在役燃气管网追加强制电流阴极保护关键技术

岑 康 王 磊 孙华锋 韩 滔 王 飞

1.西南石油大学土木工程与建筑学院 2.中国石油西南油气田公司输气管理处成都输气作业区3.中国石油西南油气田公司管道管理部

0 引言

截至2017年底，国内城镇燃气管网总长度已达到62.3×104km[1]。随着服役时间的延长，腐蚀失效必将成为埋地钢质燃气管道失效的主要形式之一[2-3]。据统计，1962—2016年英国陆上管道因腐蚀失效比例为21.3%，仅次于外部干扰[4]。2006—2016年欧洲天然气管道腐蚀失效的比例为25%，仅次于外部干扰[5]。川渝地区油气管道运行43年以来，由于腐蚀导致的失效比例达到39.5%[6]。由于燃气管网常处于人口稠密地区，输送介质为易燃易爆气体，一旦发生腐蚀穿孔泄漏，极易引发火灾、爆炸等恶性事故，严重威胁周边居民的生命和财产安全[7]。

实践证明，采用外防腐层和阴极保护相结合的方式，可有效防止钢质管道腐蚀[8]。由于强制电流阴极保护可能对邻近金属构筑物存在一定杂散电流干扰，在燃气管网腐蚀防护中应用较少。目前，在役燃气管网主要采用牺牲阳极的阴极保护法[9]。但由于强制电流法具有输出电流大且可调、保护范围广、较牺牲阳极法土石方开挖量大大降低、在城区易于实施等显著优点，福州、北京等少数城市先后尝试将强制电流阴极保护技术运用于城区埋地钢质燃气管网的腐蚀防护上[10-11]。

然而，在役燃气管网环枝结合、结构复杂，分布于城市的大街小巷，分支和附属设备设施多，建设投运时间不一致，外防腐层类型多且质量参差不齐，管道防腐层破损点多，阀门一般也没有进行专门的绝缘处理，且杂散电流干扰源多。在运营过程中，可能还间或埋设有聚乙烯管道、牺牲阳极包、绝缘接头等，但又未准确标注在管网图上。上述特殊性，导致在役燃气管网追加阴极保护设计过程中，往往面临管网电连续性时断时续、防腐层绝缘电阻值变化大、管网末端绝缘改造工作量巨大等难题，给其设计与调试工作带来了很大的挑战和不确定性。

针对上述问题，在总结在役燃气管网追加强制电流阴极保护设计流程的基础上，对管网电连续性检测、阴极保护分区、阴极保护电流强度、管网电绝缘性改造（楼栋调压箱、阀门、防腐层破损点）方案优化等关键问题进行研究。此外，对楼栋调压箱前法兰绝缘改造前后的电阻进行实地测试，并对各种绝缘改造方案进行技术经济对比分析，旨在为在役燃气管网追加强制电流保护提供借鉴。

1 追加阴极保护设计流程

对在役燃气管网追加强制电流保护设计工作进行总结，提出了优化的设计流程，如图1所示。首先根据电连续性检测结果，确定阴极保护对象和阴极保护方案。然后划分保护分区，确定阴极保护站的位置，并开展馈电试验。若馈电试验效果较差，分区内的部分管道达不到有效保护，应调整保护分区，并重新开展馈电试验；反之则确定阳极井的数量，对阳极井的地质参数进行勘察，并确定深井阳极地床深度等参数。最后对管网的电绝缘性改造方案进行优化。

图1 在役燃气管网追加阴极保护设计流程图

2 阴极保护设计关键问题

2.1 阴极保护对象及其电连续性

在役燃气管网包括市政输配干网和用户管道等。其中市政输配干网管径较大、输送压力较高，一旦发生腐蚀穿孔，极易引发火灾、爆炸等恶性事故。且市政输配干网的防腐层质量往往较好，对其追加阴极保护可以获得良好保护效果，能有效降低管网运行风险。而用户管道则往往存在防腐层质量较差、与外部金属结构搭接等问题，严重影响阴极保护实施效果。针对这一情况，可依据用户管道电连续性检测、馈电试验的结果，综合判断管道防腐层的质量和漏电情况。对于防腐层质量较好、漏电不严重的用户管道，可考虑将其纳入阴极保护范围。而对于防腐层质量较差、漏电严重的用户管道，则不对其追加阴极保护，以免影响阴极保护系统的整体效果。

管道的电连续性是阴极保护的前提条件。在役燃气管网中部分位置可能安装有聚乙烯管道、绝缘接头、牺牲阳极包，且大部分未有标识，导致管道的电连续性较差，应采用PCM+等仪器对其开展电连续性检测。需要排查的问题包括：①对管网中的聚乙烯管道、已建绝缘接头进行准确定位；②查找原有牺牲阳极包的安装位置；③排查燃气管道与外部金属结构搭接的情况。检测时，电流测量点应沿管道均匀分布，以便根据管道沿线电流变化趋势来判断管道的漏电、搭接、电流屏蔽与已建绝缘接头等情况。

2.2 阴极保护分区及保护电流强度

2.2.1 阴极保护分区

针对在役燃气管网结构复杂、难于实施土石方开挖等特点，推荐采用强制电流法进行阴极保护。对强制电流保护区域内无法达到有效保护的管道，应采用牺牲阳极法进行补充保护。受最大和最小保护电位的限制，一个强制电流阴极保护站的保护范围有限，应将保护区域内的管道划分为若干个相对独立的保护分区。而在现有标准中，尚未提出适用于在役燃气管网追加强制电流阴极保护的分区方法[12]。

针对上述情况，提出在役燃气管网阴极保护分区步骤：①根据河流和铁路的走向、管道防腐层的类型和等级、管道拓扑结构、电连续性检测结果，对保护区域进行初步分区，确定拟建阴极保护站的位置；②在各个拟建阴极保护站的位置开展联合馈电试验，模拟整个阴极保护系统的实际运行状态，在馈电试验过程中，应确保管道充分极化后，再测量其阴极保护电位与电流强度[13]；③结合联合馈电试验结果，分析管道阴极保护电位分布、深井阳极地床处电流发散性、管道沿线电流漏损点和杂散电流干扰情况，对保护分区边界、深井阳极地床数量与位置进行调整和优化。

馈电试验系统由电源设备和临时阳极地床组成。电源采用连续、稳定、可调的直流电源输出，可根据管道的极化情况调整输出电流的大小，确保管道的极化效果。临时阳极地床采用镀锌角钢或接地模块，且临时阳极地床的接地电阻应控制在较低水平，便于电源设备输出较大的电流。由于接地模块可能出现与地下其他金属结构搭接等情况，容易对电流的走向产生直接影响。因此，推荐采用现场埋设角钢的方式制作临时阳极地床，并通过调整角钢埋设数量来控制接地电阻。馈电试验可选择临时阳极地床附近的阀井、露空管段作为馈流点。而电位测试点可选择管道沿线的阀井、楼栋调压箱前的露空管段等便于测试的位置，且测试点应尽量均匀分布。

2.2.2 阴极保护电流强度

阴极保护电流强度可以通过经验法或馈电试验确定[13]。经验法是根据文献或标准规范，选取类似管道的保护电流密度推荐值，再根据被保护管道的表面积来计算保护电流强度。新建管道的保护电流密度可根据管道外防腐层的绝缘电阻值确定。而在役燃气管网随着服役时间的增加，防腐层逐渐老化、破损，绝缘电阻值降低，导致保护电流密度的需求量增大。因此，经验法不适用于确定在役燃气管网的保护电流强度。

馈电试验模拟阴极保护站对拟追加阴极保护的管道施加临时阴极保护，可相对直接、准确地获取所需保护电流强度，为电源设备的选型、深井阳极地床接地电阻的控制提供参考依据。例如，四川省绵阳市高新区部分燃气管网（约5 km），采用直流电焊机输出48 V/28 A的电流进行馈电试验。管道通电极化4 h后，管道沿线的自然电位和通/断电电位的测量值如表1所示，电位随时间的变化趋势如图2所示。根据阴极保护准则可知，电源设备输出28 A的保护电流时，该管网能够达到有效保护。此外，5 km的管道极化4 h后，通电电位波动较小，断电电位趋于稳定，可以避免因极化时间不足引起的电位测量误差。因此，根据馈电试验数据，强制电流阴极保护系统电源设备宜选用50 V/50 A或以上规格。

表1 管道沿线电位表

断电电位的测量应在断电0.5 s之后进行[14]，也可使用脉冲示波器记录断电后电位的变化曲线。此外，需连续24 h测量电气化铁路对管道的干扰情况。当交流电流密度大于等于30 A/m2时，应采取排流措施[15-16]。

开展馈电试验前，应在保护管道与未保护设施之间安装电绝缘装置，使馈电区域内实施阴极保护的埋地管道与外部结构彻底绝缘。然而，在役燃气管网难以做到馈电区域与外部结构的彻底绝缘。如阀门绝缘处理不当、楼栋调压箱与接地系统相连等，均会导致绝缘不彻底。同时城镇埋地管网结构复杂，可能存在与其他金属管道搭接等情况，也会导致保护电流大量流失。因此，根据馈电试验结果，如何准确确定保护电流强度还有待进一步研究。

2.3 深井阳极地床及深度确定

强制电流采用的阳极地床主要分为浅埋点状、深井、水平和分布阳极地床[17]。其中，深井阳极地床不受地形限制，对外界结构干扰小[18]，能提供更均匀的电流分布，适用于埋地钢质管道或金属结构密集区域的管道阴极保护。因此，根据在役燃气管网的特点，对其追加强制电流阴极保护时，推荐采用深井阳极地床。

深井阳极地床应位于保护管网的中心位置，并尽量与现有燃气站场合建，便于增大保护范围，提高土地利用效能。深井阳极地床对外界金属结构可能存在一定干扰。在确定深井阳极地床位置时，应采取适当措施，以尽量减小相应干扰的不利影响。常见的措施包括：①确保深井阳极地床与被保护管道之间无其他金属结构；②避开重要的金属结构，或与其保持足够的安全间距；③根据地质构造和地下土壤电阻率分布等情况，尽量将接地电阻控制在1 Ω以下，并尽量增大深井阳极地床的埋深；④监测深井阳极地床周围的电位梯度，当土壤电位梯度大于2.5 mV/m时，应采取排流措施[16]。

可根据深井阳极地床勘察报告中提供的纵向土壤电阻率分布、地下水位等参数，合理确定深井阳极地床的深度，尽量减小其接地电阻，可有效降低电源输出电压（功率），进而减少对外部设施的干扰。某深井阳极地床所在位置的地下土壤电阻率分布如图3所示。地下水位深度为8.1 m。随着井深的增加，平均土壤电阻率在22.9～56.2 Ω·m范围内波动。当井深大于84 m时，土壤电阻率急剧增大，因此建议深井阳极地床深度不超过84 m。根据阳极体的选用情况，选取阳极段长度中点深度的土壤电阻率值，计算校核深井阳极地床的接地电阻（小于1 Ω），确定阳极体长度和深井阳极地床深度。

图3 某深井阳极地床土壤电阻率分布图

2.4 管网电绝缘性改造方案优化

2.4.1 楼栋调压箱改造

楼栋调压箱位于管网末端，一般通过膨胀螺栓或支架安装于永久性承重墙上，底部距地坪的高度约1.5 m，用于将燃气从中压调压至用户所需压力。部分楼栋调压箱的进气管上焊接有镀锌扁钢等接地线，并通过小区防雷接地网或人工接地极接地，如图4所示。对管道施加阴极保护后，如果楼栋调压箱处不绝缘，保护电流将会通过此处流失，将直接影响整个阴极保护系统的正常工作。由于楼栋调压箱数量巨大，其对应的电绝缘性改造工作量也非常大。

为评价楼栋调压箱在未进行电绝缘性改造前的漏电情况，对中石油南充燃气有限责任公司、成都新都港华燃气有限公司辖区内共计42个楼栋调压箱前法兰的电阻值进行了实地测量，如图5所示。测量方式如下：①将法兰和管道表面的防锈漆刮除，并将其表面打磨出金属光泽；②将2根导线的一端分别与万用表的红黑表笔连接，另一端通过磁铁分别固定在法兰盘和管道上；③调节万用表档位，测量法兰两端的电阻值。

法兰绝缘改造前电阻测量结果的频数分布直方图及分布曲线如图6所示。采用统计产品与服务解决方案（Statistical Product and Service Solutions，SPSS）软件，对法兰绝缘处理前的电阻样本进行非参数检验，表明法兰绝缘处理前的电阻值服从正态分布。此外，当置信概率为95%时，法兰绝缘处理前电阻的置信区间为 [28.6 Ω，37.6 Ω]。

图4 楼栋调压箱及其接地系统照片

图5 法兰电阻的测量照片

图6 法兰绝缘改造前电阻值频数分布直方图

在最不利状态下（即法兰两端的电位差最大，假定法兰前端为最大保护电位－1.2 V，法兰后端为管地电位－0.50 V），根据绝缘处理前法兰电阻值的置信下限，估算最大漏电量为24.48 mA。上述结果表明，楼栋调压箱的漏电量较大，必须对其进行电绝缘性改造才能确保阴极保护系统的正常运行。可能的电绝缘性改造方案如下。

1）方案1：楼栋调压箱进气管道上焊接绝缘接头。楼栋调压箱进气管上无法兰的，经停气、置换后，将进气管割断，焊接绝缘接头。

2）方案2：楼栋调压箱进气管道上安装法兰连接式绝缘接头。楼栋调压箱进气管上安装有法兰的，采用法兰连接式绝缘接头，通过预制法兰盘与原有法兰盘进行螺栓连接，替换进气阀后法兰盘之间的燃气管道，如图7所示。

3）方案3：采用绝缘紧固件替换普通法兰螺栓。当楼栋调压箱前带法兰盘时，通过在原法兰螺栓外增加绝缘胶带，在原钢垫圈与法兰盘之间加装绝缘垫圈，对楼栋调压箱进行电绝缘性改造[11]（图8-a）。聚四氟乙烯材料具有优良的绝缘性能，以及较强的耐辐照性能和较低的渗透性，即使长期暴露于大气中，其性能仍可保持不变。因此，绝缘胶带可考虑选用聚四氟乙烯生料带或绝缘电工胶布，绝缘垫圈选用聚四氟乙烯垫片，绝缘紧固件如图8-b、c所示。此改造方案施工难度小、效率高，能显著减少改造时间，降低改造成本。

为了评价方案3的绝缘效果，对改造后的法兰电阻进行测试，结果如表2所示。根据法兰绝缘改造后的电阻值，估算平均漏电量为0.001 7 mA。法兰绝缘处理后的电阻虽然低于相关标准[19]中规定的绝缘接头、绝缘法兰的绝缘电阻值应高于20 MΩ的要求，但其电流漏损量与改造前相比，已大大降低。可通过适当增大保护电流来弥补，只会增加少许电费支出，属于可接受范围。因此，通过增设绝缘胶带、绝缘垫圈可以达到绝缘效果。

图7 法兰连接式绝缘接头安装图

图8 增设绝缘胶带、绝缘垫圈的改造原理图

表 2 绝缘改造后的法兰电阻值表 MΩ

对上述3种改造方案进行综合技术经济对比分析（表3）。由表3可知，若楼栋调压箱前安装有法兰时，建议采用增设绝缘胶带、绝缘垫圈的改造方案；无法兰时，则采用焊接绝缘接头的改造方案。

2.4.2 阀门改造

在役燃气管网的部分阀门在涂刷防锈漆后，埋设在阀井内。部分阀门锈蚀严重，存在较严重的漏电情况，如图9所示。为了减少保护电流的漏损量，应对其进行电绝缘性改造。

表3 电绝缘性改造方案技术经济对比表

图9 埋地阀门现状照片

燃气管网系统的阀井数量众多，改造工作量大，短期内无法完成。可根据电连续性检测、馈电试验、阴极保护系统调试等结果，判断不同阀门的漏电严重程度，进而制订合理的改造计划。对电流漏损严重的阀门，可采用将其整体更换为电绝缘性更好的直埋阀等方式，优先进行改造。而电流漏损相对较轻的阀门，可通过外包橡胶垫、加缠热缩带、包覆粘弹体防腐膏等方式，对阀门及两侧露空管道进行电绝缘性改造。

2.4.3 管道外防腐层修复

在役燃气管网的防腐层多以石油沥青和三层PE为主。目前，常用的外防腐层修复材料有冷缠带、热收缩带、无溶剂液体环氧涂料和粘弹体材料等[20]。然而，部分管道埋设在机动车道下，不便于对其破损点进行开挖修复。因此，可根据电连续性检测、PCM检测和阴极保护系统调试结果，判断破损点的漏电情况与修复难易程度，制订合理的修复计划。对防腐层破损较大、漏电较为严重的位置优先进行修复。

3 结论

在役燃气管网结构复杂，追加强制电流阴极保护设计时，需考虑管道参数、地形、干扰等诸多因素。总结了在役燃气管网追加强制电流阴极保护设计的思路，并对设计中面临的管道电连续性、保护分区划分、保护电流强度确定、管网电绝缘性改造方案等关键技术问题进行分析，提出以下解决办法：

1）市政干网应追加阴极保护，用户管道应根据其电连续性检测、馈电试验结果，判断是否具备追加阴极保护的条件。可利用PCM+等仪器，排查影响管道电连续性的各种因素，确保管道的电连续性。

2）综合考虑防腐层的类型和质量、管道拓扑结构、电连续性检测、河流和铁路的分布等情况，进行初步分区。开展馈电试验，确定各分区所需保护电流强度，并对深井阳极地床的数量和位置进行优化。

3）在役燃气管网追加强制电流时，推荐采用深井阳极地床。通过深井阳极地床勘察结果确定深井阳极地床的深度，尽量减小其接地电阻，以降低电源设备的输出电压和功率，进而减少对外部金属结构的干扰。

4）当楼栋调压箱前安装有法兰时，推荐采用增设绝缘胶带、绝缘垫圈的绝缘改造方案；无法兰时，则采用焊接绝缘接头的绝缘改造方案。

5）根据电连续检测、阴极保护系统调试等结果，判断阀门、管道防腐层破损点的漏电情况与修复难易程度，制订阀门、防腐层破损点绝缘改造计划。