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犧牲陽(yáng)極技術(shù)在鋼制煤氣管道工程中的應(yīng)用
摘要：介紹了電化學(xué)腐蝕及犧牲陽(yáng)極的原理。犧牲陽(yáng)極保護(hù)技術(shù)的使用情況，犧牲陽(yáng)權(quán)保護(hù)的設(shè)計(jì)、計(jì)算、施工及投資測(cè)算與經(jīng)濟(jì)分析。
1 電化學(xué)腐蝕及犧牲陽(yáng)極的原理
地下燃?xì)夤艿涝谑褂眠^(guò)程中，存在不同性質(zhì)的腐蝕。其中電化學(xué)腐蝕對(duì)于埋地煤氣鋼管威脅最大。因?yàn)殡娀瘜W(xué)腐蝕集中一點(diǎn)，而且速度較快，腐蝕一旦發(fā)生、其速度不會(huì)減慢也會(huì)不停止、往往造成局部穿孔。產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕原因如下：由十土壤各處物理化學(xué)性質(zhì)個(gè)問(wèn)，管道本身各部分的金相組織結(jié)構(gòu)個(gè)同，如品格的缺陷及含有雜質(zhì)、金屬受冷熱加工而變形產(chǎn)生內(nèi)部應(yīng)力、特別是鋼管表面粗糙度不同等原因，使一部分金屬容易電離，帶正電的金屬離子離開(kāi)金屬、而轉(zhuǎn)移到土壤里，在這部分管段上電子越來(lái)越過(guò)剩，電位越來(lái)越負(fù)；而另一部分金屬不容易電離，相對(duì)來(lái)說(shuō)電位較正。因此電子沿管道由容易電離的部分向不容易電離的部分流動(dòng)、在這兩部分金屬之間的電子有得有失，發(fā)生氧化一還原反應(yīng)。失去電子的金屬管段成為陽(yáng)極區(qū)，得到電子的金屬管段成為陰極區(qū)。腐蝕電流從陰極流向陽(yáng)極、然后從陽(yáng)極流離管段，經(jīng)土壤又回到陰極，形成回路。在作為電解質(zhì)溶液的土壤中發(fā)生了離子遷移、帶正電的陽(yáng)離子(如H+)趨向陰極、帶負(fù)電的陰離子(如OH-)趨向陽(yáng)極。在陽(yáng)極區(qū)帶正電的金屬離子與帶負(fù)電的陰離子發(fā)生電化學(xué)作用、使陽(yáng)極區(qū)的金屬離子不斷電離而受到腐蝕，使鋼管表面出現(xiàn)凹穴，以致穿孔；而陰極則保持完好、如圖1所示。
基于以上原理，采用犧牲陽(yáng)極保護(hù)技術(shù)可保護(hù)埋地鈉管不受電化學(xué)腐蝕。具體原則如圖2所示。采用比鋼管電位較負(fù)的金屬材料和鋼管相連，電極電位較負(fù)的金屬與電極電位較正的。
圖2 犧牲陽(yáng)極保護(hù)技術(shù)原理圖
被保護(hù)鋼管在土壤中形成原電池、作為保護(hù)電源，電位較負(fù)的金屬成為陽(yáng)極、輸出電流過(guò)程中遭受破壞，故達(dá)到保護(hù)鋼管的效果。
2犧牲陽(yáng)極保護(hù)技術(shù)的使用情況
以前常州市城市煤氣中壓管網(wǎng)主要使用鑄鐵管，連接方式是柔性機(jī)械接口，使用鋼管的工程不多。但隨著燃?xì)庥脩舻陌l(fā)展、管網(wǎng)壓力的提高，考慮到今后天然氣的引入及過(guò)渡、鋼管越來(lái)越廣泛的被應(yīng)用。與鑄鐵管相比，鋼管具有耐壓強(qiáng)度高；對(duì)預(yù)先加工成較長(zhǎng)的管段，減少現(xiàn)場(chǎng)施工的困難；焊接接U的抗震、抗壓性能高的優(yōu)點(diǎn)，我們?cè)诔ｅa路、城中北路等新敷設(shè)的小壓管網(wǎng)使用了埋地鋼管。但在我市懷德橋改建工程中，有部分敷設(shè)以有十年以上的過(guò)街鋼管被挖掘出來(lái)，雖然鋼管表面仍有殘留的防腐絕緣層。但由于沒(méi)有實(shí)行犧牲陽(yáng)極保護(hù)技術(shù)，鋼管表面留有凹坑。根據(jù)這些情況表明、埋地鋼管外壁防腐絕緣層的損壞是造成管道遭受土壤腐蝕的主要原因。而絕緣層的損壞在施工、維修過(guò)程中往往是不可避免的，一旦出現(xiàn)絕緣層的損壞，腐蝕就在被損壞的部位劇烈地進(jìn)行。為了延長(zhǎng)使用壽命、取得良好的經(jīng)濟(jì)效益，我們決定對(duì)中壓管網(wǎng)采用犧牲陽(yáng)極保護(hù)和環(huán)氧煤瀝青防腐絕緣層保護(hù)相結(jié)合的方法來(lái)達(dá)到防腐的目的。
3犧牲陽(yáng)極保護(hù)的設(shè)計(jì)
以城中北路中壓煤氣鋼管工程為例。經(jīng)測(cè)試該管線地段屬中等強(qiáng)度腐蝕性土壤，土壤電阻率取450·m，我們選用了11kg級(jí)MUG—3型鎂合金犧牲陽(yáng)極、陽(yáng)極尺寸為700 x(70+110)* 90mm。
(1)保護(hù)對(duì)象和范圍：a．外環(huán)路口至北環(huán)路中壓煤氣埋地鋼管：管Φ426。長(zhǎng)度為750m�？偙砻娣e為1003m2。b．外環(huán)路干管：管Φ426、長(zhǎng)度為115m、總表而積為154m2。
(2)保護(hù)期限為25年。
(3)在有效保護(hù)期內(nèi)、被保護(hù)地下鋼管的保護(hù)電位控制在＜—0．85V(相對(duì)銅／飽和硫酸銅參比電極)。
(4)計(jì)算
①保護(hù)電流的計(jì)算
被保護(hù)管道所需的保護(hù)電流可用下式計(jì)算：
I＝i * s (1)
式中 I——被保護(hù)管道所需的保護(hù)電流，A
i——被保護(hù)管道的總表面積，m2
s——管道所需最小保護(hù)電流密度、mA／m2
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，我們選取最小保護(hù)電流密度為i=o．5mA／m2，則埋地管線保護(hù)電流：
a．城中北路路段：
I1＝i×s1＝0．5×1003＝501(mA)
b．外環(huán)路路段：
I2＝ixs2＝0．5x154＝77(mA)
2鎂陽(yáng)極發(fā)生電流的計(jì)算
每只鎂合金犧牲陽(yáng)極發(fā)生電流按下式計(jì)算
If＝(Ep一Ea)／R (2)
式中 If——每支陽(yáng)極發(fā)生電流，mA
Ea———陽(yáng)極工作電位，V 本方案取—1。50V
Ep——陰極最小保護(hù)電位，V本方案取-0。85V
R——每支犧牲陽(yáng)極的接地電阻，Ω
犧牲陽(yáng)極的接地電阻R可按下式計(jì)算 (3)
式中 p——土壤接地電阻率，Ω.m本方案取45
D——陽(yáng)極填料包直徑、m 本方案取0．3
1——陽(yáng)極填料包長(zhǎng)度。m 本方案取1
t——陽(yáng)極，f1心至地面距離。m本方案取1 得 R＝14．8o
將R值代入(2)式得 If＝44mA。
③陽(yáng)極用員計(jì)算
陽(yáng)極用員可按卜式計(jì)算：N＝I／If
式中 N——所需陽(yáng)極支數(shù)、支
I——所需保護(hù)電流，mA
If——每支陽(yáng)極發(fā)生電流、mA／支
a．城中北路路段
N1＝Il／If＝501／44＝11(支)
b．外環(huán)路路段 N2＝I2／If＝77／44＝2(支)
共計(jì)使用N＝N1十N2＝11十2＝13(支)。
考慮到和鋼管焊縫位置及相連鑄鐵管要吸收部分 保護(hù)電流、所以我們進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)、鎂陽(yáng)極實(shí)際取18支。
④陽(yáng)極使用壽命核算
陽(yáng)極有效使用壽命按下式計(jì)算：
式中 Y——陽(yáng)極有效使用壽命、 年
g——每支陽(yáng)極重量，kg／支 本方案取11
If——每支陽(yáng)極實(shí)際發(fā)生電流量，mA
Q——鎂陽(yáng)極實(shí)際電容量，A·h／kg： 本方案取1100
1／K——鎂陽(yáng)極有效利用系數(shù)， 本方案取o．75
其中 If＝0．9×If＝0．9x 44mA
則 Y＝26年。
4犧牲陽(yáng)極保護(hù)技術(shù)的施工
4．1陽(yáng)極與電纜電性連接情況檢測(cè)
陽(yáng)極到貨后，必須用萬(wàn)用表逐支檢測(cè)陽(yáng)極與電極之間的電性連接情況，如果發(fā)現(xiàn)電性連接不好或斷線的陽(yáng)極，則
不能在施工中使用，此外，在施工過(guò)程中 嚴(yán)禁用力提拉電纜線，防止電纜接頭折斷。
4。2陽(yáng)極表面處理
為加速陽(yáng)極表面活化，應(yīng)在組裝陽(yáng)極之前，將陽(yáng)“．極表面的油污、氧化物除凈。其方法采用砂紙或手動(dòng)砂輪將陽(yáng)極打磨一遍，然后用丙酮或無(wú)水乙醇擦拭干凈。
4．3陽(yáng)極填料包組裝
陽(yáng)極填料包填料有膨潤(rùn)土、硫酸鈣、硫酸鎂按照50%、25%、25%比例充填，每條特制的白布袋填充料50kg，裝一支經(jīng)表面處理過(guò)的11kg級(jí)鎂合金犧牲陽(yáng)極、陽(yáng)極放在填料包的正中央、陽(yáng)極必須被填充料緊密包敷、嚴(yán)禁明顯偏心，見(jiàn)圖3。
4．5陽(yáng)極床澆水
陽(yáng)極填料包放入陽(yáng)極坑后，必須對(duì)坑內(nèi)澆水、坑內(nèi)水位必須完全浸沒(méi)陽(yáng)極填料包，且坑內(nèi)常積水時(shí)間必須超過(guò)十小時(shí)、以便徹底浸沒(méi)填料包。
4．6陽(yáng)極性能測(cè)試
(1)陽(yáng)極填料包裝被水浸透后，必須待檢測(cè)人員對(duì)陽(yáng)極開(kāi)路電位進(jìn)行測(cè)試后，方可與管道連接。
(2)陽(yáng)極與管道連接后，必須待檢測(cè)人員進(jìn)行陽(yáng)極工作電位測(cè)試后，方可在焊縫處進(jìn)行防腐。
4．7陽(yáng)極與管道連接形式
陽(yáng)極與被保護(hù)的管線之間均采用電焊連接、即將陽(yáng)極導(dǎo)電纜—端有銅鼻廣的方鋼片直接焊在被保護(hù)的鋼管上，焊縫小兩條、總長(zhǎng)度大丁60mm、焊點(diǎn)處及時(shí)補(bǔ)涂與管道相同的防腐涂料、防腐等級(jí)與管道防腐等級(jí)相同 ，并按相同的規(guī)范要求進(jìn)行防腐涂層質(zhì)量驗(yàn)收、 參閱圖示4.
4．8陽(yáng)極床回填
陽(yáng)極床回填時(shí)嚴(yán)禁向陽(yáng)極坑內(nèi)回填砂石、水泥塊、塑料等雜物。應(yīng)回填電阻率低的細(xì)土，并應(yīng)防止后陽(yáng)續(xù)施工中碰斷電纜。
5犧牲陽(yáng)極保護(hù)的驗(yàn)收
陽(yáng)極填料邊被水浸透后、必須對(duì)陽(yáng)極件能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容及指標(biāo)如下：
(1)陽(yáng)極開(kāi)路電位：鎂合金犧牲陽(yáng)極開(kāi)路電位必須負(fù)于—1．5V。該數(shù)據(jù)足衡量陽(yáng)極質(zhì)量好壞的重要標(biāo)準(zhǔn)。
(2)陽(yáng)極與管道連接后、測(cè)量陽(yáng)極工作電位、該數(shù)據(jù)是評(píng)定犧牲陽(yáng)極保護(hù)項(xiàng)目的實(shí)施質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)。
(3)管道自然電位：屬管道的自然屬性、當(dāng)管道受到腐后、電位會(huì)趨正。
6投資測(cè)算與經(jīng)濟(jì)分忻
6．1投資測(cè)算
城中北路工程共埋設(shè)Dn400螺旋焊縫中壓鋼管865mm我們共設(shè)置了18支型號(hào)為MUG一3的鎂合金陽(yáng)極。
注：0十376、0十612、0十706．4三個(gè)樁基號(hào)中。由于焊接點(diǎn)的方鋼片被污垢附著，使得自然電位偏負(fù)。
陽(yáng)極材料費(fèi)用：0．25萬(wàn)元／支x18＝4．5萬(wàn)元
陽(yáng)極安裝費(fèi)用：0．036萬(wàn)元／支x18＝0．648萬(wàn)元
小計(jì) : 5．148萬(wàn)元
管道總投資費(fèi)用：166萬(wàn)元／公里x 0．865＝143．59萬(wàn)元
陽(yáng)極保護(hù)費(fèi)用占總投資比例： 3．58％．
6．2經(jīng)濟(jì)分析
假設(shè)城中北路中壓鋼管上沒(méi)有設(shè)置陽(yáng)極保護(hù)，其使用年限為15年、若不計(jì)殘值、每年折舊費(fèi)用約為10萬(wàn)元。
若使用了陽(yáng)極保護(hù)，其使用年限可達(dá)25年，若不計(jì)殘值、每年折舊費(fèi)用約為6萬(wàn)元。兩者相LL，每年可節(jié)約折舊費(fèi)4萬(wàn)元、經(jīng)濟(jì)效益是極為顯著的。
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