阴极保护技术在地下输水管网中的应用

唐华 白雪飞 宗辉
（大庆石化公司机动设备处，黑龙江，大庆，163714）

　　摘　要：本文介绍了阴极保护技术在公司地下输水管网中的实际应用，经两年多的实践证明，该技术应用效果良好，经济效益显著，值得推广。
　　关键词：阴极保护 地下输水管网

Application of Cathodic Protection Technology in the Underground Water Filtering
Tang hua　　Bai xuefei　　Zonghui
(DAQING Petroleum Chemical Equipment Department HEILONGJIANG province DAQING city 163714)

　　Abstract: The text introduce two fact application of Cathodic protection technologin in the underground water filtering, the practice of more two years prove: The applicable effect of Cathodic protection technologin is all right, he economical benefit is notable.This technologin is good for popularize.
　　Keyword: Cathodic Protection Technology　　Underground Water Filtering

　　阴极保护技术是一项技术成熟经济效益显著的防腐新技术，其具有保护能力强、施工简单且投资小等优点。为了解决地下管网的腐蚀问题，国外从七十年代开始采用区域性阴极保护技术。在国内的石化企业中，辽化、扬子石化、九江石化、抚顺石化公司、广州石化、林源炼油厂等单位也先后对厂区的地下输水管网实施了阴极保护，取得了较好的效果。大庆石化公司厂外和厂区内的地下输水管网是为炼油区和化工区生产装置提供生产用水的，是公司生产系统的重要命脉。公司于97年和98年先后对厂外和化肥厂厂区的地下输水管网实施了阴极保护，二年多的运行实践表明，阴极保护技术对防止埋地钢质管线的腐蚀泄漏是十分有效的，阴极保护与管道本身的防腐层互相补充，其安全性和经济性达到完美组合，是地下输水管网的最佳防腐方案。

1 大庆石化公司厂外输水管线的阴极保护工程

1.1 工程简介
　　公司埋地钢质输水管线从红旗泡水库取水，分别为公司的化工区、化肥区和炼油区提供生产和生活用水。该供水系统总长度约为137公里，自1975年至1984年陆续建成投产以来，腐蚀泄漏问题日趋突出，据不完全统计，炼油厂自85年至97年间 每年堵漏30多处。由于管线腐蚀泄漏严重，炼油厂已于88年至97年间全部更新了埋地管线。化肥和化工区每年也发生泄漏，埋地管线的泄漏点主要集中在二十里泡内，公司于97年对二十里泡内的管线进行了更换。此外化工区还新敷设了一条φ720供水管线，以确保装置的正常生产。
　　公司厂外输水管线的阴极保护工程共建设阴极保护站4座，设恒电位仪12台（其中9台工作，3台备用）；开挖深井阳极地床28眼（其中60m 深2眼，40m 深4眼，20m 深22眼）；埋设高硅铸铁阳极144支，镁合金牺牲阳极100支，敷设电缆13000米，埋设测试桩26支，标志桩30支，长寿命参比电极15支，安装均压线19处，埋设挂片12组72片（其中保护挂片和非保护挂片分别为36支）。组成了一个以外加电流为主，牺牲阳极为辅的完整的阴极保护系统。
1.2 厂外输水管线的阴极保护效果测试内容及方法
　　1.2.1 外加电流系统深井阳极地床接地电阻测试
　　利用Zc－8接地电阻测量仪，分别对深井阳极建设安装后和电缆连接前进行测量，并在系统通电后，与各深井的回路阻抗实测计算值比较。
　　1.2.2 外加电流系统工作状态测试
　　外加电流系统通电调试，工作状态稳定后对以下数据进行测试：
　　a．通过恒电位仪表测量其输出电流值；
　　b．通过恒电位仪表测量其输出电压值；
　　c．通过恒电位仪表测量阴极控制点的阴极电位值。
　　1.2.3 牺牲阳极系统工作状态测试
　　在牺牲阳极的埋设过程中，对每组牺牲阳极的工作状态进行跟踪测试，达到设计要求后才能进行埋设。测试内容有：
　　a．测试每组牺牲阳极的开路电位；
　　b．测试每组牺牲阳极的工作电位
　　1.2.4 阴极保护实施前的埋地管线电位的测量
　　为了充分说明厂外埋地管线阴极保护实施后的效果，在阴极保护实施前，用万用表和参比电极测量厂外输水管线的自然电位。
　　1.2.5 阴极保护效果的测试
　　阴极保护系统全面通电后，通过预埋电位测试桩对埋地输水管线的保护进行全面测量。
　　1.2.6 保护挂片的测量
　　为了定量地评定埋地管线的阴极保护效果，在阴极保护系统投入运行后，埋设了几组与被保护管道相同材质的检查片用来测定埋地管线的保护度。经一年和五年后两次取样，称量各自的腐蚀失重，即可计算出腐蚀率和保护度，这样就可以定量地评定出不同时期埋地管线的保护效果。
1.3 测试结果与分析
　　1.3.1 深井阳极地床接地电阻测试
　　在深井阳极地床安装后，分别对各眼深井进行了接地电阻测量，其数据如表1所示：

表1 厂外地下管网阴极保护深井阳极接地电阻测量数据表 序号 位置 测量深度（米） 接地电阻（欧） 1 1#阳极井组 40 0.8 2 2#阳极井组 40 0.9 3 3#阳极井组 40 0.95 4 4#阳极井组 40 0.70 5 5#阳极井组 40 0.60 6 6#阳极井组 40 0.55 7 7#阳极井组 40 0.98 8 8#阳极井组 40 0.75 9 9#阳极井组 40 0.90

　　从表中数据可见，阳极地床接地电阻＜1Ω，符合规范要求。
　　1.3.2 外加电流系统工作状态测试结果
　　经过一段时间的通电运行，外加电流阴极保护系统达到稳定状态，阴极控制点的电位控制在-1.20V～1.80V之间，恒电位仪输出电流在12.5～43.5A之间，输出电压在10～34V之间，经多次检查，表明恒电位仪工作状态稳定，性能可靠。阳极井、参比电极等埋地设施也全部工作正常。测试结果见表2。（相对于钢/硫酸铜参比电极，以下数据同）。

表2 外加电流系统恒电位仪工作状态测量数据表 站名 序号 输出电流（A） 输出电压（V） 阴极控制电压（-V） 红旗泵站 1 35 34 1.2 2 25 18 1.5 3 23 21 1.5 乙烯农场升压泵房 4 24 15 1.8 5 40 15 1.8 乙烯农场雨水泵房 6 43.5 28 1.4 化肥厂 7 12.5 10 1.3 8 16 11 1.2 9 15.5 11.5 1.2

　　1.3.3 牺牲阳极系统工作状态测试
　　在镁合金牺牲阳极的埋设过程中，逐点测量了牺牲阳极的工作状态，从测试结果看，镁阳极的开路电位全部负于-1.50V。工作电位全部负于-1.30V。
　　1.3.4 阴极保护实施前埋地管线的电位测量结果
　　阴极保护实施以前，全面测量了厂外埋地管线的电位，管道电位在-0.54V～0.67V之间，具体数据见表3。

表3 阴极保护实施前后埋地管线的电位测量结果 序号 测试桩号 保护前管道电位（-V） 保护后管/地电位（-V） 第一次 第二次 第三次 1 C1 0.662 1.480 1.525 1.208 2 C2 0.637 1.480 1.514 1.162 3 C3 0.627 1.250 1.421 1.216 4 C5 0.670 1.216 1.234 1.093 5 C6 0.660 1.210 1.257 1.199 6 C7 0.595 1.086 0.116 1.078 7 C10 0.609 1.042 1.066 1.027 8 C12 0.545 0.818 1.000 0.904 9 C13 0.609 0.962 1.086 1.059 10 C14 0.634 1.049 1.001 1.118 11 C16 0.616 1.251 1.580 1.483 12 C22 0.578 1.116 1.024 1.056 13 C23 0.576 0.916 0.962 0.911 14 C24 0.612 0.840 0.850 0.850 15 C26 0.570 0.645 0.820 0.834

　　1.3.5 阴极保护效果测试结果
　　阴极保护系统全部通电运行后，在半个月的时间内进行了三次全面的管地电位测试，测量结果见表3。由测试结果可以看出，保护电位比较稳定，三次测量的结果基本一致，数据的重现性较好，且随着时间的推移，电位分布越来越均匀，说明随着阴极计划时间的延长，阴极保护电流分布越来越均匀，阴极保护系统的工作状态越来越好。
　　从红旗泵站到安萨路口，公司所有的埋地七条管线基本平行，本区段共埋设七个测试桩C1～C7。且测试桩分别位于不同的管道上，从测试结果可以看出，管地电位均负于-1.0V，各条管线的保护电位较均匀，均压线均压效果良好。
　　从安萨路口开始，七条埋地管线由此分岔，其中5条经农场、二十里泡至乙烯和化肥区。另两条经农场至炼油厂。阴极保护投运后，二十里泡内的四个测试桩C8～C11电位均在-1.0V左右，电位分布均匀，说明二十里泡内的管线保护状态良好。
　　从卧兴路至乙烯区的四条管线，共埋设了22组44支镁合金牺牲阳极。从C12～C15测试桩的测试结果看，在牺牲阳极和外加电流的联合保护下，管线的保护电位分布均匀，保护效果良好。
　　从卧兴路至化肥厂共埋设了五个测试桩C16～C20，其中（C16～C19测试桩靠近阳极井，受阳极峰的影响，埋地管线电位偏负在-1.20V～1.80V之间。
　　从安萨路口至炼油厂的两条φ720管线，由外加电流和牺牲阳极联合保护，其中从铁路至炼油厂龙凤升压站这段管线共埋设了28组镁合金牺牲阳极，从测试结果看，从安萨路口至C24测试桩区段内管线电位-O.85V～-1.481V之间，埋地管线保护状态良好。从C24～C26大约有一公里长的管线在市区内埋设，受厂区内管网影响较大，加之城市内建筑物基础对电流的屏蔽作用，除牺牲阳极附近的管线电位达标外，其余约半公里长的管线可以在以后厂区内管网保护时一并加以解决。
　　从运行二年以来的测试结果来看，恒电位仪运行稳定，测试桩的测试数据均负于-0.85V，说明阴极保护系统运行正常。
　　1.3.6保护挂片的测试
　　在阴极保护系统投运后，在地下管线的典型地段埋设了12组与被保护管道材质相同的钢质挂片，每组6片，其中3片与被保护管道电性连接，另3片与被保护管道电性绝缘。从测试数据来着保护挂片与管道电性连接情况良好，挂片电位为-O.862～-1.241V，基本与管地电位相同，一年后取出挂片，计算保护度均在90％以上，处于完全保护状态。而非保护挂片的电位为-0.566～-0.611V，处于自然腐蚀状态。
1.4 结论
　　根据测试结果分析，可以得出以下结论：
　　①阴极保护系统性能良好，工作状态稳定，达到设计要求；
　　②达到完全保护的电位处于-0.85V～-2.OV之间的管道面积占管道总面积的99.5％，只有0.5％的被保护管道处于欠保护状态，电位为-0.80V左右。
　　③埋设的保护挂片与管道电性连接情况良好，均处于完全保护状态，电位处于-0.862V～-1.241V；非保护挂片与管道电性绝缘，遭受自然腐蚀，电位为-0.566V～-0.611V；
　　④阴极保护系统投运后，输出电流为230～240A，占设计保护电流的50％左右，符合设计规范技术要求；
　　⑤本工程选用的辅助阳极结构合理，接地电阻低，均不超出1.0Ω，耗电小。

2 大庆石化公司化肥厂厂区地下管网阴极保护

2.1 工程简介
　　化肥厂厂区输水地下管网1975年建成，共长18.8公里。由于腐蚀问题日趋严重，泄漏点逐渐增多。该阴极保护工程共建设阴极保护站6座，安装恒电位仪7台，钻建40米深井阳极地床2座，60米深井阳极地床8座，埋设高硅铸铁阳极共112支，敷设电缆5300米，安装均压线17处，埋设测试桩21支，标志桩23支，参比电极18支，阴极接点6处，埋设试验挂片10组，共60片，建成了以深井阳极地床为主的外加电流阴极保护系统。
2.2 阴极保护效果测试内容及方法
　　测试内容及方法见1.2。
2.3 测试结果与分析
　　2.3.1 外加电流系统工作状态测试结果
　　2.3.1 深井阳极地床接地电阻测试
　　在深井阳极地床安装后，分别对各眼深井进行了接地电阻测量，其数据如表4所示：

表4 化肥厂区地下管网阴极保护深井阳极接地电阻测量数据表 序号 位置 测量深度（米） 接地电阻（欧） 1 升压站西 60 0.34 2 清水池东北侧 40 0.44 3 清水池西南 60 0.35 4 二开关东北 40 0.39 5 二开关西南 60 0.42 6 2号炉东南 60 0.39 7 三开关南 60 0.47 8 空分空压东 60 0.44 9 顺丁橡胶西 60 0.42 10 顺丁橡胶西 60 0.43

　　从表中数据可见，阳极地床接地电阻＜1Ω，符合规范要求。
　　2.3.2 外加电流系统工作状态测试结果
　　经过一段时间的通电运行，外加电流阴极保护系统达到稳定状态，阴极控制点的电位控制在-1.0V～-1.80V之间，恒电位仪输出电流在30～65A之间，输出电压在8～28V之间，经多次检查，表明恒电位仪工作状态稳定，性能可靠。阳极井、参比电极等埋地设施也全部工作正常。测试结果见表5。（相对于铜/硫酸铜参比电极）

表5 外加电流系统恒电位仪工作状态测量数据表 序号 位置 输出电流（A） 输出电压（V） 阴极控制电压（-V） 1 升压站内 34.0 10 1.218 2 碳滤水厂内 42.0 8.2 1.141 3 第二开关所 60.0 17.5 1.580 4 快锅 39.8 29 1.394 4-1 快锅 60.5 30 1.394 5 空分空压间 42.4 13.0 1.500 6 顺丁橡胶化验楼 60.2 19.8 1.590

　　2.3.3 阴极保护实施前埋地管线的电位测量结果
　　阴极保护实施以前，全面测量了化肥厂埋地管线的电位，管道电位在-0.487V～0.763V之间。
　　2.3.4 阴极保护效果测试结果
　　阴极保护系统全部通电运行后，在一个月的时间内进行了五次全面的管地电位测试。由测试结果可以看出，大部分测试桩达到充分保护电位，阴极极化过程良好，对于管段密集区域，如：冷却塔循环水管网C4极化较慢，但一直在逐渐增加。
　　从运行二年以来的测试结果来看，恒电位仪运行稳定，测试桩的测试数据均负于-0.85V，说明阴极保护系统运行正常。
　　2.3.5 保护挂片的测试
　　从埋地的保护挂片的测试数据来看，保护挂片情况良好，挂片电位本与管地电位相同，一年后取出挂片，计算保护度均在92％以上，处于完全保护状态。
2.4 结论
　　根据测试结果分析，可以得出以下结论：
　　化肥厂厂区阴极保护系统性能良好，工作状态稳定，达到设计要求：阳极地床接地电阻小，使得阴极保护的日常维护费用低：

3 经济效益分析

3.1 直接经济效益
　　3.1.1 延长使用寿命的经济效益
　　早在1985年因厂外地下管网腐蚀己更换了管道，化肥厂厂内的地下管线也有泄漏，己成为生产的重大隐患。地下输水管网的使用寿命按15年计算，采用阴极保护后，有效保护期为25年，现有管网的使用寿命延长到40年。阴极保护的经济效益按下式计算：

　　S＝[n(a+b+c-G)-(F+M)]/Q
　　式中：
　　　　S——年经济效益，万元／年
　　　　N——2.7（使用寿命增加的倍数）
　　　　a——管道工程造价
　　　　b——管道维修费
　　　　c——旧管道拆除费
　　　　G——旧管道剩余价值
　　　　F——阴极保护工程造价
　　　　M——阴极保护维修费
　　　　Q——25年（采用阴极保护后的使用寿命）
　　将上述数据，带入公式计算结果为：
　　　　厂外输水管网阴极保护工程投资280万元，直接效益S=1600万元/年
　　　　化肥厂厂区阴极保护工程投资128万元，直接效益S＝800万元/年
　　3.1.2 抑制腐蚀泄漏创造的节水效益
　　厂外和化肥厂区埋地输水管线进行阴极保护后，管线的泄漏次数明显降低，按照进行阴极保护后每年减少漏点90％，每个漏点从发现到堵完按5天计算，年节水约250万吨，年创经济效益250万元。

参考文献：
　　[1] 米琪等．管道防腐蚀手册．北京：中国建筑工业出版社，1994
　　[2] 孟繁强等，阴极保护技术在埋地钢质管道中的应用．中国给水排水．（2001）05-0059-03