钢质海底输水管道防腐方案及牺牲阳极保护设计

2020-02-06胡勇HUYong孙国强SUNGuoqiang

价值工程 2020年35期

胡勇HU Yong；孙国强SUN Guo-qiang

（浙江省水利水电勘测设计院，杭州310002）

0 引言

海底管道处于海洋环境，对于钢质的海底输水管道，其承受的外部化学及电化学反应环境相比较陆地管道要恶劣很多。由于管道长期处于海水（海泥）中，外部遭受海水环境腐蚀，而海泥也处于海水饱和状态，含盐量高，电阻率低，对于钢质管材具有较强的腐蚀性。同时，海底输水管道内部输送的淡水对管道内壁也会产生腐蚀影响。在外部海水和内部输送淡水的共同作用下，海底管道发生腐蚀是不可避免的。但海底管道又长期埋设于海床面下，管道腐蚀无论是在监测检查或是维护更换方面都面临较高的技术难度。在工程实践中，必须采取必要的措施减轻管道的腐蚀发生，延长管道的使用年限。

1 钢质海底输水管道防腐方案选择

1.1 外防腐保护方案

钢管外防腐保护方案一般有涂层防护及阴极保护等。对于海底管道，一般采用涂层加阴极保护联合防腐的措施。

1.1.1 涂层材料选择

自19 世纪60年代埋地钢质管道投入使用，应用于管道外防腐的涂层主要包括沥青涂层、煤焦油瓷漆、胶带、双层聚乙烯、熔结环氧粉末（FBE/2FBE，单层和双层）和三层聚乙烯（3PE）。由于材料自身的适用性及环境因素，沥青涂层、煤焦油瓷漆、胶带和双层聚乙烯目前已较少应用于海底钢管，FBE/2FBE 和3PE 是目前涂层市场的主流产品。实践表明，FBE/2FBE 和3PE 都具有使用寿命长、抗土壤化学腐蚀、柔性好、电绝缘性好、耐阴极剥离等性能。主要差异在于：

FBE 成本相对较低，但其属多孔性薄涂层，耐冲击性能和耐水汽渗透性能较差，易被尖锐硬物碰破，在装卸、运输、铺管、回填过程中存在涂层破坏的风险。而且对于螺旋缝钢管，焊缝处涂层厚度较难控制。FBE 通常不能单独用于海底管道外防腐，几乎总是与混凝土配重层或保温层结合使用。对于钢质海底输水管道，由于输送介质的密度与海水密度较接近，对配重结构的要求比油气管道少，一般不设混凝土配重层，因此FBE 基本不用于钢质海底输水管道。

2FBE 是在传统的防腐型粉末涂层外面再喷涂一层改性的保护型环氧粉末涂层，较大地提高了防腐层的机械性能，增强了防腐层的抗冲击能力、耐高温能力以及高温时的抗渗透性，同时保持了FBE 与阴极保护的相容性能，不会产生阴极保护屏蔽，其整体防腐层的厚度在600～1000μm 之间。成膜后涂层的抗冲击、抗弯曲、耐划、耐磨、耐热等性能要求很高。

3PE 由较薄的熔结环氧涂层、胶粘剂层和外部较厚的聚乙烯层构成，既保持了FBE 的优点，又具有耐磨、抗冲击、吸水率低、耐酸碱盐和微生物腐蚀、抗海水浸泡性能优异等优点。应用过程中需防止粘结层失效，但随着工艺的不断完善，3PE 在国内外均得到了广泛的应用，目前还没有发生剥离防腐层下出现膜下腐蚀的案例。目前，海底钢管基本采用2FBE 或3PE 作为外防腐的涂层材料。

1.1.2 阴极保护

阴极保护是将被保护的金属管道进行阴极极化，从而使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，避免或减弱腐蚀的发生。它可以成倍地延长金属管道的使用寿命。阴极保护分为牺牲阳极保护和外加电流保护两种方法，对于海底管道，由于难以安装电源装置，且从免维护的角度出发，主要采用牺牲阳极的方法。阴极保护与防护涂料联合使用时，阴极保护使涂层缺陷处和毛细孔处钢管免遭腐蚀，延长涂料的使用寿命；涂层则可以降低阴极保护所需要的保护电流，扩大阳极的保护范围，减少阳极安装数量，使阴极保护电流均匀分布于钢管表面，提高阴极的保护效果。两者的保护相辅相成，使腐蚀保护强度大大提高，腐蚀控制成本降低。

1.2 内防腐保护方案

输水钢管的内防护技术有水泥砂浆衬里、聚烯烃膜衬里、涂层衬里等。

1.2.1 水泥砂浆衬里

金属管道内水泥砂浆衬里一直被广泛采用，特别是在大口径、长距离的输、配水工程中，是一种经济、有效的内防腐方法。砂浆主要依靠水分子和铁原子之间的范德华力衬贴在管壁上，形成8～18mm 的附着层，使钢铁和输送介质隔离。由于水泥砂浆具有价廉易和无污染的特点，从人体健康和工程造价综合考虑，是目前输水管道内防腐的常用方案。但对于海底管道，由于受施工工艺限制，拖管施工过程中钢管需适应一定程度的变形，对水泥砂浆衬里的涂装质量和工艺要求很高，在海底管道中很少采用水泥砂浆衬里的内防腐方案。

1.2.2 聚烯烃薄膜衬里

采用聚烯烃塑料薄膜内衬技术是近年借鉴国外旧管道翻衬法修复工艺开发出来的三层结构：主防护层-增强层-增粘层的聚烯烃膜内衬，采用三层复合共挤成膜，膜厚0.2～0.5mm。它与钢管之间的粘合，也采用底、中、面三层聚烯烃粘合胶，这是聚烯烃材料的特点，目的是为了增强附着力，充分发挥各自功能。

聚烯烃薄膜衬里防护法的优点是无污染、表面光滑和防腐蚀性能较好，但存在价格较高、施工不好时粘接复合度差的缺点。目前输水管道工程内防腐蚀设计中尚较少采用。

1.2.3 涂层衬里

金属管道涂层衬里是利用喷涂涂料使金属管道内壁与输送介质隔离的防腐方法。对于海底输水管道，尤其是输送用于城乡居民生活使用的原水，涂层衬里材料除了满足内防腐要求外，还应符合现行国家标准《生活饮用水输配水设置及防护材料的安全性评价标准》（GB/T17219）的有关规定，具有卫生部门颁发的卫生许可证。采用涂层衬里的内防腐方案施工简便，质量可靠，是海底管道较为常用的内防腐方案。舟山市大陆引水工程的跨海输水钢管采用了厚浆型IPN8710-2B 饮水容器涂料作为内防腐的涂层材料，使用效果良好。

2 牺牲阳极保护设计

当采用阴极保护方案时，被保护管道所需的总的保护电流强度采用下式进行计算：

式中，I 为被保护管道所需的总的保护电流；S 为被保护管道的总表面面积；j 为管道所需最小保护电流密度；D为管道直径；L 为管道长度。

根据法拉第定律，当采用牺牲阳极的保护方案时，所选牺牲阳极保护金属管道的使用年限计算公式：

式中，W 为管道所需牺牲阳极的重量；I 为阳极发生电流；T 为设计保护年限；η 为阳极的电流效率，铝合金阳极取85%；η1为阳极的利用率，一般取0.8～0.85；Q 为阳极的理论发电量，铝-锌-铟系合金阳极可取2400Ah/kg。

以舟山市大陆引水工程金塘岛跨海输水管道跨海输水管线为例，钢质管道外直径0.828m，所处海土地基为中等腐蚀环境，海土泥的土壤电阻率一般为111～208Ω·cm，开路电位-1.18～-1.10V，工作电位-1.12～-1.05V。牺牲阳极设计使用寿命按50年考虑，当采用铝-锌-铟系合金牺牲阳极，每个管节使用的阳极单套质量162kg。