同濟大學(xué)機械與能源工程學(xué)院 林驍雋 秦朝葵 吳意彬

在目前的城鎮(zhèn)燃氣管網(wǎng)系統(tǒng)中，多采用犧牲陽極的方法作為管道陰極保護，通過多年來的運行發(fā)現(xiàn)，陰極保護系統(tǒng)在套管段會受到不同程度的干擾，這種干擾會使管道的受保護狀態(tài)變得不確定。當(dāng)套管段位于存在軌交雜散電流干擾處時，這種不確定性會加大，使得管道的陰極保護系統(tǒng)幾乎失效，從而加大管道的腐蝕風(fēng)險。由于套管的使用在燃氣管道工程中是不可避免的，因此對套管段燃氣管道的陰極保護系統(tǒng)進行有效的監(jiān)測以及優(yōu)化防腐設(shè)計尤為重要。此外，只有掌握了有效的陰極保護系統(tǒng)數(shù)據(jù)，才能對管道受保護程度以及運行壽命做出可靠的判斷，以確保管道運行的安全。

1 套管使用的必要性

在國內(nèi)城鎮(zhèn)燃氣工程中，套管的應(yīng)用非常廣泛，通過對各管道運營企業(yè)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)長久以來對使用套管的原因如下：

(1)運營維護的需要。對于某些管道投運后不便于再度開挖進行維護的地方，設(shè)置套管可以在將來需要更換芯管時通過在兩端條件允許處開挖，將芯管抽出并替換；

(2)保留管位的需要。當(dāng)管道建設(shè)程序滯后于道路建設(shè)程序時，為保留管位，避免建設(shè)工程造成路面反復(fù)開挖影響市容，一般會預(yù)留套管，待管道具備施工條件時在其內(nèi)部穿管即可；

(3)相關(guān)法律、法規(guī)及規(guī)范的規(guī)定。CJJ/T 250－2016《城鎮(zhèn)燃氣管道穿跨越工程技術(shù)規(guī)程》第4.1.2條提出：“燃氣管道穿越鐵路、高速公路時，應(yīng)加設(shè)套管”；GB 50423－2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》第7.1.3條提出：“穿越鐵路或二級及以上公路時，應(yīng)采用頂進套管、頂進箱涵或水平定向鉆穿越方式”。諸如此類的規(guī)定，使燃氣管道工程中存在許多設(shè)置套管的情況。

為避免套管在使用過程中發(fā)生腐蝕，從而喪失套管的功能作用，需要對其采取陰極保護措施。對已建成的套管段，尚無成熟的辦法。據(jù)美國腐蝕工程師協(xié)會訪華團介紹，美國的現(xiàn)行做法是加厚管壁(壁厚=10～16 mm)而不設(shè)計套管。美國采用套管內(nèi)填充密封性材料(如石蠟等)的方法，利用這些材料隔離腐蝕介質(zhì)，以減緩腐蝕速度。典型的穿越套管見圖 1，圖中包括放散管、端面密封和絕緣支架，其中測試樁僅需設(shè)置在便于檢修的一端。

使用套管后，套管內(nèi)部穿越段主管道與套管之間可能存在多種情況，如部分充滿電解質(zhì)(水)、全部充滿電解質(zhì)(水或土壤)、電氣絕緣、電氣短路等。不同情況下的套管與管芯，如圖2所示。其中情況(a)中套管與芯管之間隔離，環(huán)形空間內(nèi)干燥或水面很低，沒有陰極保護電流到達芯管表面；情況(b)中套管與芯管之間短路，同樣沒有陰極保護電流到達芯管表面；情況(c)中套管與芯管之間隔離，環(huán)形空間部分充滿電解質(zhì)，與電解質(zhì)接觸的防腐層缺陷可能接受到陰極保護電流；情況(d)中套管與芯管之間短路，環(huán)形空間部分充滿電解質(zhì)，芯管上的防腐層缺陷不能接受陰極保護電流；情況(e)中套管與芯管之間隔離，環(huán)形空間充滿了電解質(zhì)，所有的防腐層缺陷都能接受到陰極保護電流(未屏蔽狀態(tài)下)；情況(f)中套管與芯管之間短路，環(huán)形空間內(nèi)充滿電解質(zhì)，防腐層缺陷處接受不到陰極保護電流?？梢园l(fā)現(xiàn)無論在何種情況下，均不能保證芯管處于有效的陰極保護狀態(tài)。

圖1 美國套管安裝的標(biāo)準(zhǔn)做法

圖2 套管與芯管之間各種情況示意

2 常規(guī)的陰極保護系統(tǒng)監(jiān)測方法

常規(guī)的陰極保護系統(tǒng)監(jiān)測，主要目的是通過測試樁處測得管道的陰極保護電位，判斷管道的受保護情況。通過多年的運行成果及研究，目前已逐步使用斷電電位測試法替代通電電位測試法，以消除IR降對測試結(jié)果的影響。此外，將塊狀鎂陽極通過測試樁與管道連接，從而避免早期鎂陽極直接與管道連接可能帶來的保護電流倒流以及不便于控制等弊端。常規(guī)測試樁、鎂犧牲陽極、測試片布置，如圖3所示。

圖3 常規(guī)陰極保護系統(tǒng)監(jiān)測安裝示意

常規(guī)的陰極保護系統(tǒng)監(jiān)測方法無法滿足處于軌交雜散電流干擾區(qū)域內(nèi)的套管段燃氣管道的復(fù)雜情況，如前所述，加設(shè)套管后，套管與芯管之間各種不同的情況往往會使管道陰極保護失效，或監(jiān)測數(shù)據(jù)無法反應(yīng)真實保護狀況等。針對這種復(fù)雜的情況，需要對管道防腐系統(tǒng)及陰極保護監(jiān)測系統(tǒng)做出有效的完善措施。

3 現(xiàn)場測試實例

本次測試的管道位于共和新路南北高架下，穿越電氣化鐵路和軌交3、4號線。其中套管直徑1 m；套管是否有外防腐層、套管與芯管之間的固定結(jié)構(gòu)與填充物如何均不詳；芯管為3PE防腐層；穿越段位于城際鐵路末端調(diào)頭區(qū)域即軌交線路正下方約 5 m處；為便于施工組織與管理，在南、北側(cè)各設(shè)置一個鋼筋混凝土閥井，較大的南側(cè)閥井位于工務(wù)所的雜物堆放倉庫，較小的北側(cè)閥井位于鐵路圍墻的外側(cè)道路。

針對同時受到軌交雜散電流和套管對管道自身陰極保護系統(tǒng)雙重干擾的管道，常規(guī)的管道防腐設(shè)計及陰極保護系統(tǒng)監(jiān)測方法無法滿足管道運行的要求，故擬采取下列措施使得管道的防腐效果及陰極保護監(jiān)測工作更為有效與可靠。

3.1 使用新型防腐涂層

對套管內(nèi)的芯管采用一種新型防腐層材料-環(huán)氧雙組分涂料。常規(guī)使用的3PE防腐層長期處于積水中可能出現(xiàn)剝落、短路等情況。新型的環(huán)氧雙組分涂料通過車間預(yù)制，于現(xiàn)場進行接頭噴砂、涂覆，能在水中能保持良好完整性。

3.2 芯管及套管的犧牲陽極設(shè)置

GB 50423－2013《油氣輸送管道穿越工程設(shè)計規(guī)范》第7.1.4條提出：“采用套管穿越公路的管段，對管道陰極保護形成屏蔽作用時，應(yīng)增加犧牲陽極保護”，本次優(yōu)化措施為在套管內(nèi)的芯管外部纏繞帶狀鋅陽極。在套管外兩側(cè)各埋設(shè)一組塊狀鎂陽極，主要用于保護套管，同時埋設(shè)兩組試片和兩組參比電極。

3.3 加設(shè)絕緣接頭

GB/T 21448－2017《埋地鋼制管道陰極保護技術(shù)規(guī)范》第4.2.1.1節(jié)提出：“陰極保護管道在雜散電流干擾影響區(qū)可安裝電絕緣裝置分段隔離”。故本次優(yōu)化措施在受干擾管道兩側(cè)各布置一個絕緣接頭，避免主管道受到的干擾向外部管道的擴散。絕緣接頭與主管道焊接前后，使用萬用表測量其阻值，以確保焊接過程中溫度控制合理，未導(dǎo)致絕緣接頭的阻值下降。為避免地下水位升高造成絕緣接頭性能下降，將絕緣接頭布置在較高位置處。通過分別測試芯管導(dǎo)通和斷開的兩種情況，可以驗證絕緣接頭對雜散電流干擾段管道是否起到保護作用。

此外，考慮到絕緣接頭兩邊存在較多的接線點，且常規(guī)鋁熱焊施工工藝存在下列缺陷：增加了管道防腐層漏點的風(fēng)險；高溫施工時絕緣接頭的絕緣性能存在失效風(fēng)險。因此推薦使用一種在工廠內(nèi)預(yù)制的，兩側(cè)帶接線柱的絕緣接頭，同時由于采用了方便現(xiàn)場施工噴涂的新型防腐層材料對絕緣接頭進行外防腐，本措施較常規(guī)的絕緣接頭優(yōu)勢在于：

(1)工廠預(yù)制件，接線柱的防腐質(zhì)量明顯優(yōu)于現(xiàn)場鋁熱焊；

(2)采用新型防腐層材料可現(xiàn)場噴涂施工，質(zhì)量優(yōu)于常用于3PE管道上的鋁熱焊工藝；

(3)絕緣接頭與兩側(cè)采用常規(guī) 3PE防腐層管道的焊接補口便于處理。

3.4 液位與泄漏報警及無線遠傳系統(tǒng)

為監(jiān)測套管與芯管之間的空間介質(zhì)情況，在套管內(nèi)壁安裝具備無線遠傳功能的報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)可探測甲烷濃度和液位高度，并將出現(xiàn)的水位超高、管道泄漏等信息通過無線遠傳系統(tǒng)及時發(fā)送到指定的手機終端，增強時效性的同時也達到了減少人工巡線造成的繁瑣工作量的目的。

3.5 優(yōu)化套管段陰極保護監(jiān)測儀表系統(tǒng)的優(yōu)化

為實現(xiàn)管道檢測的自動化，設(shè)計了比較復(fù)雜的現(xiàn)場檢測系統(tǒng)，記錄芯管-地、套管-地等電位數(shù)據(jù)，以及絕緣接頭跨接情況下的電流、鎂陽極的保護電流、鋅陽極的保護電流等電流數(shù)據(jù)。接線板連接方案見圖 4，套管另一側(cè)的測點及編號一致。單側(cè)的測試系統(tǒng)及管道布置，如圖5所示。

圖4 接線板連接方案

圖5 測試系統(tǒng)及管道布置

為了便于整個測試系統(tǒng)的遠程控制和數(shù)據(jù)采集，測試接線全匯集到測試箱中。南北兩側(cè)的測試接線數(shù)目均為15個，分別是2個犧牲陽極、2個試片、2個參比電極、1個套管接線、5個芯管接線、1個鋅帶接線和2個預(yù)留接線。

上述所有接線點匯集到定制的測試箱里，通過測試儀器和設(shè)備檢測管地電位和管中電流等數(shù)據(jù)，接線箱共兩個，分別位于套管兩側(cè)便于安裝的墻上。

4 測試結(jié)果分析

4.1 絕緣接頭的效果

為檢驗采取上述措施后是否能降低雜散電流對管道陰極保護的影響，對某處受到軌交雜散電流干擾的套管段燃氣管道進行了絕緣接頭兩側(cè)斷開和連通兩種工況的測試。

測試 1：絕緣接頭兩側(cè)斷開；測試 2：絕緣接頭兩側(cè)連通。三個測試時間段分別為 8:00～8:30，12:00～12:30，14:00～14:30。

為判斷芯管絕緣接頭通斷對管道管地電位的影響，統(tǒng)計測試1和測試2的結(jié)果見表1。

表1 絕緣接頭通斷情況下管道管地電位的測試結(jié)果

從表1中的數(shù)據(jù)可知，相同條件下，測試1(絕緣接頭兩側(cè)斷開)時管地電位負值更大，說明此時管道陰極保護的保護狀態(tài)比絕緣接頭導(dǎo)通時要好。

4.2 犧牲陽極對芯管及套管的保護作用

金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位鎂為－2.38 V，鋅為－0.76 V，鐵為－0.44 V。鎂與鐵的電位差為1.94 V，鋅與鐵的電位差為0.32 V，鎂與鋅的電位差為1.62 V。對于已安裝鋅帶的芯管，與附近埋設(shè)的鎂陽極的電位更高。因此，鎂陽極的通/斷不僅是常規(guī)意義上的陰極保護系統(tǒng)工作與否，更可以像是個外部電源改變管道內(nèi)的電流流動方向。

本次電流測試采用了以下三種組合方式：

(1)在南北兩側(cè)絕緣接頭全部斷開、套管也斷開的情況下，穿越段的套管、內(nèi)管分別連接鎂陽極；

(2)在南北兩側(cè)絕緣接頭全部斷開、套管也斷開的情況下，非穿越段的內(nèi)管連接鎂陽極；

(3)在南北兩側(cè)絕緣接頭全部導(dǎo)通、套管也導(dǎo)通的情況下，穿越段的內(nèi)管連接鎂陽極。

通過將鎂陽極與芯管接通后分別對套管與芯管管地電位進行測試，與芯管和套管均未連接犧牲陽極的情況對比，發(fā)現(xiàn)對于芯管而言，鎂陽極總是輸出電流，管道能到得到較好的保護；對套管而言，當(dāng)與芯管之間存在積水或者其他某種形式的短路時，套管的平均電位明顯比未連接犧牲陽極時負值更大，說明鎂陽極在保護芯管的同時也保護了套管。

無論哪種情況，鋅帶電流始終為正，電流流向為由鋅帶流入芯管管道，說明鋅帶并未對管道起到保護作用。但同時，鋅帶存在另外兩個方面的作用：一是其作用相當(dāng)于一根銅線，維持電流的完整回路，正常情況下，電流通過鋅帶釋放、在防腐層缺陷處返回管道；二是在套管與芯管之間充滿水的情況下，芯管-水-鋅帶形成了一個新的保護電流回路，對管道產(chǎn)生保護作用。

通過測試，無論是與套管連接的鎂陽極還是與芯管連接的鋅陽極都能夠起到一定的保護作用，因此相關(guān)設(shè)置都是有必要的。

5 結(jié)語

通過現(xiàn)場測試驗證了以下兩個方面的優(yōu)化措施能夠有效提高套管段燃氣管道抵抗軌交雜散電流干擾的能力：

(1)受軌交雜散電流干擾的套管段燃氣管道兩端應(yīng)使用新型防腐涂層，芯管及套管分別設(shè)置犧牲陽極、加設(shè)工廠預(yù)制絕緣接頭以及無線遠傳系統(tǒng)等措施來提高管道系統(tǒng)自身的防腐水平。

(2)采用本文所述的陰極保護監(jiān)測儀表與系統(tǒng)，較常規(guī)的陰極保護系統(tǒng)監(jiān)測方法，能夠更有效地測得芯管-地電位、套管-地電位、及絕緣接頭跨接情況下的電流、埋地犧牲陽極的保護電流、纏繞鋅陽極的輸出電流等數(shù)據(jù)，從而對同時處于套管段和軌交雜散電流干擾區(qū)域管道的運行情況能夠有更全面可靠的掌握。

綜上所述，通過加強處于軌交雜散電流干擾的套管段燃氣管道的自身防腐及優(yōu)化陰極保護監(jiān)測儀表與系統(tǒng)的方法，可大大提高軌交附近燃氣管道的安全性。