燃气管道整体阴极保护评估方法研究

华 伟，刘俐俐，任 勇，孟培彦，胡学涛，钱 铖，台宝灿，何少平，杨 阳

(北京市燃气集团有限责任公司，北京 100035)

0 前 言

随着北京地区埋地燃气管网服役时间延长及服役环境日益复杂,整体管线阴极保护状况及管线防腐状况并不乐观[1,2]。及时识别燃气管道整体阴极保护状态,对于提高燃气管道等公共基础设施的安全至关重要。

对远离牺牲阳极等位置的阴极保护检测,实现管段整体检测的常规方法为以牺牲阳极测试桩为管道连接点,进行密间隔电位测试技术(CIPS)测试或密间隔试片断电测试。其中CIPS测试适用于无杂散电流干扰、牺牲阳极可以断开的管段;密间隔试片断电测试可应用于存在杂散电流干扰和牺牲阳极不可断开的管段。但此2种方法面临城市地表硬化路面多,很多位置参比或试片无法布置的问题;或穿越道路多,不便长距离拉线测试,现场很难开展。

保护电流密度是指被保护构筑物单位面积上所需的保护电流密度,也是阴极保护设计和判断阴极保护程度的重要参数[3]。极化曲线表明了管道极化电位与流入其表面电流密度的关系,有效阴极保护电位对应着电流密度要求值。防腐层破损面积与流入破损点的电流密度要求值乘积即为需求电流,需求电流存在1个限值,牺牲阳极输出电流达到限值以上,被保护管段就达到了良好的阴极保护,该法可称为保护电流法。其中,防腐层破损面积与防腐层电阻率存在对应关系。

与CIPS测试或密间隔试片断电测试法相比,保护电流法只需要在连接牺牲阳极的测试桩位置测试牺牲阳极输出电流,结合目标管段防腐层电阻率即可整体评估管道阴极保护状况,不需要在管道地表进行电位测试,因而评估过程不受管道地表环境影响,即使需要对目标管段测试防腐层电阻率,因接收机自备电池也避免了长距离拉线的困扰。该方法优点是立足于测试桩位置测试,十分便捷且能准确地评估管段整体阴极保护状态。该方法是一种管道阴极保护状态的间接评估方法,国内外多对管道防腐层状态采用间接检测技术,对管道阴极保护状态尚未开展间接评估技术,因此本方法在国内外尚属首创。

为了明确北京地区埋地燃气管道临界保护电流密度,本工作在北京地区土壤环境中选择多种不同数量级电阻率防腐层管道开展馈电试验,测试管道达到临界有效阴极保护[管段最正极化电位-0.85 V(vs CSE)]所需保护电流密度,并将现场测试与数值模拟相结合,得出了阳极管道间距对保护电流分布的影响规律。

1 检测方法

选择现有全部阴极保护系统可断开且无直流干扰或直流干扰水平低的管段,进行馈电试验并同步测试全管段电位,获得被测管段达到临界有效阴极保护[即该管段最正极化电位为-0.85 V(vs CSE)]所需的阴极保护电流,计算临界有效阴极保护[管段最正极化电位为-0.85 V(vs CSE)]所需保护电流密度。

因此,选择6条防腐层类型不同、防腐层电阻率不同的管段,其管径、管段长度与防腐层材质见表1。按照如下具体步骤测试:

(1)断开待测管段现有全部阴极保护系统,以测试桩为模拟试验馈电电流设置点。

(2)在其附近寻找优良接地体作为临时地床,地床可以由角钢接地材料制作或利用现有阳极,地床位置宜距离管道2 m以上。

(3)将直流电源的正极接临时的排流地床,负极接直流杂散电流防护点位置的管道。

(4)将直流电源开启,给管道输出保护电流。调节不同的输出电流,同时采用密间隔电位测试技术(CIPS)测试管道的通/断电电位。

(5)经全管段电位测试,被测管段应达到临界有效阴极保护[即该管段最正极化电位为-0.85 V(vs CSE)]状态。

(6)通过测量的各点通电电位与断电电位和管内电流,分别计算各测量段的平均电位偏移和馈入的管内保护电流,再计算出管段防腐层电阻率。各测量点的通/断电位差按式ΔV=Von-Voff计算,防腐层电阻按式ΔV/ΔI计算,平均防腐层电阻率按式r=R·π·D·L。

2 北京地区不同电阻率防腐层管道阴极保护电流密度需求

SY/T 0036-2000“埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范”4.0.1节强制电流阴极保护系统的设计参数,新建管道的保护电流密度按覆盖层电阻选取:在5 000～10 000 Ω·m2时,取100～50 μA/m2;在10 000～50 000 Ω·m2时,取50～10 μA/m2;在50 000 Ω·m2以上时,取10 μA/m2以下。

王健等[4]针对目前阴极保护工程设计中出现的有关阳极地床、保护电流需要量套管绝缘法兰及长效硫酸铜参比电极等问题,提出一些看法,提出根据实际输出电流和保护面积计算出的电流密度参考值,见表2[4]。

表2 涂层电阻和所需保护电流密度(《阴极保护设计中的几个问题》)[4]

图1为6条管段馈电至临界阴极保护时CIPS测试结果。北京测试、SY/T 0036及文献[4]中不同防腐层电阻率、电流密度对比见图2和表3。

图1 6处不同防腐层电阻率管道馈电CIPS测试结果Fig. 1 CIPS test results of pipeline feeding with six different anti-corrosion coating resistivities

图2 北京测试、SY/T0036及文献[4]中不同防腐层电阻率、临界阴极保护电流密度需求对比Fig. 2 Comparison of critical cathodic protection current density requirements for different resistivity of anticorrosive coatings in beijing testing, SY/T0036, and reference[4]

表3 北京测试、SY/T 0036及文献[4]中不同防腐层电阻率、电流密度需求

Y030测试桩管段为低压管道,与中压管道连接处设置有绝缘接头,电连续管段长184 m,管径400 mm。Y030馈电试验与全管段电位测试显示,馈电电流达到0.006 A时,管道平均IR降为0.123 V,该管段全线达到临界阴极保护,即最正电位为-850 mV(vs CSE)。基于全管段IR降与馈入电流值,计算可得其平均防腐层电阻率为7.5×103Ω·m2,按前述馈入电流与管段长度及尺寸参数可得,此次馈电管段达到临界保护的平均电流密度为16.00 μA/m2。

YYA闸管段为中压管道,其与其他管道连接处设置有绝缘接头,电连续管段长101 m,管径300 mm。馈电试验与全管段电位测试显示,当在YYA闸对该段管道馈电电流达到0.230 A时,管道平均IR降为0.571 V,该管段全线达到临界阴极保护,即最正电位为-850 mV(vs CSE)。基于全管段IR降与馈入电流值,计算可得其平均防腐层电阻率为299.0 Ω·m2,按前述馈入电流与管段长度及尺寸参数可得,此次馈电管段达到临界保护的平均电流密度为1 908.0 μA/m2。

XNMA闸管段为中压管道,该管段长242 m,管径200 mm。馈电试验与全管段电位测试显示,当在XNMA闸对该段管道馈电电流达到0.279 A时,管道平均IR降为0.279 V,该管段全线达到临界阴极保护,即最正电位为-850 mV(vs CSE)。基于全管段IR降与馈入电流值,计算可得其平均防腐层电阻率为1.9×106Ω·m2,按前述馈入电流与管段长度及尺寸参数可得,此次馈电管段达到临界保护的平均电流密度为1.00 μA/m2。

S0247测试桩管段,长1 350 m,管径300 mm。馈电试验与全管段电位测试显示,当在S0247测试桩对该段管道馈电电流达到0.003 A时,管道平均IR降为0.222 V,该管段全线达到临界阴极保护,即最正电位为-850 mV(vs CSE)。基于全管段IR降与馈入电流值,计算可得其平均防腐层电阻率为1.3×106Ω·m2,按前述馈入电流与管段长度及尺寸参数可得,此次馈电管段达到临界保护的平均电流密度为2.00 μA/m2。

W0236测试桩管段为中压管道,该管段长268 m,管径400 mm。馈电试验与全管段电位测试显示,当在W0236测试桩对该段管道馈电电流达到0.000 3 A时,管道平均IR降为0.240 V,该管段全线达到临界阴极保护有效,即最正电位为-850 mV(vs CSE)。基于全管段IR降与馈入电流值,计算可得其平均防腐层电阻率为1.5×107Ω·m2,按前述馈入电流与管段长度及尺寸参数可得,此次馈电管段达到临界保护的平均电流密度为0.16 μA/m2。

W0253测试桩管段为中压管道,电连续管段长157 m,管径500 mm。馈电试验与全管段电位测试显示,当在W0253测试桩对该段管道馈电电流达到0.000 8 A时,管道平均IR降为0.272 V,该管段全线达到临界阴极保护,即最正电位为-850 mV(vs CSE)。基于全管段IR降与馈入电流值,计算可得其平均防腐层电阻率为8.7×106Ω·m2,按前述馈入电流与管段长度及尺寸参数可得,此次馈电管段达到临界保护的平均电流密度为0.31 μA/m2,可见,当平均防腐层电阻率为8.7×106Ω·m2,该防腐层管段临界保护的平均电流密度为0.31 μA/m2。

北京测试的临界阴极保护电流密度均小于SY/T 0036-2000“埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范”4.0.1节强制电流阴极保护系统的设计参数;除YYA闸外,其他北京测试结果也小于文献[4]中的电流密度参考值。这表明,SY/T 0036-2000“埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范”的临界电流密度较为保守,也可满足北京地区应用。

3 牺牲阳极与管道间距对管道阴极保护电流需求影响规律

基于同一管段不同馈电间距的现场检测结果,利用BEASY软件开展数值模拟,分析牺牲阳极与管道间距对管道阴极保护电流需求影响规律,以明确牺牲阳极与管道的合理间距。

3.1 不同牺牲阳极与管道间距下管道阴极保护电流需求现场实测

表4为馈电点与管道间距1,10 m下Y039测试桩管段IR降最大值、最小值与平均值。

表4 馈电点与管道间距1 m与10 m下Y039测试桩管段IR降最大值、最小值与平均值

图3为馈电点与管道间距1 m与10 m下Y039测试桩管段通断电电位。

图3 馈电点与管道间距1 m与10 m下Y039测试桩管段通断电电位Fig. 3 On/off potential of Y039 test pile pipe section at a distance of 1 m and 10 m between the feeding point and the pipeline

由图可见,均匀防腐层电阻率和土壤环境下,管道阴极保护状态沿长度方向分布是否均匀受牺牲阳极与管道间距的影响,牺牲阳极与管道间距过近,管地电位及IR降将分布不均匀,不利于发挥牺牲阳极对其覆盖1 km监测范围管道提供阴极保护。

3.2 不同牺牲阳极与管道间距下管道阴极保护电流需求数值模拟

为进一步研究牺牲阳极与管道间距对阴极保护电流需求影响,利用阴极保护技术学科常用模拟软件Beasy开展数值模拟计算。计算中,以现场实测结果为边界条件,将模型计算结果与现场馈电结果校对,设计不同管道长度几何模型,计算不同管道长度对阴极保护电流需求的影响。

对现场馈电位置的管线进行建模,模型管道长度2 000 m,馈电点上下游各1 000 m,馈入电流6.25 A,计算不同馈电点与管道间距(0.5,2.0,5.0,10.0,20.0,50.0 m)下管道阴极保护状态。图4为管线与阳极模型,然后设定其边界条件,边界条件设定思路为:管线最小保护电流密度等于现场馈电电流量与埋地管线面积之商;结合实验室极化曲线和现场馈电试验结果。图5为实验室测试极化曲线。

图4 管线与馈电点模型Fig. 4 Pipeline and Feed Point Model

图5 实验室测试极化曲线Fig. 5 Laboratory testing of polarization curve

图6为不同馈电点与管道间距(0.5,2.0,5.0,10.0,20.0,50.0 m)下管段阴极保护电位。图7为相同馈入电流下不同馈电点与管道间距管段断电电位分布对比。由图可见,阳极与管道距离越远,电位分布越均匀,远端位置电位越负;当阳极与管道间距在2.0 m以上时,阳极与管道间距对管道阴极保护电流需求影响较小,因此,在牺牲阳极设计施工时,阳极与管道间距宜在2.0 m以上,以保障阳极合理保护范围。

图6 相同馈入电流下不同馈电点与管道间距管段断电电位分布Fig. 6 Power outage potential distribution of pipeline sections with different feed points and pipeline spacing under the same feed current

图7 不同馈电点与管道间距下管段阴极保护电位Fig. 7 Cathodic protection potential of pipeline section under different feed points and pipeline spacing

图8为馈电点与管道间距0.5 m下,不同馈入电流的阴极保护电位分布。由图可见,与前述2.0 m以上的正常馈电点与间距相比,阳极与管道距离仅0.5 m时,为达到正常保护,其需求电流将从6.25 A增大到31.25 A,是正常间距需求电流的5倍之多。

图8 馈电点与管道间距0.5 m下,不同馈入电流的阴极保护电位分布Fig. 8 Cathodic protection potential distribution of different feeding currents at a distance of 0.5 m between the feeding point and the pipeline

4 结 论

(1)获得了北京地区不同防腐层电阻率管段临界有效阴极保护电流密度,可应用于保护电流法全面评估北京地区管段整体阴极保护状态。

(2)北京测试的临界阴极保护电流密度均小于SY/T 0036-2000“埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范”4.0.1节强制电流阴极保护系统的设计参数;SY/T 0036-2000“埋地钢质管道强制电流阴极保护设计规范”的临界电流密度较为保守,也可满足北京地区应用。

(3)均匀防腐层电阻率和土壤环境下,管道阴极保护状态沿长度方向分布是否均匀,受牺牲阳极与管道间距的影响,阳极与管道距离越远,电位分布越均匀,远端位置电位越负,管道与阳极间距宜2.0 m以上;牺牲阳极与管道间距过近,管地电位及IR降将分布不均匀,不利于牺牲阳极对管道提供阴极保护,如果达到相同的电位保护效果,电流需求量更大。