第四章 靖边阴极保护数据测量分析
4.1 靖边地区施工的项目介绍。
4.1.1 工程概况。
定边-靖边输油管道复线工程建成后的原油任务输量：170×104t/a.输送管道全长173km（其中樊学-东仁沟 66Km,东仁沟-靖边 107Km,为ф 273×6.4 和ф 273×7.8 管道）；包括：樊一联合站、东仁沟输油站扩建、靖边输油末站，在靖边设生产调控中心 1 座，阀室 6 座、管线穿越 19 次，其中穿越大中型河流 3 次，以及供电、通信、自控等配套设施。
定靖输油管道复线工程起点位于陕西省榆林市定边县樊学乡的樊学输油首站，中间经过砖井乡东仁沟输油站，终点位于榆林炼油厂靖边输油末站，管道全线敷设于陕西省榆林市定边县和靖边县 2 县 7 乡镇约 43 个行政村，管道敷设定边县约 120km,靖边县约52km,全长约 173km.管材材质采用 L290-Φ273X6.4 和 Φ273X7.8 直缝电阻焊钢管。沿途设 3 座输油站，6 座电动截断阀室（杨高山截断阀室、陈新庄截断阀室、安边截断阀室、东坑截断阀室、罗家茆截断阀室、芦河截断阀室）。管线起点高程为 1557m,终点高程 1388 m,沿途最高点位于王畔子，约为 1894 m,最低点位于芦河穿点，约 1345 m.
管道沿途和靖惠管道交叉 1 次，与中国移动及中国电信通讯光缆交叉各两次，穿越古城墙遗址 1 次，吴定高速引道 2 次，穿越 307 国道 3 次，穿越 303 省道 1 次，乡村沥青路路 5 次，穿越大型河流 3 次，大型冲沟 3 次。
管道沿线所经区域为毛乌素沙漠南部边缘区，本段地貌为沙漠与黄土高原北部过渡地带，两种地貌犬牙交错，具有地形变化大、地貌形态多变的特点，主要为粉、细砂和粉土、粉质粘土两种地层。
沿途通过的大中型河流主要有：定边县境内的八里河，靖边县境内的红柳河、芦河，土质较疏松。主要为风沙草滩区和冲积平原、丘陵区，风沙草滩区部分普遍分布潜水。
管道沿线区域属气候类型为干旱大陆性季风气候，四季变化大，冬季主要受西伯利亚冷气团控制，严寒而少雨雪，干旱多风。沙尘暴灾害频繁发生，每次沙尘暴来临，风势迅猛，并夹杂沙土，遮天蔽日，能见度很低，多发生于冬春两季。气温特点是冬季冷而长，夏季热而短，秋季降温快。
4.1.2 线路防腐工程设计要求。
a.管道的防腐与保温。
定边-靖边原油管道所经区域属毛乌素沙漠南部边缘区，土壤含水率一般在 10%~25%之间；土壤电阻率较大，绝大部分在 50Ω·m 以上，平均电阻率为 84Ω·m;PH 值在7.0~8.5 之间；土质疏松，未见微生物腐蚀迹象。由于本管线与其它输油、输气管线在部分地段并行或交叉敷设，还应该考虑杂散电流干扰引起的腐蚀问题。
管线外防腐保温采用由防腐层﹣保温层﹣保护层组成的复合结构。对于管线主体，防腐层涂敷环氧粉末薄膜结构，干膜厚度为 250±50μ m.保温层采用 30mm 厚硬质聚氨酯泡沫塑料；外保护层包覆 1.6mm 厚聚乙烯塑料；工厂一次成型预制，现场补口补伤。
保温层断面应加防水帽密封，防腐层补口采用无溶剂环氧涂料，结构与管体相同；保温层采用泡沫塑料，现场发泡；保护层补口采用聚乙烯热收缩套。对于弯头和弯管，防腐层采用无溶剂环氧涂料，厚度不小于 200μ m.保护层采用聚乙烯热收缩带缠绕。
b.管道阴极保护。
由于本工程输送管道距离长，且所经地区土壤电阻率很高，因此，本线路采用外加电流为主，牺牲阳极为辅的阴极保护方式。
特殊区段保护设计，①穿越套管，由于套管内阴极保护电流屏蔽，一旦套管内进水，腐蚀可能加剧，难以维修。因此，应在套管内管线上加装镁带阳极。同时，采用绝缘支撑将管道和套管隔离，用常压端封将套管内环型空间封闭。②石方段，石方段土壤电阻率很高，屏蔽非常严重。为了使此段管线也达到完全保护，可在管道上缠镁带阳极，同沟敷设。③临时性阴极保护，设计规范规定，在杂散电流干扰区和强腐蚀地段，当永久性阴极保护不能及时投产时，应采取临时阴极保护措施。临时阴极保护可用牺牲阳极缠绕管道同沟敷设，也可用其它牺牲阳极接地施以保护。④管道的干扰腐蚀防护措施，干扰腐蚀以实测为主。规范规定，处于阴极保护系统及其他直流干扰源附近的管道，应进行干扰源测和管道测两方面的调查测试。当管道任意点上的管地电位较自然电位偏移100mV 或管道附近土壤电位梯度大于 2.5mV/m 时，应及时采取防护措施。对于平行敷设管道，管道间距一般应大于 10m,交叉间距应大于 0.5m.由于新旧管道均使用的是电流密度很小的防腐层，是否存在干扰腐蚀，应实测确定。如确实应采取排流措施，可采用连接均压线，负电位排流等方式解决。
4.1.3 长输管线防腐施工方法。
a.管道补口补伤防腐施工介绍。
①防腐补口施工顺序：
准备工程→管口清理→管口预热→管口表面处理→管口加热、测温→热收缩（套）带→检查验收→管口补口标识→填写施工检查记录。
②施工准备。
根据工程特点和分组类别准备常用的施工车（客货车）、发电机、空气压缩机、砂灌、液化气罐、专用烤把及辅助工具、检测工具、仪器等。材料准备：按材料计划提出的石英砂，热收缩（套）带应到库验收。检验是否有合格证、检验报告单、说明书、辅助材料并应及时配齐。施工人员随工程急缓及时调整，其主要工种有防腐工、喷砂工、机械工，同时配置相应的管理人员。资料的准备，施工用的相应资料施工前应领齐。开工前编写施工方案并进行技术交底。
③管口表面处理。
埋地管补口除锈为 Sa2.5 级喷砂除锈，根据施工技术规范完成每一道程序。管口清理前应记录补口处未防腐的宽度。环向焊缝及其附近的毛刺、焊渣、飞溅物、焊瘤等应清理干净。补口处污物、油和杂物应清理干净。防腐层端部有翘边、开裂等缺陷时，应进行修口处理，一直切除到防腐层与钢管完全粘附处为止。防腐层端部坡角不大于 30度。
④管口预热。
管口表面有水气（露水或霜）时，应用火焰加热器进行加热，以清除管道表面的水分，加热温度宜为 30-40℃。加热完毕后，测量管子表面上下左右 4 个点温度，达到要求后，方可进行喷砂除锈。
⑤除锈。
喷砂应注意安全防护，不得损伤补口区以外防腐层。除锈完毕后，应清理灰尘。管口表面处理与补口间隔时间不宜超过 2h.如果有浮锈，应重新除锈。对个别焊口如无采用喷砂除锈时，应征得业主现场代表和监理同意后，方可使用电动工具除锈，处理后应达 St3 级。
⑥涂底漆。
钢管表面预处理后涂刷底漆之前，钢管表面必须干燥、无尘。底漆在容器中搅拌均匀，当底漆较稠时，加入与底漆配套的稀释剂，使其达到合适的粘度再进行涂刷。底漆应涂刷均匀，不能有漏漆、凝块和留挂等缺陷，其厚度应大于或等于 100 微米。待底漆表干后再进行用补口带和补伤片补伤。
⑦热收缩（套）带补口。
热收缩（套）带定位和安装应符合生产厂商培训的施工步骤。将热收缩安装好后，用火焰加热器先从中间位置沿环向均匀加热，使中央部位首先收缩。宜采用二人从中间向同一端均匀移动加热，从管底到管顶逐步使热收缩（套）带均匀收缩至端部，再从中央按相同的方法收缩另一端。整个收缩完后，边加热边用辊子滚压平整，将空气完全排出，使之粘结牢固。将整个补口（套）带快速全面加热一遍（约 2-3 分钟），使热熔胶充分熔化，直至端部周向底胶均匀溢出。不应对热收缩（套）带上任意一点长时间喷烤，热收缩（套）带表面不应出现碳化。
⑧固定片。
贴片前应将其内侧用喷枪预热 1-2 秒。贴上后用喷枪充分均匀烘烤固定片外面，直至其加强纤维清晰可见，并用戴手套的手拍打，如有褶皱，将其轻轻整平，再用辊子滚压将固定片里的空气尽量排出。冷却后，固定片如有翘边，可用热熔胶填缝、加热并压平。
⑨补伤片补伤：
直径不大于 30mm 的损伤（包括针孔），采用补伤片补伤，补伤片材料的性能指标要求应符合 SY/T0413 的要求。直径大于 30mm 的损伤，采用补伤片进行补伤，然后用热收缩带包覆。施工应符合 SY/T0413 相关条款的要求，施工时应注意：损伤区域的污物应清理干净，并把搭接宽度 100mm 范围内的防腐层打毛，剪一块补伤片，补伤片的尺寸应保证其边缘距防腐层孔洞边缘不小于 100mm.剪去补伤片的四角，将补伤片的中心对准破损的面贴上。
b.阴保系统施工简介（外加电流法）。
①阴级保护施工的前提条件：
管道纵向连续导电；具有足够电阻的管道覆盖层；管道和其他低电阻接地装置的电绝缘。
②阴级保护电源设备验收条件。
出厂合格，并具有相应的证明文件；技术资料、安装说明齐全；按相关要求进行保管。
③阴级保护电源设备安装条件。
电源电压与设备额定电压值相符；根据接线图核对交直流电压关系，输出电源极性正确；接线端子上注明"+""-"极标志。
④恒电位仪安装。
安装可控硅恒电位仪必须满足下列四个条件：接插件齐全、连接良好、接线正确；恒电位仪接地良好；"零位接阴线"单独用一根电缆接到管道上；铜-饱合硫酸液参比电极埋设深度、硫酸铜饱合溶液配制符合要求。
⑤汇流点及辅助阳级安装。
汇流点及辅助阳级连接牢固，并进行防腐处理；钢铁辅助阳级安装：地床位置、布置、数量符合设计要求；埋设在土壤电阻率较低区域，并可加化学试剂或食盐进行处理，接地电阻小于 1Ω ;严禁涂油漆等隔离物；埋设顶端距地面大于 1m;高硅铸铁和石墨辅助阳级安装；地床位置、布置、数量符合设计要求；连接线采用焊接连接，焊接处采用环氧树脂密封，高压电火花检漏仪检查（2.4kv），无漏点；汇流电缆按标准留裕量，以适应回填土沉降；阳级四周填焦炭碴⑥测试桩安装。
测试桩按要求施工，管道局部防腐层清除，焊接腐蚀控制或测试的引线，焊后进行防腐处理，回填时防止碰断汇流点连接电缆、均压电缆及测试电缆在测试桩接线盒中连接（铝热焊）。
⑦检查片制作安装。
检查片按要求制作，检查片数量及埋设符合设计要求，一般为 12 片，6 片与保护体连接，6片处于自然腐蚀状态检查片埋深与管道底部相同，距管道外壁 0.3m.
⑧调试。
强制电流阴级保护调试时，其电源设备给定电压连续可调阴级保护电位符合相关标准调试的保护电位以极化稳定后的保护电位为准，极化时间为3天。
c.阴保系统施工简介（牺牲阳极法）。
①牺牲阳级的基本要求。
质量合格；种类、数量、分布及连接方式符合设计要求；牺牲阳级连接电缆和阳级钢芯采用焊接连接时，电缆绝缘外皮保留在 50mm 以上，和钢芯用线绳捆扎，防止搬运折断焊接处与阳级端面必须打磨和用酒精清洗，干净后用环氧树脂防腐，厚度大于3mm牺牲阳级包裹前清理干净表面氧化物和污物。
②牺牲阳级化学填包料的制作：
牺牲阳级化学填包料的制作；填包料的制作符合相关标准；填包料的称重、混合包装在室内进行；填包料以干调振荡包装，保证阳级在填包料中间部位；填包料包裹袋不得用人造纤维织品制作；包裹后的阳级必须牢固，搬运时不产生位移；填包料中的膨润土部分不得用粘土代替。
③牺牲阳级的安装。
牺牲阳级埋设深度、位置、间距符合设计，一般埋设深度在冰冻线以下，且不小于1m,距管外壁 3-5m,埋设间距 2-3m 管道与电缆焊接牢固电缆敷设符合要求，留有裕量牺牲阳级连接电缆需调节回路电流时，可串入调节电阻。
4.2 阴极保护工程测量及分析。
4.2.1 管线阴极保护电位测量。
定边-靖边输油管线复线工程靖边原设计电位测试桩 51 个，每个测试桩均埋设了长效参比电极，有效的缩减了 IR 降对电位测量的影响，对于测试提供了诸多便利条件，利用参比电极法对通电后的管/地电位进行测量，测量数据如下：
对靖边段 51 个测试桩进行测试，从数据可以看出，测量值在-0.9--1.23 之间，这也基本符合国家标准规定的埋地管道阴极保护的管/地界面极化电位应为-850 mV（CSE）或者更负，但不能比-1250 mV（CSE）更负[25]
.这说明长输管道的阴极保护施工完毕后，通电完成极化检测时，全段的长输管线均得到了有效保护。经两年期间不断的对定边-靖边输油管线进行的回访，外加电流也并未增加，也证明了管道未被腐蚀。经分析，靖边地区的土壤电阻率较大、PH 值呈碱性，本身对管道的腐蚀性就比较小，防腐涂层的工艺比较先进，裸露的金属管道少，再在上管道外保护层和外加电流的为主、牺牲阳极为辅的防腐措施使长输管道得到了更有效的保护。
根据靖边地区土壤的电阻率偏大，管道的防腐保护层采用的是环氧粉末/聚氨酯泡沫塑料黄夹克保温，本身的管道保护层电阻远远大于 10000Ω。m2,靖边地区沙土管沟回填时对管道保护层的破坏微小。阴极保护所需的总电流较小，因此提出大胆建议，取消外加电流的阴极保护措施，对于长输管道长度在 50km 以下小管径的施工项目中，改用管道外防腐层和牺牲阳极为主的防腐措施对类似地质结构的施工管道进行防腐保护，这样更有利于降低建设费用，减少投资，并且减少后期维护及调试费用，先就对此方法的可行性进行分析。
4.2.2 牺牲阳极的阴保设计分析。
a.阳极输出电流。
土壤腐蚀性越强，要求单支阳极输出电流大；反之，土壤电阻率越高，土壤腐蚀性越弱，要求单支阳极输出电流越小。单支阳极质量越大，阳极输出电流越大，质量修正系数 f 也越大；反之，单支阳极质量小，阳极输出电流越小，质量修正系数 f 也越小。电位差与电流成反比。管-地电位越负，要阳极输出电流越小，管-地电位修正系数 Y 应越小；反之，管-地电位越正，要阳极输出电流越大，管/地电位修正系数 Y 应越大。SY/T0036-2000《埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范》
规定，在施加阴极电流的情况下，测得管/地电位为-850mV（相对饱和硫酸铜参比电极）或更负。计算中采用的管/地电位应低一些。
b.阳极工作寿命。
从 SY-T0019-1997《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》得知阳极工作寿命计算公式为：PIW?=wT 0.85（4.2）式中：T-阳极寿命W-阳极净质量ω-阳极消耗率Ip-阳极平均输出电流4.2.3 牺牲阳极的材料的选用。
目前主要应用于长输管线的牺牲阳极材料有镁阳极、锌阳极、铝阳极。镁阳极具有较高的化学活性，电位负，其标准电极电位为-2.37 V（相对于标准氢电极，下同）。同时，镁表面难以形成有效的保护膜。因此，在水介质中，镁表面的微观腐蚀电池驱动力大，保护膜易于溶解，镁的自腐蚀很强烈，因此其损耗也是最快的；锌的标准电极电位为-0 .762 V.在腐蚀性介质中，锌阳极与铁的有效电位差不大，如在海水介质中，约为0 .2 V,但是锌阳极具有高的电流效率。铝的标准电极电位为-1 .66 V,比锌的负很多。
从理论上讲，铝是一种很好的牺牲阳极材料。但是，纯铝极易钝化，在表面上形成一层保护性能很好的氧化膜，膜的电位很正，因此，纯铝是不能用做牺牲阳极材料的，必须合金化。镁阳极的电位很负，适用于电阻率较高的淡水和土壤环境中，锌阳极适用于低电阻率的土壤中，也可用于盐水及海洋环境中金属设备的保护。值得一提的是，当环境温度较高时，锌阳极电位正移严重，不仅不起保护作用，反而加速设备腐蚀，因此，锌阳极最好用于常温环境中。铝阳极在土壤中使用时极易形成腐蚀产物膜，阻碍电流的产生，故铝阳极不能用于土壤环境中，但铝阳极用于海洋环境中的钢铁构件的保护效果显着，并逐步取代了锌阳极，在海泥环境中，铝阳极的保护效果也是明显的[26].
4.2.4 采用镁阳极的使用寿命计算。
根据靖边地区的土壤高电阻率较高，锌阳极的电流效率较低适合在低电阻率地区或者海洋上使用、铝阳极容易产生保护性能很好的氧化膜，而镁阳极的电流效率最高，所以靖边变地区的长输管线阴极保护采用镁阳极，规格采用 14.52kg,管/地电位按靖边线路测量管/地电位的平均值-0.1v,土壤电阻率按本次测量的平均值 144Ω。m,根据阳极输出电流计算公式算出阳极平均输出电流为 9.55mA.在通过计算得出单支镁阳极（镁阳极消耗率为 10kg/A.a）的使用寿命为 129 年，考虑到镁阳极在使用中由于净质量在不断减少，电流也在衰减，应考虑安全系数，故计算出镁阳极的使用寿命为 70 年，即使这样计算也远远超出设计的使用年限 15 年，远远满足设计要求。
4.2.5 外加电流法与牺牲阳极法施工费用对比。
外加电流法施工的主要工程量有：测试桩每公里 1 支，费用为 1000 元/支；恒电位仪 2 台（一备一用），费用为 16 万元；深井阳极地床一座，费用为 40 万元，后期管理人员及调试人员投入 6 人，按 50km 的小管径长输管线设定，不考虑后期维护费用，平均每公里的建设费用为 12200 万元。
牺牲阳极施工的主要工程量有：测试桩每公里 1 支，费用为 1000 元/支，16kg 镁阳极包每公里 2 支，费用为 1200 元/支；平均每公里的建设费用为 3400 元/km.
从外加电流和牺牲阳极的费用中对比得出，外加电流法的施工费用明显高出牺牲阳极的施工费用，所以对于陕北靖边地区以及类似的地质结构适合采用以镁阳极为主的牺牲阳极法进行保护。
4.3 小结。
通过对定边-靖边输油管道复线工程的数据测量分析，受保护的管/地电位值均在-850mV 至-1250mV 之间（饱和硫酸铜做参比电极），所以线路在正常保护范围内；由于靖边地区的土壤腐蚀性低，管道发生电化学腐蚀的速率也就相应降低，所以根据本文土壤的测量数据及管道保护良好的状态，建议陕北靖边地区长输管道长度在 50km 以下小管径的施工项目中，改用牺牲阳极与管道外加防腐涂层的方法对线路进行保护，这样既降低了建设投资费用，也减少后期维护、调试的投入。
