任基成 楊效明 苑京成

　　[提要] 根據工程實例，參照石油行業的有關規范，對輸水鋼管陰極保護技術的應用進行總結與探討，提出了實施要點。
　　[關鍵詞] 輸水鋼管 陰極保護 強制電流 犧牲陽極 實施要點

0 前言

　　隨著我國經濟的發展和城市化進程的加快，大口徑長距離輸水管道工程在各地不斷興建。鋼管具有取材制作方便、安裝技術成熟、適應復雜地形等比點，既適用于埋地敷設，又可用于跨越架空、過河倒虹和頂管施工，是目前在DN1000mm以上的輸水管道中采用較
多的一種管材。但鋼管最大的缺陷是在自然環境中易產生腐蝕，因此做好鋼管的內外防腐是延長鋼管使用壽命的重要施工環節。現行國標《給水排水管道工程施工及驗收規范）（GB50268—97）在“鋼管道內外防腐”一節中，對水泥砂漿內防腐層和石油瀝青及環氧煤瀝青外防腐層的施工作出了相應的規定，而沒有提及對鋼管道進行陰極保護施工的問題。
　　 由于陰極保護在國外輸水管道和國內石油天然氣管道的成功應用，日益受到我國供水界的重視。近年來，上海、深圳、成都、大連、廈門、寧波等地相繼進行了輸水鋼管陰極保護的應用實踐。但由于這項技術在我國供水行業起步較晚，至今沒有統一的行業規范， 有一些技術問題還有待于進一步研究。本文根據寧波的工程實例，試對輸水鋼管陰極保護技術的應用進行總結與探討。

1 輸水鋼管陰極保護應用實例

　　為解決城市水資源短缺和水質污染的問題，寧波市自來水總公司從80年代末著手規劃，并于1996年至1999年間相繼建成投運蕭鎮、橫山、江東三項引水工程，把距離市區幾十公里外的橫山水庫和亭下水庫的無污染原水用管道分別輸送至南郊、北倉、江東3個水廠，有效解決了市區水廠的水源污染問題。這三項引水工程總投資6億多元，共敷設DN1600mm輸水鋼管102．4kin。鋼管外防腐全部采用環氧煤瀝青四油兩布工藝，并且全線鋼管還進行了陰極保護的施工。根據不同的環境條件分別采用強制電流和犧牲陽極兩種陰極保護技術，實施情況見表1。

表1 寧波市輸水鋼管陰極保護實施情況

工程名稱 輸水鋼管長度/km 強制電流法 犧牲陽極法 保護長度/km 保護站/座 保護長度/km 陽極配置（質量/kg×支數×組數/km） 蕭鎮引水工程 29.4 20.8 2 8.6 14×5×4 橫山引水工程 57.3 16 2 41.3 14×5×4 江東原水工程 15.7 15.7 14×5×4

2 輸水鋼管陰極保護實施要點

2．1 土壤腐蝕性的評價
　　鋼制管道在土壤環境中的腐蝕主要為電化學過程，腐蝕原電池是其最基本的形式。對土壤的腐蝕性進行正確評價是實施陰極保護的前提，在工程實際中常通過測是鋼管環境的土壤電阻率（Ω·m）和自然電位（——V）來評價土壤腐蝕性。對于大多數情況，十壤電阻率越小，自然電位負值越大，則土壤的腐蝕性越強。電阻率與土壤腐蝕性的評價標準參見表2，自然電位與土壤腐蝕性的評價標準參見表3。土壤環境經測定和評價為腐蝕性強、較強和中等的，一般都應進行陰極保護。

表2 土壤電阻率與土壤腐蝕性

腐蝕性 土壤電阻率／Ω.m 中國 前蘇聯 英國 日本 美國 法國 極強 ＜5 ＜9 ＜5 強 ＜20 5-10 9-23 ＜20 ＜20 5-15 中等 20-50 10-20 23-50 20-45 20-45 15-25 弱 ＞50 20-100 50-100 45-60 45-60 很弱 ＞100 ＞100 ＞60 60-100 ＞30

表3 自然電位與土壤腐蝕性

自然電位/-V（相對于Cu-CuSO₄) ＞0.55 0.45-0.55 0.30-0.45 0.15-0.30 ＜0.15 腐蝕性 強 較強 中 弱 極弱

　　我們在工程設計初期，對管道沿線土壤電阻率和自然電位進行了測量，電位均以Cu-SO4飽和溶液為參比電極。測試結果顯示，蕭鎮和江東段管道沿線土壤電阻率在20Ω.m左右，而橫山管道沿線土壤電阻率數值相差較大，最低處為16.4Ω.m，最高超量程（大于
628Ω.m）。三段管道沿線自然電位多負于-0．45V。依據國內外有關的判別標準，大部分管線所處的土壤環境腐蝕性較強，需要進行陰極保護。
2．2 陰極保護方式的選擇
　　駔極保護有強制電流和犧牲陽極兩種基本方法，這兩種方法自特點如表4所示。

方法 優 點 缺點 強制電流法 1．輸出電流連續可調，可滿足較大的保護電流密度要求
2．不受環境電阻率限制
3．工程越大越經濟
4．對管道防腐覆蓋層質量要求相對較低
5．保護裝置壽命長 1．需要可靠外部電源
2．對臨近金屬構筑物干擾大，特別是輔助陽極附近3．需設陰極保護站，日常進行維護管理
4．在需要較小電流時，無法減少最低限度的裝置費用 犧牲陽極法 1．不需要外部電源
2、對臨近金屬構筑物干擾小
3．管理工作維護工作量小
4．工程費用與保護長度成正比
5．保護電流分布均勻，利用率高

1．高電阻環境不宜使用
2．保護電流個可調
3．對覆蓋層質量要求高
4．消耗有色金屬，需定期更換
5．雜散電流干擾大時個能使用

　　選擇陰極保護方式，應根據防腐層質量、土壤環境、現場條件和運行管理等因素，進行技術經濟分析，綜合考慮確定。一般原則是：①工程規模人宜采用強制電流，規模小則官采用犧牲陽極。②市區內考慮到對外界干擾電流的影響，一般應采出犧牲陽極。③當土壤電阻率大于100Ω·m時，或管道覆蓋層質量差，一般宜采用強制電流。
　　根據上述原則，經過分析比較，寧波市輸水鋼管陰極保護考慮管線埋設現場的特點以及對外界干擾因素的不同，分別采取犧牲陽極和強制電流陰極保護兩種方式。蕭鎮引水工程全長29.4km，其中20.8km管段采用強制電流，設蕭鎮、北渡兩個陰極保護站，其余8．6km管段因處市區，采用了犧牲陽極。江東原水工程全長15.7km，起始段無可靠交流電源，末段處于勤縣中心區和寧波市區，全線陰極保護系統均采用犧牲陽極法。橫山引水工程共長57.3km，其中兩端各8km管段采用強制電流保護，其余段因無可靠交流電源，采
于犧牲陽極。穿越東錢湖段兩端采用直接焊接捆綁塊狀鎂陽極。
2．3 主要技術參數的確定
　　（1）工程設計壽命。輸水鋼管陰極保護工程設計壽命應與被保護答道使用年限相匹配，一般可取15～25年。
　　（2）管道保護電位。相對于飽和銅／硫酸銅參比電極的管道保護電位至少為-850mV。
　　（3）最小保護電流密度。最小保護電流密度是陰極保護設計的重要參數，它的大小與被保護管道覆蓋層質量、種類和管道周圍的土壤電阻率大小等因素有關，但一般難以進行理論計算。（給水排水設計手冊）中所提供的埋地金屬管道所需保護電流密度數值范圍大，難以準確選擇合理的數據。因此在陰極保護設計施工中應根據具體的環境條件，參照同類工程的運行數據，確定較符合實際情況的數值。也可試在小部分管段采用簡易強制電流系統實地測量。根據寧波地區土壤電阻率低的特點，參照同類工程運行參數，我們確定寧波三項引水工程鋼管陰極保護設計最小保護電流密度為：外加電流法用0.3～0.4mA/m²，犧牲陽極活用0.15mA／m²。
2．4 犧牲陽板材料的選擇
　　應根據管道沿線土壤電阻率測量結果，參照石油行業《埋地鋼制管道犧牲陽極陰極保護設計規范）和＜鎂合金犧牲陽極應用技術標準），進行犧牲陽板材料和規格的選擇，可參見表5、表6。

表5 犧牲陽板材料種類的選擇

土壤電阻率/Ω.m 可選陽極種類 ＞100 帶狀鎂陽極 60-100 鎂（-1.7V） 40-60 鎂 ＜40 鎂（-1.5V） ＜15 鎂（-1.5V)、鋅 ＜5 鋅

　　根據土壤電阻串的測量和土壤腐蝕性的判斷，——寧波市輸水鋼管陰極保護工程實施中的犧牲陽極選用鎂陽極，土壤電阻率在40Ω·m以下采用鎂鋁鋅合十金陽極，40Ω·m以下采用純鎂陽極。每支陽極的質量規格均采用14kg。

表6 鎂陽極規格的選擇

土壤電陰率/Ω.m 可選陽極規格／kg ＞100 2或4 100-50 4或8 50-20 8或11 20-10 11或14 ＜10 14或22

2．5 犧牲陽極設計簡要計算
　　（1）單支鎂陽極輸出電流計算式為：
　　　　　　　　　　　I_MG=150000FY／θ．
　　式中：I_MG——單支鎂陽極的輸出電流，mA；
　　　　　　F——質量修正系數；
　　　　　　Y——電位修正系數：
　　 p——土壤電阻率，Ω·cm。
　　我們在設計中根據＜給水排水設計手冊），取F為1.16；Y為0.93;p按實測當地土壤電阻率取平均值為2100Ω·cm。經計算得IMG=77mA。
　　（2）每組鎂陽極支數計算式為：
　　　　　N=bIA／IMG
　　式中b——備用系數，根據寧波地區土壤電阻率低的情況，取2：
　　IA——每組陽極需輸出保護電流，mA。
　　我們在實施小取每組陽極保護長度為250m，最小保護電流密度取0．15mA／m³，被保護管道直徑為1.6m。則IA=0.15×1．6×3．14×250＝188．4mA。所以：N＝2×188．4／77＝4．89≈5（支）
　　（3）陽極使用壽命計算采用美國HARCO防腐公司的經驗公式：
　　　　　T=57.08Wη／IMG
　　式中W——為單支陽極質量（b，1b＝0．45kg）；我們采用鎂陽極質量為14kg，乘以2.2化為質量磅數。
　　　 η——為系數，通常取0.75。則設計壽命T≈17年。
2．6 強制電流保護站的設置
　　陰極保護站的設置應考慮到有可靠的交流電源、便于維護管理以及防止人為破壞等因素，一般陰極保護站宜設在泵站或水廠廠區。
　　蕭鎮段在蕭鎮、北渡泵站各設一座陰極保護站。蕭鎮陰極保護站設恒電位儀2臺（1用1備），輔助陽極為30支YJBSiCr50×1200mm雙端接頭的含鉻高硅鑄鐵陽極，距管道100m，沿管道垂百方向一字形水平埋設。北渡陰極保護站設恒電位儀3臺（2用1備）。埋設兩組輔助陽極（規格數量同上），每臺儀器對應一組陽極。為防止未通電保護的泵站內管道發生雜散電流干擾腐蝕，對站內管道實施了犧牲陽極陰極保護，埋設兩組各4支22kg鎂陽極。橫山段強制電流陰極保護站分別設在橫山引水管理站和北侖水廠內，各有2臺恒電位儀（1用1備）。考慮到橫山陰極保護站處土壤電阻率比較高（240Ω·m），因此輔助陽極選用了30支YJBSiCr75×1500mm雙端接頭的含鉻高硅鑄鐵陽極，將輔助陽極水平埋設在焦炭地床中，焦炭地床寬度厚度分別為600mm，長度為2m。
　　蕭鎮北渡陰極保護站每臺恒電位儀保護距離8.3km，需保護電流I=8300×1.6×3.14×0.3＝12509mA。輔助陽極接地電阻0.8Ω。選取電位儀20A／24V。橫山陰極保護站，因輔助陽極接地電阻10．1Ω，選取恒電位儀30A／100V。北侖水廠陰極保護站輔助陽極接
地電阻0.8Ω，選取恒電位儀75A／35V。
2．7 管道的電氣絕緣措施
　　陰極保護需要被保護輸水管道的電氣連續性，以及與外界的絕緣，這一點非常重要，為此我們采取以下措施：①在不同的陰極保護方式之間采用約緣法蘭絕緣。②管線進、出陰極保護站端安裝絕緣法蘭。③所有橋管處鋼管與支墩用橡膠墊片進行絕緣處理。④所有其他與管 道直接相連的金屬件不允許直接接地。⑤考慮到湖水與土壤物理化學性的差異，穿越東錢湖段兩端安裝絕緣法蘭。⑥所有閥門井處加裝一支14kg鎂陽極。
　　上述措施在輸水鋼管陰極保護實際應用中取得了較好的技術和經濟效果。而這些措施與石油行業陰極保護設計規范的要求有所不同。該規范要求被保護管道在穿跨越段的兩端和排水井的連接處都應裝設絕緣法蘭或絕緣接頭。寧波地處江南水鄉，輸水管道跨越河流的橋管數量較多 如果每座橋管的兩端都要裝設絕緣法蘭，則施工難度大，工程費用用高。我們經過試驗，在橋管兩端個裝設絕緣法蘭，采用橡膠墊片把輸水鋼管與管橋支承托座之間進行絕緣隔離。另外在管道排水閥門井室也不設絕緣法蘭，而改為設置一組14kg單支鎂陽極進行保護。這些措施滿足了陰極保護的要求，在技術經濟比較中占有明顯優勢。
2．8 測試樁的設置
　　陰極保護測試樁是工程實施的重要內容，也是管道保護效果測試的重要環節，一般要求沿保護管道每公里設置一個電位測試樁。
　　蕭鎮引水工程全程設有電位測試樁（每km一個）共18個，電流測試樁2個（距蕭鎮泵站5km和12km處）和絕緣法蘭測試樁4個。江東原水工程全程設有犧牲陽極測試樁（每km一個）共16個。橫山引水程管線長，且是在管道敷設2年后再實施陰極保護施工，再次征地較為困難，考慮到橫山沿線有40座管橋，也可做為測試點的補充，故對電位測試樁間距作了調整，約1.skin設1個，共設置電位測試樁23個。此外設置犧牲陽極測試樁10個。
2.9 陰極保護效果的判斷
　　衡量陰極保護狀況的好壞是根據保護站位來判斷的，參照石油行業的設計規范，輸水鋼管陰極保護良好狀態時的保護電位應滿足：①對普通土壤，測得管道保護電位為-850mV湘對Cu—CuSO4，下同）或更負；②管道表面與同土壤接觸的參比電極之間測得陰極極化電位不得小于 100mV；③最大保護電位的限制應根據覆蓋層及環境確定，以不損壞覆蓋層的粘結力為準，一般可取-1．5V。
　　橫山引水工程犧牲陽極施工時，根據上述判斷標準分析，通過實測保護電位，發現有部分地段保護電位未能達到標準，主要原因是：因自然條件限制和征地困難，陽極床埋設位置不能均布，在陽極床間距較大處出現保護不夠；由于管道敷設后未及時做陰極保護，在腐蝕性較強的土壤條件下，涂層的平均電阻較小，電流泄漏較大。為保證本工程鋼管陰極保護效果和使用壽命，對原設計做了適當變吏，在保護不足處共增加了31組犧牲陽極，在土壤電阻率低的管段，每組陽極數量由5支增加到6支。采取上述措施后，經實地測
量，被保護管段電位達到要求。
　　在對橫山強制電流保護段電位測量中，我們發現管道保護電位的分布并個是沿管道測量點與通電點的距離增加而減小，見表7。

表7 橫山引水工程橫山站強制電流陰極保護數據測量

測量點 通電量 P1 P2 P3 P4 P5 P6 自然電位/-V 0.60 0.59 0.60 0.55 0.585 0.64 0.58 保護電位/-V 1.226 1.398 0.885 1.036 0.904 0.877 0.866

　　 這主要是因為這一保護段沿線土壤電阻車變化大，最大處可達400Ω.m，最小僅為38Ω·m，相差一個數量級，管道沿線土壤電阻率的變化影響了保護電位的分布。這意味著，盡管在土壤電阻率低的地區或遠離通電點的保護電位達到要求，并不表示在土壤電阻
率高或距離通電點近的管段保護電位也能達到要求。在管線保護電位測是中應注意此現象，確保全線達到保護要求。
　　橫山引水工程陰極保護是在管道敷設2年后再進行實施陰極保護的，北侖水廠附近段土壤電阻率與蕭鎮至北渡間的土壤情況相似，但理論計算北侖水廠段干均保護電流密度大于蕭鎮段，蕭鎮的陰極保護是與管道同時投運的，由此可見，陰極保護對防腐層也有一定
的保護作用。

3 結論與探討

　　（1）輸水鋼管陰極保護技術的推廣應用是十分必要的。陰極保護的設計與施工應與管道建設同時實施，這在技術和經濟上都是切實可行的。
　　（2）鋼管的陰極保護有強制電流和犧牲陽極兩種方法，應根據當地土壤環境和施工條件等因素加以比較確定，一般來說進入城市市區的輸水管道應采用犧牲陽極法。
　　（3）管道防腐涂層的質量和電阻率是影響保護范圍和保護電位均勻分布的關鍵，同時管道沿線土壤電阻率的大小也會對保護電位的分布產生影響。
　　（4）在實施陰極保護時，確保管道的電連續性以及管道與外界的電絕緣是至關重要的。而絕緣的形式不是唯一的，輸水鋼管的橋管兩端未必一定采用絕緣法蘭，而采用橡膠絕緣墊層的形式在技術上是：可行的，在經濟上占有明顯優勢。
　　（5）在采用強制電流法陰極保護時，恒電位儀選·型應根據防腐層質量、陽極接地電阻和土壤電阻率測試情況而定，選擇不同電壓電流比的恒電位儀。作為備用的恒電位便宜在工程投入運行后根據情況再行購置。
　　（6）管道采用犧牲陽極法保護時，陽極的選擇應根據土壤電阻率來確定。在土壤電阻率較低地段要合理選擇陽極的埋設位置，確保陽極距離管道有一定的距離，保證管道電位均勻分布。
　　（7）陰極保護工程實施和投運后，日常運行管理不可忽視。對全線測試樁要保護好，管道保護電位的測量應定期進行，發現問題及時采取措施，使得保護電位達到要求。
　　（8）要認真總結輸水鋼管陰極保護技術應用的實踐經驗，供水行業有必要制訂相應的技術規范。

參考文獻

　　1 胡士信．陰極保護工程手冊．北京：化學工業出版社，1999
　　2 劉海．長輸管道犧牲陽極保護的設計 管道技術與設備，1999
　　3 中國市政工程西南設計‘院 給水排水設計手冊（第1冊）．北京：中國建筑工業出版社，1986
　　4 SYJ39－89．埋地鋼制管道強制電流陰極保護設計規范．北京：石油工業出版社，1991
　　5 SY／T0019－97．埋地鋼管道棲牲陽極陰極保護設計規范．中國石油天然氣總公司，1997