城市燃气管道防腐技术的探讨.docx
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城市燃气管道防腐技术的探讨
摘要
燃气管网的防腐能力关系到天然气的安全运输，本文查阅有关文献、规范，对现阶段常用的防腐技术进行探讨，重点对城市燃气管网中应用比较广泛的深井阳极阴极保护系统进行科学合理的设计，首先根据实际施工状况，确定施工地土壤电阻率，从而确定深井阳极的埋设深度以及阳极接地电阻，在根据管道外保护层类型和具体的施工情况确定深井阳极保护系统的保护电流大小，从而确定辅助阳极支数，在由设计规范计算并选择合适的电源设备功率，为了保证深井阳极系统的正常运行，对辅助设备进行合理选择，最后对深井阳极保护系统进行安装及施工。
关键词：
城市燃气管网；防腐技术；深井阳极
ABSTRACT
Corrosionresistanceofthegaspipelinenetworkisrelatedtothesafetransportationofnaturalgas.Thepaper,basedontheresearchoftheanti-corrosiontechnologyofthecitygaspipelineandaimedatlettingthereadersunderstandthecurrentstatusofthedomesticcitygaspipelinecorrosion,focusesonthedesignandapplicationofdeepanodecathodicprotectionsystem.Comparedwiththetraditionalstyleofshallowanodebeddeepanode,whichhasmanyadvantagessuchassmallgrounddemand,lowinterference,lowgroundingresistance,goodprotectiveeffect,etc.,arenowwidelyusedincitygaspipelinenetwork.Inthispaper,relevantliteratureandcodesensureascientificandrationaldesign.Todesignthedeepwellanodesgroundbed,wefirstneedtodeterminethesoilresistivitytodeterminetheburialdepthofthedeepwellanodes,thegroundedresistanceoftheanodes,thepowerfortheanodeelectricalequipments,andthemagnitudeoftheprotectivecurrenttodeterminetheauxiliaryanodeamount;thenreasonablychooseauxiliaryequipmentsoftheanodesystem;andfinallysummarizetheinstallationandconstructionofthedeepwellanodeprotectivesystem.
Keywords:
citygaspipelinenetwork；anti-corrosiontechnology；deepwellanode
目录
摘要I
ABSTRACTII
1绪论1
1.1研究背景1
1.2国内外管道防腐研究现状1
1.2.1防腐层使用现状1
1.2.2阴极保护的国内现状2
1.2.3防腐技术研究的差距2
2埋地管线的腐蚀环境及金属腐蚀机理3
2.1埋地管线腐蚀环境3
2.2腐蚀机理4
2.2.1化学腐蚀4
2.2.2电化学腐蚀4
3埋地管道常用防腐措施7
3.1涂层保护7
3.1.1常用防腐层7
3.1.2防腐层材料的对比及选择7
3.1.3存在问题8
3.1.4预防措施及建议10
3.2电化学保护10
3.2.1阳极保护11
3.2.2阴极保护11
3.3杂散电流排流保护13
3.4合理选材14
3.5管线的安全管理15
4外加电流深井阳极保护16
4.1外加电流深井阳极保护的背景16
4.2深井阳极地床设计16
4.2.1深井阳极地床位置的选择及阳极敷设深度的确定16
4.2.2阳极材料的选择17
4.2.3保护电流强度的确定19
4.2.4辅助阳极支数的确定22
4.2.5深井阳极接地电阻的计算22
4.2.6阳极电缆23
4.2.7阳极井填料选择24
4.2.8排气及阳极配重25
4.2.9电源设备功率选型26
4.3阳极井的结构尺寸及阳极的组装28
4.4深井阳极地床的安装及施工31
4.5阴极保护系统的日常维护31
5结论33
5.1个人对所研究问题的认识33
5.2在腐蚀及防护研究的领域33
参考文献34
致谢35
1绪论
1.1研究背景
随着我国经济社会的不断发展，过去我国大量使用煤作为主要能源，如今普遍使用天然气，这得益于城市地下燃气管网的建设，在我国加速城市化的过程中，城市地下管网的种类和数量也在不断增加。
然而由于埋地管道所处的环境相对复杂，在土壤等外部因素和内部介质的共同作用下，许多管道都受到了不同程度的腐蚀，而且腐蚀情况随着时间的推移也在不断的加重，给国家带来的很大的经济损失。
管道在出现腐蚀问题后，又要对其进行停产更换和检修，同时管道发生腐蚀穿孔后，产生的泄漏也会给环境带来污染，当燃气管道发生泄漏是还会带来爆炸和火灾隐患，给人民带来更大的损失。
所以，城市燃气管道因腐蚀造成的危害，不仅是一个经济上的问题，也是一个社会问题，各方应加强重视。
现在，工程上多年的实践证明，任何管道的防腐方案都不可能单靠外防腐层或者阴极保护来达到管道防腐的目的，必须同时使用这两种方法。
所以本文通过学习研究城市燃气管网的管道腐蚀因素和机理，了解近些年防腐技术的国内外研究现状，着重对城市燃气管网所采用的深井阳极保护法技术进行探讨。
1.2国内管道防腐研究现状
随着燃气管道腐蚀的情况越来越严重，给各个国家都带来了不小的经济损失，现在各国在燃气管道的应用上都把管道防腐作为最重要的一块。
目前,国内对油气管道的防腐措施主要是防腐层和外加电流阴极保护。
1.2.1防腐层使用现状
早期国内所使用的外防腐层主要是石油沥青、煤焦油瓷漆、溶解环氧煤沥青。
由于国家对环境污染以及人们健康的不断重视，过去多采用的石油沥青和煤焦油瓷漆防腐层对环境有一定的污染性，现在已经被被熔结环氧粉末和3PE防腐层所代替。
随着管网的建设环境已经管网所处环境的恶化，过去管道所使用的防腐层已经不能满足如今管道防腐的要求，开发使用一些具有更好防腐绝缘机械性能更好的防腐层材料是如今管道外防腐层的趋势，而塑料粉末类材料正好符合这样的要求，现在已经在防腐领域得到了广泛的运用。
在国外，防腐层的应用要早于我国，而且应用技术更为全面。
目前，我国的燃气管道外所使用的外防腐层材料主要以溶解环氧粉末和三层聚乙烯复合结构为主，一些管道用煤焦油瓷漆；其中一些比较主要的管线管网用防腐性能良好的熔结环氧粉末和三层聚乙烯复合结构，要求不高的燃气管网采用石油沥青。
1.2.2阴极保护使用现状
我国的阴极保护技术开始于上世纪50年代末，经过了60多年的发展，现阶段我国的阴极保护技术现状可以从三个方面来了解，首先是技术现状，对于目前我国阴极保护系统设计做采用的部分规范还是过去制定的，部分内容已经不符合当前的使用条件，如阴极保护准则的适用温度，规范中指出的准则适用温度不能高于40℃，可如今的很多管道运行温度常常高于40℃，所以应对高运行温度管道阴极保护准则进行研究；对于阴极保护设计计算，如阴极保护系统保护范围的计算，我国目前广泛采用的计算方法来源于GB/T21448―2008这种方法是基于保护电流均匀分布于管道表面的假设，对于单管来说可以计算其通电电位分布，但无法对复杂的金属结构管网系统进行电位及电流分布的计算，所以近年来也兴起了用数值法模拟技术来进行阴极保护计算，其虽然还有些不足但是其完全可以实现对阴极保护系统定性或半定量的分析。
对于阴极保护设备来说，如国内的阴极保护电源多采用恒电位仪，其测量结果是阴极保护通电电位而不能对系统进行断电电位的测量，这种结果和阴极保护准则中的判定标准不相符合，因此目前急需对相关管理标准进行研究。
1.2.3防腐技术研究的差距
目前，我国与国外在管道防腐技术方面还存在着一定的差距。
从材料上看,虽然我国现在工程商所使用的外防腐层材料以及用于管道补口补伤的材料和国际水平相差无几，但是总体来说,国内管道防腐材料仍然存在着一定的问题，如适用性差、材料质量部够稳定，同时材料的总体质量和国外也有一定的差距，材料的生产和研究有待提高，而且，现阶段国内的对管道防腐层的施工还没有一个比较完整的监督管理体制，这也导致很多管道的防腐层防腐质量不过关，施工质量没有得到保证，所以，应该制定相应的管理规范进行完善，相关单位加强监管监督和管理，保证产品和工程质量。
2埋地管线的腐蚀环境及金属腐蚀机理
腐蚀是金属材料在多种因素同时作用下发生的电化学的、化学的或物理的材料变质和破坏的现象。
由于金属材料的热力学不稳定性，再加上燃气管道所处的环境中存在着各种腐蚀因素，致使管道腐蚀成为管道失效的主要原因。
管道外环境介质的腐蚀作用，会是管道表面发生不同程度的全面腐蚀，如坑蚀，锈蚀，溃疡腐蚀，致使燃气管道的壁厚变薄；有时由于防腐层的缺陷，也会在管道表面发生点腐蚀，导致管道的穿孔，燃气泄漏；当管道由于腐蚀产生缺陷的时候，如果管输的热应力或结构应力超过了管道所能承受的范围，在这些应力的联合作用下，管道会发生应力腐蚀或者腐蚀疲劳，致使管道发生管道断裂；同时，对于流体来说还会对管道产生冲蚀腐蚀等。
2.1埋地管线腐蚀环境
目前国内的各种输油和输气管线大都采用的是钢制管材。
这些管道在埋人地下以后，由于土壤环境的复杂性，外加防腐层的缺陷，很容易对管道产生腐蚀导致管道穿孔，泄漏。
燃气管道埋设与地下会受到多种腐蚀因素的影响，可将其分为以下几种：
土壤腐蚀、细菌腐蚀以及杂散电流腐蚀等。
土壤是一个有气相、液相、固相、三相组成的复杂系统。
土壤的成分很复杂，大量的水、空气充满了土壤的孔隙，土壤的水分又含有大量的盐类离子，这使得土壤具有很高的电化学导电性，而且土壤中也有大量的微生物，他们种类多样，其新陈代谢会产生很大腐蚀性物质，在加上金属管材本身不耐腐蚀，在这样的环境下，埋地管线很容易产生腐蚀破坏。
对于埋地管道来说，在土壤的腐蚀环境下，由于管道在生产过程和施工过程中防腐层的不可避免的损坏，腐蚀因素直接与管道金属接触，造成管道腐蚀。
土壤介质对金属管道的腐蚀过程为：
1）首先是土壤复杂的环境将金属表面的保护膜破坏，土壤中的微生物和植物根系对防腐层进行腐蚀穿透。
2）土壤中由于氧含量的不同，在金属表面形成氧浓差电池腐蚀。
3）由于上述腐蚀的产生，在金属管道表面产生腐蚀产物进一步加速了金属管道的腐蚀速率。
4）最后是金属管道在生产过程中由于制造缺陷和成分不均匀在金属自身形成为电池腐蚀。
上述过程是相互影响或者随着金属管道所处环境的不同，环境中微生物的种类不同对管道产生不同的腐蚀破坏
。
如果土壤中严重的缺氧，而且土壤中存在一些硫酸盐类的还原菌，在这样的环境下，由于硫酸盐还原菌的新陈代谢作用，在消耗土壤中硫酸盐的同时，也会产生一些酸性的硫化物如硫化氢，使土壤pH值下降，酸性物质与金属管道作用，产生腐蚀，虽然细菌腐蚀的危害很大，由于要发生生物腐蚀的条件是要在缺氧，相对干燥的地区，对于沿海地区来说，这种腐蚀破坏带来的损失相对较小。
杂散电流产生的原因主要是由于部分电流离开了指定的导体，通过大地流入到了另外的导体上，这部分电流就称为杂散电流。
杂散电流主要来源于一些设备的漏电如火车、电车、地铁、电解槽以及直流电焊。
杂散电流产生腐蚀的原因就拿电车来说，电流从电车顶部进入电车，然后冲电车轮胎离开电车，通过轨道回到负极，但是如果有部分电流没有从轨道回到负极，而是流进了大地，通过大地在回到铁轨，在回到负极的时候就会产生腐蚀，根据电流的流动方向，通过大地回到铁轨的电流在再流出铁轨的地方会产生电化学腐蚀，而在电流流进的地方会得到电化学保护。
但总的来说，铁轨会在杂散电流的作用下不断被破坏。
不仅如此，如果在回到铁轨的过程中电流穿过了地下金属管道，也会对管道产生腐蚀破坏。
前者腐蚀的是铁轨，但是铁轨暴露在外容易发现，也便于维修，但是后者是地下的管道，不易被发现，且维修业不变，问题更为严重。
2.2腐蚀机理
金属的腐蚀是指金属材料在有腐蚀性因素得存在下，金属材料与外界发生化学反应、电化学反应或物流反应，使金属材料遭到破坏。
金属管材的腐蚀是目前埋地管道破坏的主要原因，国内很多管道因为腐蚀问题而失效。
2.2.1化学腐蚀
化学腐蚀是指金属与腐蚀性介质发生直接的化学反应，是金属管道变质的破坏。
其主要的过程就是金属表面的原子与非金属氧化物表面的相互作用，产生新的物质，这种物质我们称为腐蚀产物，在这个过程中，电子在两者内部传递，没有产生电流。
通常情况下，管道所处的环境如果是常温干燥的，管道是不会发生化学腐蚀的，但是由于种种原因，管道表面会发生化学腐蚀，产生一层氧化膜，虽然氧化膜会阻止管道继续被腐蚀，但当其被破坏时，由于其表面成分的不同，很容易加重腐蚀，此外，管道所运输的油气产品中也含有多种有机硫化物，这些硫化物与金属管道表面反应也会对管道产生。
2.2.2电化学腐蚀
金属管材的腐蚀过程是是通过金属与环境中的电解溶液发生电解反应，使金属材料产生的腐蚀破坏的现象叫做电化学腐蚀。
其实质是一种氧化还原反应，电化学腐蚀是一种比较常见的也是目前对管道危害最为严重的一种腐蚀作用，在发生电化学反应时，电流流出的地方叫阳极，发生氧化反应，如果是金属管道会产生腐蚀现象，电流流进的地方叫阴极，发生还原反应，流进的地方金属不会背腐蚀
。
电化学腐蚀可分为：
①原电池腐蚀
原电池腐蚀是指在介质环境中，金属管材和介质环境中离子形成原电池，产生原电池反应，对金属管道产生腐蚀作用，腐蚀原电池其实是一种短路的原电池，短路的原电池电流不对外做功，这些电流其实是作用于原电池内部的反应中。
这种腐蚀多发生在管道表面或管道成分不均匀的情况，杂质成为管道上的阴极或者阳极，形成很多原电池，如图2.1所示。
图2.1电化学腐蚀过程
腐蚀原电池包含四个部分，即阳极、阴极、电解质溶液以及电流回路这四个部分，这四个部分是腐蚀原电池不可缺少的，只有保证这四个部分的完整性，才能够完成原电池腐蚀的三个过程，即：
1）阳极过程——金属材料表面的原子以离子形式进入到电解质溶液中，宏观表现为金属材料，而电子留在金属表面上；
Me→M
+ne（阳极过程）（2.1）
2）电流的流动——从金属表面阳极通过导线连接进入阴极，而在电解质溶液中，电流是依靠溶液中的离子的移动来传递的。
3）阴极过程——通过外电路从阳极流过来的电子被溶液中的氧化剂所吸收：
D+ne→D·ne（阴极过程）（2.2）
在一般存在卤素离子的情况下，阴极的电子与之结合生成卤素原子，而在大多数情况下溶液中的电子是与其中的氢离子或者氢氧根离子结合生成氢气或者水；
O
+4H
+4e→2H
O（在酸性条件下）（2.3）
原电池的桑过程虽然是相互独立的但也是不可缺少的。
只要其中一个环节受阻而停止工作，则曾哥腐蚀过程也就停止。
一般来说，埋设在地下的金属管道表面会有许多这样的腐蚀原电池，但是由于金属表面各个部位点的电极电位不同，对于同一点来说，当杂质电位高于该点时，它们之间形成的原电池该点作为阳极，而另外一点电位较低，形成原电池的阴极。
产生原电池腐蚀的情况很多，如新旧金属管道的连接，由于管道成分不同，会产生微电池，同时在施工过程中，管道表面会受到不同程度的损伤，破坏了管道表面防腐层的完整，是金属管道暴露出来与外界接触，造成腐蚀，此外，管道材质不均匀，金属表面成分差异都可以产生该种腐蚀。
②电解腐蚀
电解腐蚀是指金属管材在外加电流的影响下，与介质溶液中的离子发生电解反应，是金属溶解与介质环境中产生的腐蚀破坏。
当管道铺设在电气铁路、电厂附近时，就会发生杂电解腐蚀。
管道在有杂散电流的环境下，大地作为电流回路，电流通常会选择电阻比较小的地方作为回路，使电流不按照原有通道回去，通常电流会选择埋地管线作为旁路，这样的电流成为杂散电流，当这种电流流进管道部位的地方是回路的阴极，管道受到保护，但是电流流出的部位确实回路的阳极，整个回路形成了一个腐蚀电池，阳极部位遭到腐蚀，这种腐蚀危害大，范围广，而且受很多因素影响，防护难度非常大。
③细菌腐蚀
如果土壤中严重的缺氧，而且土壤中存在一些硫酸盐类的还原菌，在这样的环境下，由于硫酸盐还原菌的新陈代谢作用需要消耗能量，其将硫酸盐还原成硫化物，利用反应产生的能量来繁殖，还原菌的数量越来越多，消耗的金属离子也越来越多，土壤环境的pH值也越来越低，虽然细菌本身对腐蚀金属管道，但是他们的生长需要以腐蚀管道为代价，最终造成了管道表面严重的腐蚀破坏
细菌腐蚀会受到许多外界因素的影响，首先是土壤中的含氧量，由于硫酸盐还原菌是一种厌氧细菌，所以土壤中的含氧量在比较丰富时是不会出现细菌腐蚀的，再者就是土壤中的水含量、有机质的丰富程度、土壤温度以及土壤的酸碱程度等。
其中在土壤温度为20到30度，土壤pH值在5到9的情况下，细菌的繁殖速度加快。
细菌繁殖速度最为激烈的pH值是6.2到7.8的水含量丰富的环境中，当环境中的pH值达到了9，细菌的繁殖活动受到抑制，相关文献中指出SRB对碳钢的腐蚀影响与其数量有关
，有外国学者研究发现，细菌腐蚀时产生的生物膜比较致密时，对金属的腐蚀作用具有阻碍作用，这种膜是由细菌，细胞外的一些有机物质还有水组成的，通过这个生物膜的形成发生了金属的微生物集群现象
，这种膜的存在可以在一定程度上抑制金属的腐蚀，但是这也方便了金属与外界进行物质和能量的交换。
微生物的腐蚀带来的危害比较严重，每年的腐蚀事故中，因为微生物腐蚀造成的损失越来越多，必须采取必要的措施进行管道的保护。
埋地管道的腐蚀机理是制定防腐方案的依据，只有对腐蚀机理的有了深入的研究，才能制定出更加合理的防腐方案，更好的保护管道。
3埋地管道常用防腐措施
埋地管线在工作环境下会受到很多腐蚀因素的破坏，管道很容易受到腐蚀因素的腐蚀，在受到这些因素的腐蚀作用后，金属管道会产生腐蚀破坏而报废，所以为了防止和减少腐蚀的发生，延长金属材料的使用寿命，我们必须对各种管道所处环境进行分析，采用合理的防腐方案，对管道进行保护。
对一些特殊的管道环境采取针对性的措施，比如说在平原地区的管道外防腐层保护优先选择环氧粉末涂层，在城市地下管网密集的区域选择深井阳极阴极保护系统进行保护，在对长输管道保护时，保护站之间要合理选址，保证管道保护电流的均匀分布。
随着管道腐蚀问题的越发严重，国家和企业也越来越重视这方面的工作，并在管道建设初期，将管道的后期防腐保护工作作为了重点考虑的内容，并且制定了相应的标准规范来保证具体防腐措施的正确合理。
对于不同的腐蚀环境，采用对应的措施可以有效的减少腐蚀发生的可能性，降低腐蚀的程度。
通过多年来设计施工人员的总结，使用合理的外防腐层、外加阴极保护以及合理选材能有效控制管道的腐蚀。
目前，国内采用的管道防护方法主要有以下几种。
3.1涂层保护
涂层保护就是在管道外表面涂上一层防腐绝缘层，这是管道最基本的防腐措施，当在管道为使用防腐层后，防腐层经过固化成油漆膜，这种膜能够牢固的粘覆在金属管道表面，使金属管道表面与外界隔离，阻止金属表面与外界环境进行化学或者电化学反应，以此来实现管道防腐的目的。
3.1.1常用防腐层
目前，国内常用的管道外防腐层材料有以下几种，即：
石油沥青、聚乙烯胶带、聚乙烯涂层、煤焦油瓷漆、熔结环氧粉末、环氧煤沥青。
其性能对比见表3.1。
早期，我国的长距离油气管道的防腐层无一例外的都采用了石油沥青加玻璃布构。
从近几年运行情况看，效果良好，但是由于石油沥青类防腐层对环境污染严重，这种防腐层在西方国家的使用很快收到了限制
。
从上世纪80年代开始，人们开始使用各种各样的管道外防腐层，同时对各种防腐层的施工工艺也做出了相应的研究和改进。
但是到目前为止，我国在各大集输管网，城市燃气管网和长输管道的建设来看，目前我国使用的管道外防腐层任然以石油沥青为主；煤焦油瓷漆在以前的管道防腐中使用比较普遍，那时候是用作了一些异型管件的防腐材料；而用于油气管网的保温防护主要是使用聚乙烯涂层；而溶解环氧粉末涂层虽然具有良好的粘合力，防腐性能及保温效果好，但是早期由于其造价比较贵，只能在一些重要的工程段中使用；随着研究的不断改进，这种材料的生产也得到了改进，大大降低了材料的生产成本，如今，这种防腐层材料得到了普遍的使用，据统计，他是迄今用量最大的管道防腐层，同时，随着产品生产的产业化和敷设工艺的进一步完善，这种防腐层的使用也日趋增长。
随着管道外防腐层研究和敷设工艺的不断完善，现阶段国内主要的燃气管段选用的防腐材料通常为3层聚乙烯复合结构和熔结环氧粉末涂层
3.1.2防腐层材料的对比及选择
石油沥青防腐层
聚乙烯胶带
聚乙烯夹克层
熔结环氧粉末层
煤焦油瓷漆层
环氧煤沥青层
电绝缘性能
差
优
优
优
优
中
化学稳定性
差
优
优
优
优
优
机械性能
差
差
优
优
中
中
抗阴极剥离
差
中
良
优
优
良
抗微生物侵蚀
差
优
优
优
优
优
施工及修补
难
易
难
难
难
中
对生态环境
劣
优
优
优
劣
良
寿命
短
中
久
久
久
中
经济成本
中
中
高
高
中
中
管道的外防腐层已经是管道防腐不可缺少的一部分，根据管道的腐蚀环境选择一种性能优异，又便于施工的管道防腐层对于管道防腐尤为重要。
通过施工技术人员长期对各种防腐层性能的现场施工和对比，并对使用过的管道防腐层进行长期的检测研究，得到以下结论。
表3.1防腐层性能对比
1）冷缠带累防腐层材料施工比较简单，施工质量好，同时对周围环境的影响小，长期使用后材料与管道的粘接力较好，长期一来，这种材料多用于埋地管道外防腐层的补口补伤及检修。
对比来看纤维聚乙烯冷缠带的粘接力和抗剥离能力都要强于复合型聚乙烯冷缠带。
2）石油沥青防腐层材料：
这种材料在我国的使用时间比较长，在施工工艺上技术也比较成熟，并且生产材料来源也比较广泛，同时期各项指标都能达到预期的效果，但是其在施工工程中需要现场进行熬制进行管道热敷设，增加了劳动强度的同时这种材料对环境也有一定的污染作用，所以应该限制它的使用，建议逐渐采用其他防腐层进行替代。
3）矿物质冷缠带：
这种材料具有良好的防水性和密封性，并且有一定的防腐能力，但是这种材料质地比较软，而且不容易固化，敷设在管道表面，很容易受到挤压而产生破坏，比较适用于地上管道的防腐。
4）环氧类涂料：
这种防腐材料是目前使用比较
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