区域性埋地管网阴保系统应用探讨

魏 巍 赵铁瑞 毛 琦

（1. 大庆金帝检测有限公司，黑龙江 大庆 163300；2. 石油化工工程质量监督总站天津监督站，天津 300271；3. 天津市嘉信技术工程公司，天津 300384）

0 引言

据《中国工业及自然环境腐蚀调查与对策》柯伟院士报导：我国每年因腐蚀损失2008亿元，间接损失是直接损失的1.5～2.0倍，包括间接损失每年损失5000亿元。区域阴极保护是在对无法进行有效绝缘的一个区域内的管网进行统一的阴极保护的方法，它可以有效地将整个区域内的管网一同进行保护，抑制腐蚀的发生。区域阴极保护方法要与保护区外的管道进行电性绝缘。这种方法与一般的管道阴极保护在实施上是有很大的不同的。

1 腐蚀环境

某化工厂占地面积约3km2，始建于1977年，至2008年相继运行投产以来，连年的建设加改造，各装置的地上附属原料、中间产品、成品储罐分布各生产区；生产、消防、污水排放等地下管线密布全厂，管道管径在25～1020mm之间，防雷、防静电、接地网纵横交错。近期的统计数据表明：地上各类金属储罐70余座，储罐罐底面积约为25000m2；各种埋地金属管线总长40km，金属管道表面积达40000 m2；附属接地设施的金属表面积为15000m2。

厂区范围内全部为盐碱性土壤，具有地下水位高（-0.6～-1.4m）、土壤电阻率低（＜5Ω·m）的特点，土壤对储罐罐底、埋地管道以及其它地下金属构筑物具有极强的腐蚀性，有年腐蚀率达1mm/a的记录。

地下设施外防腐层结构各异，在建设初期，储罐底外防腐仅采用环氧煤沥青（留焊缝）防腐，地下管线仅采用石油沥青玻璃布防腐。此外由于建设时间不一、使用年限不同，特别是早期建设的储罐及地下管线，存在普遍的防腐层剥离、失效情况，严重的还引起了腐蚀穿孔。

众多的地上储罐、地下金属管道、电缆、金属接地装置构成一个复杂的地下网络。由于上述设施施工时防腐处理质量的差异、强腐蚀性土壤环境中各种腐蚀电池的不断侵蚀，有些设施已接近设计寿命末期，近几年区内地下设施腐蚀严重、泄漏频繁，随时可能发生停水，以至停产事故，直接威胁到安全生产，成为影响工厂安、稳、长、满、优运行的最大隐患之一。例如，由于消防管道年久失修，存在着大量的潜在漏点，消防水为稳高压系统，平时在低压力下运行，当发生火灾险情时，消防水管网压力提升，这种运行状态极易使漏点集中暴发。排污水管线的泄露造成环境污染。

另外，从经济上考虑，腐蚀漏点造成的直接和间接经济损失是巨大的。据统计，一处漏点的堵漏费用就近万元人民币，此外还有水资源的浪费、人力资源的浪费、管理资源的浪费以及其他的一些间接经济损失。

解决腐蚀问题，可以更换受损罐底、地下管线，这种方法投资巨大、施工周期长，还会影响正常生产；局部更换破损防腐层可以临时解决腐蚀问题，这种方法施工难度大、环境污染严重，还会带来同一设施涂层防腐能力不同而引起薄弱环节的新腐蚀，不能从根本上解决储罐罐底和地下金属构筑物的腐蚀问题。

经综合分析，从经济、便利、可行的角度出发，对厂区内的储罐罐底和地下金属管网进行大规模的区域阴极保护是治理腐蚀隐患比较的理想措施，这样可以彻底抑制储罐罐底和地下金属管网的腐蚀，从根本上消除土壤腐蚀带来的安全隐患[1]。

2 地质、气象环境

2.1 地质资料

除地表0.2～0.4m厚的耕土或局部地段有回填土外，地层自上而下按土的成因和性质，大致可划分为四层：第一层：黄褐色亚粘土，地面下2m左右，成因为陆相；第二层：灰色粘土，地面下2～16.5m，成因为滨海相；第三层：黄色粘性土，地面下16.5～28.5m，成因为陆相；第四层：灰色粘土，地面下28.5～40m以下，成因为滨海与陆相交替，分部较均匀。

2.2 气象条件

2.2.1 空气湿度

相对湿度≥95%时的最高温度 22.20℃

最大相对湿度 79%

平均七、八月份相对湿度 79%

平均一、二月份相对湿度 59%

2.2.2 降水

10min最大降水量 21.0mm

1h最大降水量 82.0mm

1d最大降水量 171.2mm

年平均降水量 512.0mm

年最大降水量 762.5mm

2.2.3 冻土59cm

2.2.4 地下水位

最高地下水位 -0.6～-0.8m

平均地下水位 -1.0m

最低地下水位 -1.4m

2.3 地震烈度 8度

3 设计选择及施工方法

3.1 保护对象

地上各类金属储罐70余座，储罐罐外底面积25000m2；各种埋地金属管线总长40km，金属管道表面积40000m2；附属接地设施的金属表面积15000m2。

3.2 保护方法

经过对厂区内的腐蚀环境调查，管网防腐层破损严重、腐蚀环境恶劣，需要很大保护电流，所以应选择外加电流法为主的保护方法；又由于厂区内管线密集、纵横交错，再加上工业建筑基础、储罐基础、输配电网、接地网，构成了极其复杂的地下金属结构网络，金属网络的屏蔽问题突出，所以设计采用深井阳极地床的辅助阳极，以解决进行阴极保护时复杂金属网络的屏蔽问题。

保护方法为采用60～80m深井阳极地床的外加电流阴极保护为主，对厂区地下输水管网中的钢质管线实施保护，在个别屏蔽的欠保护区域辅助以锌合金牺牲阳极阴极保护。

3.3 保护电流密度的选取和保护电流的计算

金属构件施加阴极保护时，使金属达到完全保护时所需要的电流密度为最小保护电流密度，在设计时称为阴极保护电流密度，选取的阴极保护电流密度大小是影响金属构件防蚀效果的主要参数，它与最小保护电位（钢为-0.85V）相对应。如果选取的保护电流密度偏低，会造成保护不足，金属构件达不到完全保护，产生不同程度的腐蚀；反之，将会造成不必要的材料和施工的投入。

阴极保护电流密度与许多因素有关，如被保护金属的种类、表面状态、表面防腐层的种类和质量、介质的性质、有效保护年限以及外界条件的影响等。这些因素的差异可使阴极保护电流密度由几个µA/m2变化到数百个mA/m2。本案例根据以往的工程案例和综合考虑厂区的实际情况，在厂区选取阴极保护电流密度为i=6mA/m2。结合“保护对象”中所给出的保护面积，计算保护电流为：I=2.5i×s=2.5×6×8=1200A

另外需要说明的是厂区经过多次更换地下管道，有几公里的废弃管道仍埋于地下，在阴极保护设计时给予充分考虑。

施工当中应对管道的电绝缘性能进行检测，对检测出的漏点进行记录。检出漏点是否修补已在阴极保护投用后确定。

3.4 电源设备及阳极地床

（1）每座深井阳极地床采用一台50V/50A恒电位仪供电，考虑到外加电流系统余量，以及厂区的实际情况，根据所需保护电流，在厂区安装恒电位仪24台；

（2）阳极地床采用深井阳极地床，井深60～80m，每眼井安装组合阳极体4支，单支规格为φ273×4000mm。

3.5 均压保护

均压保护采用电缆或镀锌扁钢将同沟铺设、近距离平行或交叉走向的被保护管道，以及非焊接连接的同一条被保护管段间电性连接起来，达到均衡管道电位的目的。这样可减小管道之间的电位差，确保电位分布均匀，防止杂散电流腐蚀，扩大阴极保护范围。厂区设均压线110处。

3.6 牺牲阳极

由于厂区装置地基和罐区的屏蔽影响，以及距离阳极井太远会使部分支线管道出现阴极保护不足，所以在以外加电流保护为主的系统中辅以锌合金牺牲阳极保护解决局部保护不足问题也十分必要。本设计在厂区拟埋设120支18kg级的锌阳极。

3.7 供电电源及电缆敷设

恒电位仪电源220/380V引自各变电所或低压室配电盘备用回路，或改造已有回路。室外电缆主要以现有桥架结合直埋敷设。

电气设备接地利用已有接地装置或局部增加接地装置。

3.8 阴极保护监测

为进行阴极保护系统的日常管理，及时可靠地掌握地下管网的腐蚀情况，需设计安装测试系统。确定厂区共设立80个电位综合测试桩，用于在保护期间内测量管道的保护电位。另外为检查阴极保护工程的实际效果，在厂区内埋设测试挂片8组，每组6片[2]。

4 保护效果

（1）有效保护年限25年；

（2）在有效保护期内，管线的保护电位≤-0.85 v（相对于Cu/CuSO4参比电极），全厂区的电位达标率≥95%；

（3）在有效保护期内，管线的保护度≥90%；

（4）在有效保护期内，被保护的管线的漏点数量逐渐减少，在原腐蚀严重部位之外不再新发生腐蚀穿孔。