牺牲阳极阴极保护辅以锌包钢接地体法的应用

郑 聪, 姚世航, 何 强

(1.台州市能源集团有限公司, 浙江 台州 318000; 2.台州市城市天然气有限公司, 浙江 台州 318000)

1 概述

埋地钢质燃气管道长期埋于地下,随着时间推移和地下情况多变,不可避免会产生腐蚀现象,近年来因腐蚀漏气导致的燃气爆炸事故时有发生,安全形势严峻。2022年全年共收集到媒体报道的国内燃气事故802起,造成66人死亡,487人受伤,其中较大事故10起。

埋地设施的防腐尤为重要。牺牲阳极阴极保护是燃气厂站埋地设施较为常用和有效的防腐手段,但其缺点也很明显:由于土壤环境不同,部分地区的阳极消耗量大;在高电阻的土壤环境下该手段可能无效;阳极更换费用较高。

2 牺牲阳极阴极保护辅以锌包钢接地体法

燃气厂站采用传统牺牲阳极阴极保护法(见图1),是采用镀锌钢接地体保护地上管道,采用阳极保护地下管道,且应该通过安装绝缘接头使阳极和镀锌钢接地体处于绝缘状态。而实际工程中,阳极和镀锌钢接地体往往做不到绝缘,进而导致大量阴极保护电流优先保护褪去锌层保护的镀锌钢接地体,使燃气管道无法得到有效保护,阳极消耗极为严重,保护电位无法满足GB/T 21448—2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》的相关要求。

图1 传统牺牲阳极阴极保护法

为解决该问题,以牺牲阳极阴极保护辅以锌包钢接地体方法(见图2)代替传统牺牲阳极阴极保护法,即以锌包钢接地体代替镀锌钢接地体,且不安装绝缘接头,阳极和锌包钢接地体不进行绝缘。

锌包钢与镀锌钢均为将锌层包覆在圆钢的表面,但是锌层厚度不同,镀锌钢的锌层很薄,容易消耗,而锌包钢的锌层较厚。

3 锌包钢

从目前国内情况来看,常用的接地体材料有铜、镀锌钢和锌包钢。根据文献[1]可知,锌包钢作为接地体材料的服役性能更优越。

锌包钢(见图3)是用挤压包覆工艺将较厚的锌层包覆在圆钢的表面。锌的导电性比钢更优,又具有较强的耐腐蚀性,作为接地体材料,可以大大延长接地体的使用寿命,减缓阳极的消耗。

图3 锌包钢

4 锌包钢之间的焊接工艺

燃气厂站接地体采用的锌包钢表面锌层厚度一般为3 mm。一般接地体需要对多根锌包钢进行焊接,锌包钢之间的焊接方式一般采用电弧焊和放热焊。

电弧焊焊接(见图4)需要准备电源,并配备合适的电焊机以及与钢材匹配的电焊条。因锌包钢的镀锌层较厚,焊接前准备时间较长,仅去除镀锌层这道工序就需要花费大量的时间。焊接后的理化试验显示,焊接接头的抗拉强度为47.63 kN,弯曲强度为180°。

图4 电弧焊焊接

放热焊焊接(见图5)有固定的模具和配置好的焊药,无需单独准备电源,只需要1只点火枪即可,焊接时将需要焊接的锌包钢材料放置在固定的模具内点火、热熔、冷却即可。焊接后的理化试验显示,焊接接头的抗拉强度为47.57 kN,弯曲强度为90°。

图5 放热焊焊接

对两种焊接方式比较可知,放热焊用时较短,设备简单,不需要去除镀锌层,因此优先采用放热焊焊接工艺。

5 锌包钢焊接接头的防腐

在锌包钢焊接完成后,因焊接放热致使锌包钢表面锌层受到破坏,因此每个焊接接头会成为锌包钢接地体防腐最薄弱的地方,需对锌包钢焊接接头进行重新防腐。

对于土壤含水量高的地区,锌包钢焊接接头形状不规则,因此在选择防腐材料时,既要有很好的防透水性又要对不规则形状有很好的贴合。粘弹体防腐材料具有很好的防透水性和自融合性,对微小的缺陷亦可自我修复,因此成为锌包钢焊接接头防腐材料的首选。粘弹体防腐材料有膏状防腐胶料(见图6)和自融合粘弹体胶带两部分,均为聚烯烃高分子材料。施工时首先对焊接接头表面的粉尘和污物等进行清理,其次涂抹膏状防腐胶料,使凹凸不平的焊接接头表面与膏状防腐胶料充分贴合,最后用自融合粘弹体胶带进行内外双层表面缠绕(见图7、8),加强膏状防腐胶料与接头表面的附着力,增强防水性。

图6 涂抹的膏状防腐胶料

图7 用自融合粘弹体胶带进行内层表面缠绕

图8 用自融合粘弹体胶带进行外层表面缠绕

6 锌包钢接地体施工注意事项

锌包钢接地体作为牺牲阳极阴极保护的辅助设施,应尽量减少对锌层的破坏,保证锌层均匀消耗。锌包钢锌层较脆,弯折易出现开裂[2]。因此在施工过程中有以下注意事项。

① 锌包钢的锌层容易被划伤,因此在材料进场时,在场地上铺干草或布袋等,避免硬质物质直接接触锌层。接地网下沟时避免拖拽。

② 沿海地区土质软、沉降大,为防止沉降拉断锌包钢接地体,需在接地网铺设前对地基做硬化处理,减少沉降。

③ 接地体埋设前要先在地面上竖直打孔,孔深应大于锌包钢接地体长度,孔径可比接地体直径大10 mm。在接地体放入孔洞之前可将接地体用布料包裹,以减少接地体和孔壁的摩擦。

④ 接地体全部埋设完成后,孔洞回填时,回填土不得夹杂尖锐物体。

7 结束语

无论效果、成本还是施工工期方面,牺牲阳极阴极保护辅以锌包钢接地体方法都优于传统牺牲阳极阴极保护。熊金根等人[3]在实际应用中发现,厂站采用牺牲阳极阴极保护辅以锌包钢接地体方法运行1 a后,开挖检测发现燃气管道未被腐蚀,效果良好。一些厂站采用牺牲阳极阴极保护辅以锌包钢接地体方法后,实测的管道通电电位、阳极开路电位均符合GB/T 21448—2017的要求。