输气管线阴极防腐保护工程初步设计.docx

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输气管线阴极防腐保护工程初步设计

输气管线阴极防腐保护工程初步设计

Preliminarydesignofcathodicprotectionprojectofgas-pipeline

摘要

金属材料在使用过程中易受环境作用随时间的延长而逐渐受到损坏或性能下降，根据发达国家的调查统计，全世界每年因腐蚀损失高于7000亿美元。

由此可见金属腐蚀问题十分严重和普遍。

我国输气管道材质现在大多采用的是钢管，钢质输气管在埋地运行中常常会发生一些局部腐蚀而穿孔，造成极大的经济损失，危及人民群众的生命安全，因此对输气管道采取相应的防腐措施是必须的和必要的。

阴极保护是一种公认的防腐蚀技术，其应用领域广，涉及到地下、水中及化工介质中的管道、容器、及化工设备等各个方面，尤其在埋地钢质管道方面，其防腐蚀效果和其它防腐技术相比具有无可替代的作用。

本设计在查阅了大量文献资料基础上，简述了埋地输气金属管道电化学腐蚀理论和防腐理论，对牛居—青龙台D426输气管道的外防护层和腐蚀现状进行了分析，找出了影响土壤腐蚀的各种因素。

本设计具有一定的实用价值和指导意义。

本工程依据中国石油辽河油田茨榆坨采油厂提出的设计任务委托书。

防腐设计严格遵守国家、行业和部门政策法规，严格执行国标及行业标准。

本着“技术可行、经济合理、安全环保、以人为本”的指导思想为设计原则，在采用新技术、新设备、新材料时进行充分论证，以确保所采取的措施及方法技术上的可行性。

关键词：

腐蚀；阴极保护；设计原则；设计依据

Preliminarydesignofcathodicprotectionprojectofgas-pipeline

Abstract

Themetalmaterialsintheirusingprocessinvulnerabilityenvironmentwillbegraduallydamagedordeclineinperformancewithtime.Lossofmorethan700billiondollarseachyearduetocorrosionisreportedinthedevelopedcountriesaroundtheworld.Obviously,metalcorrosionproblemisveryseriousandcommon.InChina,steelisthemostlyusedmaterialfornaturalgaspipeline.Steelnaturalgaspipeburiedingroundoftenhavetheproblemofcorrosion,whichcancauseaccident,andendangerpeople'slivesandsafety.Soitisnecessaryandessentialtotakeanti-corrosionprotectionforthegaspipeline.

Cathodicprotectionisarecognizedasanti-corrosiontechnology.Itisbroadlyappliedintheprotectionofthemediapipeline,storagecontainers,andchemicalequipment,andothervariousaspects,especiallyintheburiedsteelpipeline.

Manypapersreporttheelectrochemicalcorrosionofmetalsandanti-corrosiontheoryfortheburiednaturalgaspipeline.WeanalyzethecorrosionstatusoftheNiuju-Qinglongtainaturalgaspipelineanddesignacorrosionprotectivelayer.Itisfoundthatavarietyoffactorsincludingsoilcanaffectcorrosion.Ourworkhascertainpracticalvalueandguidingsense.

ThisprojectisconstructedaccordingtotherequirementoftheCiyutuoOilProductionCompanyofLiaoheOilFieldofChina.Thedesignofcorrosionprotectioncomplieswiththeregulationsandpoliciesofournationandchemicalindustry.Inthiswork,wetakethenewtechnology,newequipments,andnewmaterials.Andweguaranteethatallthemeasurementandmethodsaretechnicallyfeasibleinadesignphilosophyof"feasibilityoftechnology,rationalityofeconomy,securityandenvironmentalprotection,humancentered"astheguidingideology.

KeyWords：

Corrosion；CathodicProtection；Designphilosophy；Designbasis

1概述

1.1工程概况及设计基础资料

牛居—青龙台D426输气管线工程，始建于1984年，目前仍在运行。

全长约21.5km，起点为龙一联，终点为牛一联，管线规格为D426×7，材质为20#钢，设计压力为1.6MPa，设计温度为常温。

管线所经地区为水田和旱地，土壤类型为褐色壤土，土壤电阻率在20.45～35.78Ω·m之间，管线经过辽阳县小北河镇通气弯村、本辽高速、辽阳县小北河镇刘家窝棚、灯塔县牛居村、轻烃厂、金稻米业等地。

管线主要穿越流沙河，穿越本辽高速及多处乡间公路。

通过对沿线土壤腐蚀环境评价数据分析，埋地管线所处土壤腐蚀环境为强腐蚀。

本次对该管线进行了全面检测，检测结果为管线腐蚀不很严重，最大蚀坑深度为2.2mm，管线剩余壁厚大多在6.7mm；管线防腐层为石油沥青玻璃布，厚度为4mm，防腐层电阻最大值为3600Ω·m2，最小值小于100Ω·m2，防腐层电阻平均值为1700Ω·m2，有8处共计65m管段无防腐层或防腐层龟裂严重，防腐层与管线的粘结力较差。

原管线采用牺牲阳极保护，现阴极保护设施已失效。

管线沿线转角桩丢失严重，共计27处。

1.2检测结论

1.2.1工程小结

本次工程共计调查地下输油管线1条，累计里程21.5km。

1.2.2检测结果评价

（1）沿线土壤腐蚀环境评价：

经数据处理和化学分析结果显示，测区内管线沿线土壤呈偏碱，土壤腐蚀等级为强。

具体评价见表1.1。

（2）沿线杂散电流评价：

根据对沿线电位梯度及杂散电流测量结果显示，该区域管线存在杂散电流影响，杂散电流评价等级为中等。

具体评价见表1.2。

（3）管线防腐层绝缘电阻评价：

防腐层主要为黑色沥青玻璃丝布防腐，具体分段评价见附表。

（4）管线腐蚀评价：

根据对沿线所取的腐蚀调查数据进行管线腐蚀评价，具体分段评价见附表。

1.2.3推荐方案

（1）管线穿本辽高速处加标志桩和管线全线转角桩安装。

（2）管线由于电位是自然电位，要给管线施加阴极保护，建议采用牺牲阳极保护。

（3）管线沿线明管多处防腐层龟裂或者裸管,建议重新做防腐。

1.3工程概况

1.3.1概述

牛居—青龙台Ф426输气管线阴极防腐保护系统达不到保护目的且管线沿途标志桩丢失严重，特需进行管线全线检测。

1.3.2工作量

该工程系地下管网探测、腐蚀调查及综合评价，共调查管线1条，累计里程57.6km。

1.3.3坐标系

探测到的地下管线特征点（起讫点及折点），使用全球定位系统GPS-RTK进行三维坐标测量，坐标系统采用1954年北京坐标系。

1.3.4测区自然地理概况

测区地形平坦，测区内为苇田为主。

1.3.5作业技术依据

《钢质管线及储罐腐蚀与防护调查方法标准》

《埋地钢质管线外防腐层和保温层现场补口补伤施工及验收规范》

1.3.6管线线路的编号、量距及在实地标定

1.3.7管线探测及腐蚀调查方法和内容

1.3.8地下管线探查

地下管线探测及漏点定位；

管线探测点的空间定位测量；

1.3.9腐蚀调查内容

腐蚀环境调查的内容包括：

土壤电阻率；氧化还原电位；腐蚀电流；腐蚀率；地下水取样化验分析；土壤的理化性能分析。

防腐保温层状况调查内容包括：

绝缘层电阻测试；防腐层地面检漏；

管体腐蚀状况调查内容包括：

管体腐蚀表面调查；腐蚀产物进行实验室内的定性分析；判定腐蚀类型及测试管线的残余壁厚。

杂散电流状况调查内容包括：

自然电位测量；管地电位测量；电位梯度测量；杂散电流测量。

数据微机处理，分析管线腐蚀原因及腐蚀机理，提出相应的处理方案，并出具测试报告。

1.4调查数据综合分析评价

1.4.1土壤腐蚀性评估

管线埋藏于土壤中，整个土壤环境作为管线的腐蚀环境其腐蚀性对预测管体金属的腐蚀程度起着重要的作用。

土壤腐蚀性评价，一般采用多个单因素指标综合评价的方法。

可以较为真实地反映出土壤的腐蚀性。

本次调查采用的评价指标为土壤电阻率、氧化还原电位和管体金属在土壤中的腐蚀率。

土壤电阻率是最早使用评价土壤腐蚀性的指标，土壤电阻率越大，金属在土壤中的腐蚀性越轻。

这个指标的优点是方便，快捷，但易产生误判。

本次调查采用的是SY/T0599的评价标准，将土壤腐蚀性分为四个标准；氧化还原电位是以铂金电极在不同温度下相对于甘汞参比电极（SCE）的电位换算成25℃标准氢电极（SHE）的电位值。

氧化还原电位反映了土壤的还原性，环境与硫酸盐还原菌腐蚀联系在一起。

这种腐蚀的细菌能形成群体，多造成局部腐蚀形态，对管线的危害较大。

而且在还原性的土壤中有机物可以分解生成酸性物质也是造成管线腐蚀的重要原因。

我们采用氧化还原电位评价土壤腐蚀性的标准，将土壤的腐蚀性按氧化还原电位分为四级；土壤腐蚀率反映的是土壤中无防腐层金属被腐蚀的速度。

具体标准见表1.1；土壤的含水率、PH值、Cl-离子和SO42-离子对埋地金属管线的腐蚀有很大影响，PH较高或较低时金属的腐蚀速度较大，在管线的防腐层薄弱的地方会增加金属点蚀、缝隙腐蚀等局部腐蚀的发生。

土壤理化性能分析评价标准见表1.2。

表1.1土壤腐蚀性评价标准

项目

强

较强

中

弱

评判标准

土壤电阻率（Ω.m）

<20

20~50

>50

SY/T0599

氧化还原电位（V）

<100

100-200

200-400

>400

SY/T0599

腐蚀率（mm/y）

>0.254

0.254-0.126

0.125-0.025

<0.025

SY/T0599

表1.2土壤理化性能分析评价标准

项目

强

较强

中

较弱

弱

土壤含水率

25～12

12～10

10～7

7～3；25～40

<3；>40

土壤PH值

<4.5；>8.5

4.5～6.5

6.5～8.5

Cl-（mg/kg）

>5

5～2

<2

SO42-（mg/kg）

>5

5～2

<2

附表应用表1.1和1.2中的评价标准，对沿线土壤环境腐蚀性进行了评价，评价结果见附表。

通过对沿线土壤环境腐蚀性评价数据分析，埋地管线所处土壤环境腐蚀等级为强腐蚀。

如果防腐层破损，管线将发生腐蚀。

1.4.2杂散电流状况评估

杂散电流是从电力设备的电源导体进入到周围土壤中的电流，该电流在另一点从土壤中返回到电源电路。

一般来说，直流杂散电流引起的腐蚀比交流电杂散电流腐蚀严重的多。

因此，本次调查主要以直流杂电为主。

直流杂散电流对金属的腐蚀情况类似于电解原理，即阳极为正极，为腐蚀区；阴极为负极，为非腐蚀区。

直流杂散电流通过土壤进入管线的区域为阴极区，该电流从管线的另一处流出，这一区域为阳极区。

杂散电流对埋地金属管线的腐蚀极为严重。

这种腐蚀的形貌一般为局部针状腐蚀，从外表上看虽然管段其他部分腐蚀非常轻微，但杂散电流的阳极区却可能已经穿孔。

由此看来，杂散电流对管线的危害是非常严重的，应引起高度重视。

直流杂散电流的来源主要是直流电流电气化铁路、有轨电车等接地装置、直流电焊机、电解和电镀车间等。

大地也存在少量的杂散电流，称为地电流。

这是由于太阳的紫外线和高能粒子的辐射，将大气中的分子电离为带电的正负离子，在地磁场的作用下，带电离子沿一定的方向流动，在地球表面形成感应电流。

地下除了大地场外，还有自然电场和离散电场等。

大地是具有一定电阻的电导体，如果土壤中有地电流存在时，将会在大地上产生一定的IR降，即地电位差，我们用两个不易极化且电位稳定的可逆电极可以测得该电位差，一般选用硫酸铜参比电极测量电位梯度。

电位梯度可以反映出该处杂散电流的情况。

另外，从管地电位的大小和变化，也可以分析地下金属管线上有无杂散电流的存在。

本次调查采用中科院金属腐蚀与防护研究所研制的SCM－2智能型杂散电流腐蚀测量仪，对管地电位进行长时间的连续监测，所得数据经软件处理可分析管线中杂散电流的大小与方向。

该仪器的测量结果将直观准确地反映出杂散电流的变化情况。

本次调查结果采用表1.3的标准进行评价，评价标准见表1.3。

表1.3杂散电流评价标准表

评价分级

强

中

弱

电位梯度绝对值（mV/20m）

>5

5～0.5

<0.5

管地电位变化（Vmax-Vave）（mV）

>100

100～50

<50

应用表1.3中的评价标准，对管线沿线杂散电流进行了评价，评价结果见附表。

通过对管线沿线杂散电流评价数据分析，埋地管线环境中有杂散电流存在。

总体来说,该区域杂散电流评价等级为中。

即使该管段绝缘层状况较好，但只要该管段存在漏点杂散电流就会由漏点处流入，并沿管线流动，在管线其他漏点处（管线与土壤接触电阻最低处）流出，使阳极区产生较为严重的针状腐蚀，并且腐蚀速度较大。

1.4.3管线防腐层绝缘电阻评估

管线铺设在地下，由沥青玻璃丝布及黄夹克把管体金属与外界土壤环境隔离开来，而起到防腐蚀的作用。

因此，绝缘层质量的好坏将直接影响到埋地管线的使用寿命。

绝缘层电阻值测量是腐蚀调查工作的重要内容。

防腐层绝缘电阻是综合反映覆盖层技术状况的重要指标。

该项指标不仅与防腐材料本身有关，而且与施工质量密切相关。

施工中对防腐层的任何损坏或防腐层本身的质量问题等现象，都将表现为绝缘层电阻的下降。

对于泡沫夹克管来说，防腐层质量的下降将直接导致保温层的破损，使管体金属发生腐蚀。

根据近年来的文献显示，泡沫夹克管腐蚀的最主要原因是泡沫中进水。

因此可以看出管线绝缘层电阻的降低是管线腐蚀的先决条件。

防腐层绝缘电阻的测量采用PCM管线测量系统。

其测量值代表某一段管线绝缘层电阻的平均值。

评价标准采用1995年我国制定了中华人民共和国行业标准SY/T0087-95“钢质管线及储罐腐蚀与防护调查方法”标准中管线防腐层保护效果评价等级，评价等级见表1.4。

表1.4管线外防腐层绝缘电阻值的评价标准

等级

优

良

可

差

劣

绝缘层电阻（Ω.m2）

>10000

10000～5000

3000～5000

1000～3000

<1000

根据所调查管线的实际情况，对管线防腐层绝缘电阻进行了评价，评价结果见附表。

从表中可以看到，管线绝缘层电阻值普遍为差、劣。

经过开挖探坑验证，管线腐蚀情况与地面检测结果基本正确，如果该处管段环境地下水位较高，腐蚀环境较为恶劣，管线将会发生严重腐蚀。

1.4.4管线腐蚀机理分析

埋地金属管线的腐蚀因素可概分为土壤因素和非土壤因素两大类，土壤因素与土壤性质有直接关系，非土壤因素主要是由电性因素以及人为因素引起。

土壤本身是一个由固、液、气三相组成的不均一的多相体系，固相部分是由不同粒径的颗粒组成，气体与水则充满在土壤孔隙中。

土壤中金属的腐蚀过程主要是电化学溶解过程，形成各种腐蚀电池，致使金属受损。

土壤的组成、含有的气体、微生物和酸度等化学因素，土壤的颗粒大小、透气性、含水量等物理因素以及雨水、气温、风和光照等气候因素都会引起土壤性质的显著变化，进而影响金属在土壤中的腐蚀速率。

埋地管线金属与性质不同的土壤接触后，在这些部位产生电位差，不同部位的电位差通过土壤介质构成回路，形成腐蚀电池，从而在局部加速腐蚀.这种腐蚀电池主要有氧浓差电池腐蚀,盐浓差电池腐蚀,温差电池等等；电腐蚀是电化学腐蚀的一种特殊形式，是因杂散直流电流和高压输电线在土壤中感应产生的交流电流产生强迫溶解而引起地下金属管线的电腐蚀，包括直流杂散电流和交流杂散电流腐蚀；人为因素主要是在管线的敷设中由于施工不当造成的人为破损。

导致防腐层失效,管线直接暴露在腐蚀介质中,从而使管线发生严重的腐蚀损伤。

在本次调查中，经过对现场测试的大量数据统计分析，我们认为造成被调查管线腐蚀的主要原因主要有以下几种。

（1）由于土壤结构不同导致严重的宏电池腐蚀　

管线沿线经过不同土壤层，管线金属表面与通气性差的土壤相接触而引起的腐蚀，如水旱田交界处，池塘岸边、砂粘相间的土层等。

位于水饱和或通气性差的土壤中的管线表面产生严重腐蚀。

图1.1

（2）管线不同部位的腐蚀

由于管线在敷设施工过程中，回填土夯实程度不如原土结实，而且管线上部又接近地面，故氧气充足，氧的浓度大，所以管线上部金属的电极电位高;管线下部原土结实，氧的浓度小，管线下部金属的电极电位低。

因此，管线上、下两部位电极电位不同，管线上部是腐蚀电池的阴极区，管线下部是腐蚀电池的阳极区，遭受腐蚀。

图1.2

（1）管线弯头处的应力腐蚀

敷设管线施工过程中在管线走向有形状变化处很多，如管线弹性转弯处、管沟挖深不同致使管线不能完全紧贴沟底敷设，这样一来管线某些部位金属受应力，形成物理状态不均匀。

在变形小应力小部位的金属电极电位高，是腐蚀电池的阴极区。

在变形大应力大部位的金属电极电位低，是腐蚀电池的阳极区，一旦防腐层发生破损,管线暴露在介质中时,在应力和腐蚀介质的联合作用下,管线加速腐蚀,使管线弯头外侧很快穿孔.

图1.3

（2）管线的局部腐蚀

从数据表中可以看到,管线沿线部分地区土壤中Cl-,SO42-含量较高,Cl-和SO42-对金属氧化膜的穿透性极强,因而极易诱发点蚀,缝隙腐蚀等严重的局部腐蚀,这时,腐蚀沿着管壁深度方向快速进行,在管体表面形成深坑,最后导致管线穿孔.这类腐蚀也是危害管线安全最严重的腐蚀类型之一.

（3）裸露管线的腐蚀

直接露在地面上的管线由于日久风化和某些人为的因素防腐层一般破损较为严重,由于沥青防腐层与管线结合力不强,防腐层破损处容易封存雨水,被封存的雨水经过不断的蒸发浓缩,在管线表面与破损的防腐层之间形成一个相对独立的具有强腐蚀性的环境,在这个环境中某些有害离子,比如Cl-,SO42-,S2-,H+等的浓度要远远超过自然环境,在这种强腐蚀环境中,管线的腐蚀速度大大增加.

2管道阴极保护

2.1阴极保护设计的基础资料

2.1.1工艺站场及阀室的设置

牛居—青龙台D426输气管线工程，首站为龙一联，末站为牛一联，中间无其它站厂。

2.1.2设计参数

（1）工艺参数

管道输送介质为天然气，输送温度为常温，设计压力为1.6MPa。

管道采用石油沥青玻璃布防腐，材质为20#钢，管道规格为D426×7，长21.5km。

（2）基本参数

自然电位：

　　　　-0.60V　（相对饱和Cu/CuSO4参比电极）

最小保护电位：

　　-0.85V　（相对饱和Cu/CuSO4参比电极）

最大保护电位：

　　-1.15V　（相对饱和Cu/CuSO4参比电极）

最小保护电流密度：

150μA/m2

钢材电阻率：

　　　0.135Ω·mm2/m

阴极保护方式确定

管道阴极保护主要有两种形式，即牺牲阳极法和强制电流法。

阴极保护方式的确定主要考虑以下主要因素：

（1）工程规模的大小；

（2）有无经济方便的电源；

（3）被保护体所需保护电流密度的大小；

（4）被保护体与周围地下金属构筑物的相互影响；

（5）土壤电阻率的大小。

牺牲阳极法一般适用于管径小、距离短或距离较短并带有优质防腐层的大口径管道以及临时阴极保护；强制电流阴极保护则由于其寿命长，输出电流、电位可调，保护范围大等优点，因此在大管径、长输埋地钢质管道上得到广泛应用。

本工程管线原牺牲阳极保护系统已失效，根据管线的沿途情况及管道本身防腐层实际情况，综合技术优势和经济分析，该管线适于采用强制电流的阴极保护方式。

2.2阴极保护系统的构成及附属设施

2.2.1阴极保护系统的构成

强制电流阴极保护系统主要由阴极保护电源设备、辅助阳极地床、参比电极及连接电缆构成。

选用电源设备应具备以下基本要求：

（1）可靠性高；

（2）维护保养简便；

（3）寿命长；

（4）对环境适应性强；

（5）输出电流、电压可调；

（6）具有抗过载、防雷、抗干扰、故障保护功能。

本设计推荐选用恒电位仪作为阴极保护电源设备。

每座阴极保护站配备2台恒电位仪，其中1台工作，1台备用，2台设备定期轮换使用。

辅助阳极选用高硅铸铁阳极，采用水平浅埋方式。

参比电极采用长效型饱和Cu/CuSO4参比电极。

阴极保护连接电缆采用带绝缘和护套的铜芯电缆。

按其功能可分为：

（1）阳极电缆　　　VV22-0.6/1kV　1×16mm2

（2）阴极电缆　　　VV22-0.6/1kV　1×16mm2

（3）参比电极电缆　VV22-0.6/1kV　1×10mm2

（4）零位接阴电缆　VV22-0.6/1kV　1×10mm2

（5）测试电缆　　　VV-0.6/1kV1×10mm2

电缆与管道连接采用铝热焊技术。

2.2.2阴极保护附属设施

（1）电绝缘装置

为防止保护电流流失，需在被保护管道与非保护体之间实施电绝缘。

本工程电绝缘装置选用整体绝缘接头。

在管道进、出工艺站场的适当位置各设置一个绝缘接头。

（2）阴极保护测试系统

为监测管地电位，在管道沿线安装测试桩。

管道沿线每公里设1个测试桩，测试桩可兼作线路里程桩。

另外，为测试绝缘接头的电绝缘性，在绝缘接头安装处设置测试桩。

阴极保护准则

施加阴极保护后，阴极保护效果应达到下列要求：

测得的管道保护电位（不含IR降）应达到-0.85～-1.15V（相对于铜/饱和硫酸铜参比电极）。

并且在管道的设计寿命期间内始终维持这一电位范围。

阴极保护设计工艺计算

2.3计算公式

（1）保护长度

强制电流阴极保护保护长度按下式计算：

　　　　　　　　　　　（2.1）

R＝

　　　　　　　　　　　　（2.2）

式中：

L——单侧保护长度（m）；

——最大保护电位与最小