在役埋地钢质燃气管道追加阴极保护系统的设计.doc

在役埋地钢质燃气管道追加阴极保护系统的设计孤Isslen在役埋地钢质燃气管道追加阴极保护系统的设计重庆大学城市建设与环境工程学院夏阳张玉梅重庆市前沿石油天然气工程勘察设计有限公司阮金华摘要:根据城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程(cJJ95-2003)l相关要求对某高压管道追加阴极保护系统.分析了强制电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护的适用条件,论述了深井阳极地床强制电流阴极保护系统设计主要参数的确定,工艺计算及应用实例.关键词:埋地钢质燃气管道阴极保护系统深井阳极地床防腐层和阴极保护结合使用是控制管道腐蚀的有效方法.城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程(CJJ95-2003)对城镇燃气埋地钢质管道的腐蚀控制进行了严格的规定:仅有防腐层保护的高压,次高压,公称直径150mm的中压在役管道应逐步追加阴极保护系统.西南地区某市的次高压燃气管道于1979年建成,管道规格为D2198rnlYl,使用特加强级石油沥青防腐层,经过30Y的运行,防腐层老化严重.2008年对管道全线进行外腐蚀检测,防腐层绝缘电阻率为4107751Q?ITI,平均值为2323Q?IFI,防腐质量属于差的级别,防腐层缺陷点较多,平均2.55个/km.为了防止腐蚀的继续发生,消除或减缓管道的安全隐患,保证管道的可靠运行,决定对该次高压燃气管道追加阴极保护.本文对主要参数的确定,工艺计算等方面进行了探讨.1追加阴极保护系统的选择率,管道及周围管网现状,交/直流电干扰情况,有无经济方便的电源,工程造价等.强制电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护比较见表1.表1两种阴极保护技术优缺点对比保护技术优点缺点输出电流连续可调;强制电流保护范围大;需要外部电源:不受环境电阻率的限制:对临近金属构筑物干扰大;阴极保护维护工作量大;工程越大越经济;有可能出现过保护.保护装置寿命长.不需要外部电源;高电阻环境下不宜使用:对临近金属构筑物无干扰或干保护电流几乎不可调;牺牲阳极扰小;防腐层质量必须好,不然牺牲投产调试后管理丁作量小;阳极消耗较快;阴极保护工程越小越经济;投产后调试工作复杂保护电流分布均匀,利用率高:消耗有色金属(镁合金,锌合一般不会出现过保护.金.根据该次高压燃气管道的实际情况,对强制电流阴极保护和牺牲阳极阴极保护两种方法进行专家论证和技术经济比较后决定:使用以强制电流阴极保护为主,并辅以牺牲阳极阴极保护的方案.强制电流阴极保护系统见图1.1.1阴极保护方法的选择应用于城市燃气管道阴极保护的方法有两种:强制电流阴极保护(包括:深井阳极和浅埋阳极)和牺牲阳极阴极保护.不论是使用何种方法,合理有詈效的阴极保护系统都可以获得良好的保护效果,防止管道腐蚀的进一步发生.选择阴极保护方法时主要考虑的主要因素有:管道防腐层性能,工程规模,所需最小保电流发大小,蚧】)2009年第5期上海煤气整流器外壳条件,土壤电阻图1强制电流阴极保护系统示意1.2阳极地床及辅助阳极的选择强制电流阳极保护按照辅助阳极地床的不同,可分为浅埋阳极地床(0n图l1和深井阳极地床.由于辅助阳极工作性质确定了阳极处于电解状态,这就要求在设计辅助阳极地床时,要考虑两个方面的问题:(1)N极材料的消耗;(2)IH极气体产物的溢出,防止阳极气阻的产生.前者是阳极材料本身的性能,后者则取决于阳极地床的结构.通常辅助阳极应在焦炭回填料地床中工作,可以解决上述两个问题.阳极地床及辅助阳极的对比见表2和表3.表2阳极地床的选择阳极地床类型考虑内容浅埋阳极深井阳极一般适用于长输管道一般适用于城市内管网,长输管适用地区或地质条件不宜安装道,站内密集管网和地表电阻率高深井阳极的地区而地下电阻率低的地区占地面积l00-15Om6-10nl埋深25m30l0Om气阻不容易产生施工不当,容易产生施工比较简单,施工费旖工技术难度大,施工费用较局;技术经济性用低;阳极一般为高硅阳极一般为高硅铸铁,金属氧化铸铁,价格便宜物,价格较高容易产生屏蔽,部分管道无法得到有效的阴屏蔽问题比较少,局部个别管段可保护有效性能无法得到有效的阴极保护;对临极保护;对临近埋地金属构筑物影响较大近埋地金属构筑物影响较小表3辅助阳极的选择辅助阳极类型适用环境高硅铸铁盐渍土,海滨土,酸性或硫酸根离子含量较高土壤高电阻土壤和覆盖层质量较差,处于复杂管网或地柔性阳极下构筑物的管道钢铁阳极一般土壤,高电阻土壤石墨阳极一般土壤金属氧化物阳极一般土壤对于城市周边的阴极保护站,只要地质条件允许,建议采用深井阳极地床,以减少阴极保护电流对临近埋地金属构筑物的影响,并减少征地范围,避免地床在运行中遭到破坏.综合考虑各种因素的影响,最终决定在管道沿线设置三处强制电流深井阳极地床阴极保护站,辅助阳极材料选用钛基氧化物阳极(金属氧化物阳极).2主要设计参数的确定对于已建管道,往往需要进行许多实际参数的测量,根据实测数据进行设计计算,在管道防腐Trans帕l层设计手册中给出了下列常规参数:(1)自然电位:一0.55V(相对于铜/饱和硫酸铜参比电极,CSE,下同1.(2)最小保护电位:一0.85V(CSE).(3)最大保护电位:一1.25V(CSE).(4)钢质管道电阻率:低碳钢:0.135Q?m2/m,16Mn钢:0.224Q?m/m,高强度钢:0.166Q?m2/m.(5)电源效率:70%.(6)保护电流密度:影响保护电流密度选取的因素很多,主要有被保护管道防腐层状况,管道周围环境条件,被保护金属的种类.在实际设计计算时,可以通过防腐层绝缘电阻率来选取管道的保护电流密度:,一300r1,ds一一式中:一保护电流密度,mm/m2;月一防腐层绝缘电阻率,Q?m;管道沿线防腐层绝缘电阻率4107751Q?m2,管道的保护电流密度取值范围为:0.04-0.73mA,m,取平均值,按A=o.14mtn2计算;(7)土壤电阻率:土壤电阻率变化范围较大,管道沿线电阻率为15.74.4Q?m,取平均值27.9Q?m;(8)阴极保护系统设计寿命:25年.3阴极保护准则阴极保护电位是判断阴极保护效果的主要指标,阴极保护系统的保护效果应达到下列指标之一才算合格:(1)施加阴极保护后,管道阴极保护电位(即管/地界面极化电位,下同1应为一850mV(CSE)或更负.测量阴极保护电位时必须消除IR降的影响.(2)阴极保护状态下管道的极限保护电位不能比一1200mV(CSE)更负.(3)当存在细菌腐蚀时,管道阴极保护电位应为-950mV(CSE)或更负.(4)在土壤电阻率100Q?m至1000Q?In环境中的管道,阴极保护电位宜负于-750mV(CSE);在土壤电阻率P大于1000Q?m的环境中的管道,阴极保护电位宜负-650mV(CSE).上海煤气2009年第5期(】眵曩Isslen4设计工艺计算(1)保护长度计算:强制电流阴极保护的保护长度按下列公式计算:=2=尺.Pt而(3)刀?(10OO一)?式中:保护长度,m;一单侧保护长度,m;最大保护电位与最小保护电位之差,V,=一0.85一(一1.25)=0.4V;D厂管道外径,rn,取=0.219;广单位长度管道纵向电阻,D./m;P钢管电阻率,Q?HI2/m,取0.135;管道壁厚,mm,取8.(2)保护电流计算:强制电流阴极保护的保护电流按下列公式计算:/o兀DpLpf4)式中:单侧保护电流,A.(3)辅助阳极接地电阻计算:对于单支深井阳极辅助阳极及阳极组的接地电阻按下列公式计算:Pln(a)(5)R,:FRv一(6)Fl+(7)nsRv式中:风单支深井辅助阳极接地电阻,Q;p一土壤电阻率,Q?m;一辅助阳极长度(含填料),m;J)一辅助阳极直径(含填料),m;f_一辅助阳极埋深(填料顶部距地表面),m;R广辅助阳极组接地电阻,Q;一辅助阳极电阻修正系数,可按式(7)计算;一阳极组辅助阳极支数;.卜辅助极I距,rfl.刀)2009年第5期上海煤气(4)阳极质量计算:阳极的质量应能满足阳极最小设计寿命的需要,按照下式计算:(8)式中:一辅助阳极总质量,kg;一辅助阳极设计寿命,按25年计算:一辅助阳极消耗率,kg/(A?a1:保护电流,A,为各管道所需保护电流之和的110%,10%为余量;_|辅助阳极利用系数,取0.70.85.当已知辅助阳极质量时,也可以用上式反算辅助阳极设计寿命.(5)电源设备功率计算:电源设备的功率可按下式计算:P:77V=(尺+Rl+R)+,/(9)(10)(11)(12)式中:电源设备功率,W;电源设备的输出电压,V:电源设备效率,一般取70%;R厂辅助阳极组接地电阻,Q;r一导线电阻,Q,取0.2;R广阴极过渡电阻,Q;一阴极地床的反动电势,V,当采用焦炭填充时,取=2V:R厂防腐层过渡电阻率,Q?m,取各管段绝缘电阻率平均值2322;管道线电阻,Q/m;a一管道衰减系数,.(6)I艺计算结果见表4.表4工艺设计计算结果E垒垒望墨墨!168964891.6345】0640164813689对于每个阴极保护站,采用3组钛基氧化物阳极(金属氧化物辅助阳极),预包装阳极体尺寸为D219x6000mm,其中共包含3支规格为D25x1000mid的管式钛阳极.阳极井的孔径设计为400mm,阳极地床深约50ITI,采用石油焦炭填料,填料层厚度大于90mm.5恒电位仪的选择根据表4的工艺设计计算结果,选用30V/10A的恒电位仪.恒电位仪设置在各保护站仪表问内,考虑与SCADA系统的适配,恒电位仪应具备标准信号采集端子.恒电位仪的性能要符合埋地钢质管道阴极保护技术规范的要求,并具有报警功能,保护性能和安全性能.f11报警功能:所有报警均提供声光报警,同时在液晶屏上显示报警的原因;当设备输出电流或电压超过额定值的105%时,仪器报警;当参比电位超过过欠电位报警值上限或低于过欠电位报警值下限时,仪器报警.过,欠电位报警值上下限为预置电位+50mV;当恒电位仪输出极性接反时,仪器报警且自动停机.f2)保护性能:恒电位仪输出电流的限流保护值和输出电压的限压保护值为额定值的11o%.(3)安全性能:恒电位仪的机壳绝缘电阻应不小于50MQ.仪器能承受输入对机壳2000V介电强度试验电压(交流有效值),历时1min而无击穿和闪络现象.仪器的输入,输出端具有防雷击保护功能.线路板防潮,防盐雾,防霉.6测试系统通过设置保护电位测试桩,绝缘装置测试桩,极化探头,埋地长效参比电极和埋地检查片来测试阴极保护系统的各项参数,从而衡量阴保系统的运行状况.(1)测试桩:管道沿线设置保护电位测试桩,一般情况下布置于管道燃气流向左侧.测试桩间隔不大于1km.在下列位置处设测试桩:管道与交,直流电气化铁路交叉或平行段;绝缘接头处;接地系统连接处;金属套管处;与其他管道或设施连接处;辅助试片及接地装置连接处;与外部管道交叉处;管道与主要道路或堤坝交叉处;穿越铁路或河流处;与外部金属构筑物相邻处.在各测试桩安装图中标出相应位置接线柱的典型用途,在有其他用途的接线柱现场做标记,引至测试桩的电缆应采用颜色或其他标记进行区分,且全线统一.(21极化探头最少可以消除90%的IR降,根据测量极化电位的需要,极化探头设置在测试桩处.极化探头埋在与管道相同的土壤中.水平与管壁净距0.1m,埋深与管道中心标高相同.由于极化探头价格较贵,且没有必要每个测试桩处都设置,所以极化探头的数量可为测试桩的一半,即每隔一个测试桩设置一个极化探头.(31长效参比电极可测得管道通电电位,设置在测试桩处.埋在与管道相同的土壤中.水平与管壁净距0.1m.埋深与参比电极中心与管道中心标高相同.(41检查片埋设在不同类型的地段和土壤环境.一般选在污染区,高盐碱地带,杂散电流严重地区以及管道阴极保护电位最小处.检查片设置在测试桩处.7电绝缘装置没有绝缘就没有阴极保护,在管道的保护端和非保护端,管道与套管道,管道与支架,管道与管桥之间设置电绝缘装置,如绝缘接头,绝缘法兰,聚乙烯垫块等.同时还要设置防雷电过电流保护器,如锌接地电池,避雷器等.在本工程中,为了防止有效保护电流流失,在门站管道进,出口处和支管与次高压干管连接处,设置整体型直埋式绝缘接头.安装前测试绝缘接头两侧的电阻值应>10MY2.套管内管道与套管间采用绝缘支架实现电绝缘,避免管道与套管接触连通.为防止绝缘接头受高电压冲击而损坏,绝缘接头两端连接由成双的锌合金阳极构成的接地电池.每个绝缘接头配一套锌接地电池,锌接地电池一般情况下布置于管燃气流同石侧,水半距曾遭外壁上海煤气2009年第5期(刀3m(一般为3-5m,最小不宜小于0.5m),埋深一般与管底同深,顶部距地面不宜小于1m,且应埋在土壤冰冻线以下.在地下水位低于3m的干燥地带,应适当增加埋深.8电缆(1)对于钢质管道上所有非焊接连接部分,应采取电缆跨接连接,以保证管道的电连续性.(2)测试电缆应采用铜芯电缆,截面积不宜小于4111/12.多股连接导线,每股导线的截面积不宜小于2.51/1Ill.用于强制电流阴极保护的铜芯电缆的截面积不宜小于16mm;牺牲阳极电缆的截面积不宜小于4m】m.电缆的埋设深度不应小于0.7m,四周应有510cm厚的软土,上部盖水泥板或红砖,铺设时,电缆长度要留足够的裕量.9铝热焊与钢制管道相连的电缆采用铝热焊连接.当电缆截面大于16mrn时,把电缆芯分股,每股不超过16nnTl,分开进行铝热焊接.焊接位置不应在弯头上或管道焊缝两侧200rain范围内.每次焊接用的铝热焊剂用量不应超过15g.10补口电缆与管道相连的焊点处,绝缘接头与管道的焊接处,应重新进行防腐绝缘处理,防腐材料与等级应和原有的防腐层相一致,或比原有的方法层等级更高.本工程补口方法可采用与管道之间焊接后的补口方法相同.11牺牲阳极设计在距离阴极保护站较远,外加电流保护难以达到,燃气管道得不到充分保护的局部或偏远的管段,管区,设置牺牲阳极,以使全线管道都得到有效的阴极保护.牺牲阳极材料采用镁.锰(Mg.Mn)合金,牺牲阳极与被保护管道敷设相同深度,与管道平行,水平埋设.牺牲阳极的设计,施工及验收要符合埋地钢质管道阴极保护技术规范的要求.DesignofSuppIementedCathodiCProtectionSystemforIn-ServiceUndergroundSteeIGasPipeIiReUrbanConstructionandEnvironmentalEngineeringInstitute,ChongqingUniversityXiaYangZhangYumeiChongqingQianyanOil&GasMachineryDetecting&DesigningCo.,Ltd.,RuanJinhuaAbstract:AccordingtoCJJ952003TechnicalspecificationforcontrolofexternalcorrosiononundergroundgasPipelineofsteelinareaofcitiesandtowns,thecathodicprotectionsystemofahypohighpressur