同的阴极保护方式之间采用绝缘法兰绝缘。
（2）管线进、出阴极保护站端安装绝缘法兰。
（3）所有桥管处钢管与支墩用橡胶垫片进行绝缘处理。
（4）所有其他与管道直接相连的金属件不允许直接接地。
（5）考虑到湖水与土壤物理化学性的差异，空越东钱湖段两端安装绝缘法兰。
（6）所有阀门井处加装一支14kg镁阳极。
上述措施在输水钢管阴极保护实际应用中取得了较好的技术和经济效果。而这些措施与石油行业阴极保护设计规范的要求有所不同。该规范要求被保护管道在穿跨越段的两端和排水井的连接处都应装设绝缘法兰或绝缘接头。宁波地处江南水乡，输水管道跨越河流的桥管数量较多，如果每座桥管的两端都要装设绝缘法兰，则施工难度大，工程费用高。我们经过试验，在桥管两端不装设绝缘法兰，采用橡胶垫片把输水钢管与管桥支承托座之间进行绝缘隔离。另外在管道排水阀门井室也不设绝缘法兰，而改为设置一组14kg 单支镁阳极进行保护。这些措施的采取满足了阴极保护的要求，在技术经济比较中占有明显优势。
2.8测试桩的设置
阴极保护测试桩是工程实施的重要内容，也是管道保护效果测试的重要环节，一般要求没保护管道每公里设置一个电位测试桩。
萧镇引水工程全程设有电位测试桩（每公里一个）共18个，电流测试桩2个（距萧镇泵站5公里和12公里处）和绝缘法半测试桩4个。江东原不工程全程设有牺牲阳极测试桩（每公里一个）共16个。横山引水工程管线长，且是在管道敷设2年后再实施阴极保护施工，再次征地较为困难，考虑到横山沿线有40座管桥，也可做为测试点的补充，故对电位测试桩间距作了调整，约1.8公里设1个，共设置电位测试桩23个。此外设置牺牲阳极测试桩10个。
2.9阴极保护效果的判断：
衡量阴极保护状况的好坏是根据保护电位来判断的，参照石油行业的设计规范，输水钢管阴极保护良好状态时的保护电位应满足：
（1）对普通土壤，测得管道保护是位为--850mV（相对Cu-CuSO4，下同）或更负；
（2）管道表面与同土壤接触的参比电极之间阴极极化电位不得小于100mV;
（3）最大保护电位的限制应根据覆盖层及环境确定，以不损坏覆盖层的粘结力为准，一般可取-1.5V。
横山引水工程牺牲阳极施工时，根据上述判断标准分析，通过实测保护电位，发现有部分地段保护电位未能达到标准，主要原因是：因自然条件限制和征地困难阳极床埋设位置不能均布，在阳极床间距较大处出现保护不够；且由于管道敷设后未及时做阴极保护，在腐蚀性较强的土壤条件下，涂层的平均电阻较小，电流泄漏较大。为保证本工程钢管阴极保护效果和使用寿命，对原设计做了适当变更，在保护不足处共增加了31组牺牲阳极，在土壤电阻率低的管段，每组阳极数量由5支增加到6支。采取上述措施后，经实地测量，被保护管段电位达到要求。
在对横山强制电流保护段电位测量中，我们发现管道保护电位的颁布并不是沿管道测量点与通电点的距离增加而减小，见表7。
横山引水工程横山站强制电流阴极保护数据测量 表7
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这主要是因为这一保护段沿线土壤电阻率变化大，最大处可达400Ω.m，最小仅为38Ω.m，相差一个数量级，管道沿线土壤电阻率的变化影响了保护电位的分布。这意味着，尽管在土壤电阻率低的的地区或远离通电点的保护电位达到要求，并不表示在土壤电阻率高或距离通电点近的管段保护电位也能达到要求。在管线保护电位也能达到要求。在管线保护电位测量中应注意此现象，确保全线达到保护要求。
横山引水工程阴极保护是在管道敷设2年后再进行实施阴极保护的，北仑水厂附近段土壤电阻率与萧镇至北渡间的土壤情况相似，但理论计算北仑水厂段平均保护电流密度大于萧镇段，萧镇的阴极保护是与管道同时投运的，由此可见，阴极保护对防腐层也有一定的保护作用。
3 结论与探讨
（1）输水钢管阴极保护技术的推广应用是十分必要的。阴极保护的设计与施工应与管道建设同时实施，这在技术和经济上都是切实可街上的。
（2）钢管的阴极保护有强制电流和牺牲阳极两种方法，应根据当地土壤环境和施工条件等因素加以比较确定，一般来说进入城市市区的输水管道应采用牺牲阳极法。
（3）管道防腐涂层的质量和电阴率是影响保护范围和保护电位均分布的关键，同时管道沿线土壤电阻率的大小也会对保护电位的分布产生影响。
（4）在实施阴极保护时，确保管道的电连续性以及管道与外界的电绝缘是至关重要的。而绝缘的形式不是唯一的，输水钢管的桥管两端未必一定采用绝缘是至关重要的。而绝缘的形式不是唯一的，输水钢管的桥管两端未必一定采用绝缘法兰，而采用橡胶绝缘垫层的形式在技术上是可行的，在经济上占有明显优势。
（5）在采用强制电流法阴极保护时，恒电位仪选应根据防腐层质量、阳极接地电阻和土壤电阻率测试情况而定，选择不同电压电流比的恒电位仪。作为备用的恒电位仪宜在工程投入运行后根据情况再行购置。
（6）管道采用牺牲阳极法保护时，阳极的选择应根据土壤电阻率来确定。在土壤电阻率较低地段要合理选择阳极的埋设位置，确保阳极距离管道有一定的距离，保护管地电位均匀分布。
（7）阴极保护工程实施和投运后，日常运街上管理不可忽视。对全线测试桩要保护好，管道保护电位的测量应定期进行，发现问题及时采取措施，使得保护电位达到要求。
（8）要认真总结输水钢管阴极保护技术应用的实践经验，供水行业有必要制订相应的技术规范。
参考文献
（1）胡士信，阴极保护工程手册，化学工业出版社，1999年1月
（2）刘海，长输管道牺牲阳极保护的设计，管道技术与设备，1999年2月
（3）中国市政工程西南设计院给水排水设计手册第1册，建筑工业出版社，1986年7月
（4）埋地钢制管道强制电流阴极保护设计规范，SYJ39--89，石油工业出版社，1991年9月
（5）埋地钢管道牺牲阳极阴极保护设计规范，SY/T0019--97， 中国石油天然气总公司，1997年7月
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