俞 翔， 茅斌輝， ?？∽?， 劉 國

(1.杭州市城鄉(xiāng)建設(shè)設(shè)計(jì)院股份有限公司，浙江 杭州310004；2.北京凱斯托普科技有限公司，北京100102)

1 概述

非開挖敷設(shè)管道技術(shù)在近年得到了廣泛應(yīng)用。目前，新建天然氣管道施工涉及的非開挖技術(shù)主要有頂管、水平定向鉆、盾構(gòu)等。由于該技術(shù)不需要開挖面層，能穿越地面構(gòu)筑物、公路、鐵路、河流等，在節(jié)省投資、縮短工期的同時(shí)，也大大降低了對周邊環(huán)境的影響[1]。

從西二線復(fù)雜地質(zhì)河流穿越工程的實(shí)踐來看，大口徑管道在河流穿越施工時(shí)，往往因地質(zhì)條件所限無法進(jìn)行水平定向鉆穿越，且因穿越距離較短，采用盾構(gòu)穿越經(jīng)濟(jì)性較差，因此頂管穿越施工成為優(yōu)先考慮的方案[2]。在頂管穿越施工過程中，往往不可避免會對管道防腐層造成損傷。此外，由于管道埋深較深且頂管隧道內(nèi)通常為充水狀態(tài)，施工完成后，穿越段管道的檢修維護(hù)將變得困難。因此，如何解決頂管穿越段大口徑管道的防腐蝕問題，做好穿越段管道陰極保護(hù)方案就顯得尤為重要。

2 大口徑頂管穿越管道陰極保護(hù)存在問題

頂管穿越段大口徑管道的陰極保護(hù)方法與常規(guī)管道的陰極保護(hù)方法一致，同樣分為強(qiáng)制電流陰極保護(hù)法和犧牲陽極陰極保護(hù)法，但由于頂管穿越段管道的特殊性，在具體陰極保護(hù)方案的制定上與常規(guī)管道又有一定區(qū)別。在頂管穿越段大口徑管道的陰極保護(hù)方案設(shè)計(jì)之前，除了對管道管材、規(guī)格、防腐層等基本情況確定之外，管道整體陰極保護(hù)方案與穿越段管道陰極保護(hù)方案的銜接問題、強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方案的外部條件是否具備都是首要解決的問題。

① 管道整體與穿越段管道陰極保護(hù)銜接問題

如果管道整體采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方案，則穿越段管道陰極保護(hù)采用下列兩種方案。方案一：穿越段管道采用犧牲陽極陰極保護(hù)，則犧牲陽極作為穿越段陰極保護(hù)電流的補(bǔ)充，穿越段兩端可以不設(shè)置絕緣裝置，如果增加絕緣裝置，則穿越段兩端需做跨接以保證整體線路的電連續(xù)。方案二：穿越段管道采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，則穿越段兩端不設(shè)絕緣裝置且不設(shè)跨接。

如果管道整體采用犧牲陽極陰極保護(hù)方案，則穿越段管道陰極保護(hù)采用下列兩種方案。方案一：穿越段管道采用犧牲陽極陰極保護(hù)，則穿越段兩端不設(shè)絕緣裝置且不設(shè)跨接。方案二：穿越段管道采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，從確保穿越段陰極保護(hù)效果避免電流散失的角度出發(fā)，建議穿越段兩端增加絕緣裝置并做好穿越段兩端跨接，以保證整體線路的電連續(xù)。

② 強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方案條件是否具備

強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)主要由直流電源、陽極地床、參比電極及連接電纜組成。常規(guī)的電源設(shè)備如恒電位儀通常需要從市電取電，而管道穿越工程通常在野外，因此是否方便取電是強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方案能否順利實(shí)施的一個(gè)關(guān)鍵問題。此外，陽極地床無論采用深井陽極還是淺埋陽極通常都會涉及到征地問題，穿越段兩端地質(zhì)條件對陽極地床方案也會帶來較大影響。相對強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方案，犧牲陽極陰極保護(hù)對外部條件的依賴要小得多。

因此，頂管穿越段管道的陰極保護(hù)方案，從建設(shè)的難易程度、投資、工期及后期運(yùn)行維護(hù)來看，采用犧牲陽極陰極保護(hù)優(yōu)于強(qiáng)制電流陰極保護(hù)。

3 頂管穿越管道犧牲陽極陰極保護(hù)實(shí)踐

3.1 工程概況

本工程為杭州市天然氣利用工程富陽西線S16-4天然氣高壓管道頂管穿越富春江工程。穿越管道規(guī)格為D610×12.7，管材為直縫雙面埋弧焊鋼管，采用3PE加強(qiáng)級防腐層。富陽西線天然氣高壓管道全線采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方式。穿越段位于富春江窄溪大橋上游約32 m處，起點(diǎn)為富陽市淥渚鎮(zhèn)新港村的農(nóng)田，終點(diǎn)為桐廬縣江南鎮(zhèn)的空地。采用頂管法隧道穿越，穿越工程的工作豎井與接收豎井中心水平距離為658 m，隧道(混凝土套管)內(nèi)直徑為2 400 mm，外直徑為2 860 mm，長648.6 m，管道施工完成后隧道內(nèi)充水。

3.2 穿越段犧牲陽極陰極保護(hù)方案

該工程穿越距離長，沿線地質(zhì)條件復(fù)雜。根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況，采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方案涉及供電、征地等外部條件不具備，因此對穿越段采用犧牲陽極陰極保護(hù)方案。

針對頂管穿越段大口徑管道的犧牲陽極陰極保護(hù)，在設(shè)計(jì)階段對采用塊狀鋅陽極和帶狀鋅陽極兩種方案分別進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，為滿足犧牲陽極設(shè)計(jì)使用壽命要求，最終確定采用塊狀鋅陽極方案，具體陰極保護(hù)方案如下。

① 考慮到富陽西線天然氣高壓管道全線采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方式，且在穿越段前后廠站均設(shè)計(jì)有深井陽極陰極保護(hù)站，穿越段犧牲陽極作為線路陰極保護(hù)電流的補(bǔ)充，在穿越段兩端不設(shè)置絕緣裝置。

② 頂管穿越段管道陰極保護(hù)采用2組(1組4支，共計(jì)8支)ZP-3鋅合金陽極，單支陽極質(zhì)量為24.5 kg，長800 mm，縱截面為梯形，上、下邊長分別為60 mm、80 mm，高65 mm。兩組陽極分別布置在距離兩側(cè)固定墩約250 m左右位置，每組陽極通過穿越段兩側(cè)電位測試樁(以下簡稱測試樁)與管道連接。頂管穿越段沿線每隔200 m設(shè)置一組參比電極(銅/飽和硫酸銅參比電極、鋅參比電極各1支，1用1備)，用于管道保護(hù)效果測試，參比電極共4組8支。頂管穿越段兩側(cè)各設(shè)測試樁1支，共2支。每個(gè)電位測試樁接線面板上有6個(gè)端子，其中1個(gè)端子通過電纜與管道連接，1個(gè)端子通過電纜連接塊狀鋅陽極，其余4個(gè)端子分別連接2個(gè)銅/飽和硫酸銅參比電極和2個(gè)鋅參比電極。頂管穿越段管道犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)置見圖1，現(xiàn)場照片見圖2。

圖2 頂管穿越段管道犧牲陽極陰極保護(hù)現(xiàn)場照片

圖1 頂管穿越段管道犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)置

③ 每套緊固件設(shè)置1支ZP-3鋅合金陽極，用于緊固件的陰極保護(hù)，鋅合金陽極通過電纜與鋼扣帶連接，共58套。緊固件犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)置見圖3。

圖3 緊固件犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)置

3.3 陰極保護(hù)方案的注意事項(xiàng)

① 緊固件材質(zhì)及防腐要求

除對穿越段管道本身進(jìn)行陰極保護(hù)設(shè)計(jì)外，同時(shí)對固定管道用的鋼扣帶等緊固件進(jìn)行了陰極保護(hù)設(shè)計(jì)。為避免不同金屬搭接產(chǎn)生的電偶腐蝕，管道緊固件螺柱、螺母、螺栓及鋼扣帶均應(yīng)采用同種碳鋼材質(zhì)，螺柱、螺母不得采用不銹鋼材質(zhì)，這點(diǎn)往往在設(shè)計(jì)中容易忽略。此外，安裝后的螺柱、螺母、螺栓等暴露部分建議采用粘彈體材料進(jìn)行密封處理。

② 犧牲陽極的接線要求

用于管道陰極保護(hù)的塊狀鋅陽極通過測試樁與管道連接，同時(shí)為確保能夠檢測穿越段全線陰極保護(hù)效果，每隔200 m設(shè)置一組參比電極，參比電極接線分別引至兩側(cè)測試樁。用于緊固件陰極保護(hù)的塊狀鋅陽極通過電纜與鋼扣帶焊接連接，無需通過測試樁。

③ 犧牲陽極、參比電極及電纜的固定

管道及緊固件陰極保護(hù)用的塊狀鋅陽極均通過塑料管夾固定于隧道內(nèi)的混凝土墊層上。每支塊狀鋅陽極用2個(gè)寬度80 mm的塑料管夾進(jìn)行固定，施工完成后應(yīng)確認(rèn)固定牢固，防止水流沖擊將陽極沖散。參比電極通過聚乙烯膠帶固定在管道上方，聚乙烯膠帶固定要求纏繞管道2圈，并在搭接處采用補(bǔ)傷片封口固定。連接參比電極的電纜沿管道上方敷設(shè)，每隔10 m用聚乙烯膠帶纏繞固定，聚乙烯膠帶固定同樣要求纏繞管道2圈，并在搭接處采用補(bǔ)傷片封口固定。

3.4 陰極保護(hù)效果

自2016年建成投運(yùn)至2019年底，定期對4組參比電極管道電位監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得知銅/飽和硫酸銅參比電極管道電位為-1.16～-0.97 V，鋅參比電極管道電位為-0.01～0.12 V，IR降按本線路強(qiáng)制電流陰極保護(hù)段平均值100 mV計(jì)算，可以判斷該穿越段管道陰極保護(hù)最小保護(hù)電位和限制臨界電位均可以滿足GB/T 21447—2018《鋼質(zhì)管道外腐蝕控制規(guī)范》第6.1.2.2和6.1.2.3款的要求。飽和硫酸銅參比電極比標(biāo)準(zhǔn)氫電極電位正316 mV，鋅參比電極比標(biāo)準(zhǔn)氫電極電位負(fù)800 mV。本文提出的針對頂管穿越段大口徑管道的犧牲陽極陰極保護(hù)方案，具有投資省、工期短、效果好等特點(diǎn)。

4 結(jié)語

大口徑管道的頂管穿越在今后的工程實(shí)踐中會越來越多地遇到。目前對于頂管穿越段大口徑管道的陰極保護(hù)，特別是管道整體采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方案的，是否有必要對頂管穿越段管道進(jìn)行專項(xiàng)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)，在業(yè)內(nèi)還存在一定的分歧。在不確定管道整體強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)能夠完全保護(hù)穿越段管道的情況下，提出頂管穿越段管道的陰極保護(hù)專項(xiàng)方案是合理的，也是有必要的。