摘 要: 开展了现场馈电试验，通过测量管网的管/地自然电位、管/地极化电位、地床电位梯度、接地电阻以及非保护区管线电位变化情况，确定了阴极保护所需的电流密度为 10 mA/m2 。试验结果验证了该市使用深井阳极技术对燃气管道阴极保护的安全性、科学性和可行性。
关键词: 深井阳极; 阴极保护; 馈电试验; 钢制燃气管道
我国西北某市天然气工程于 2002 年竣工验收，建设期约 10 年，建成次高压管线约 23. 5 km、中压主支管线约 186. 5 km，形成覆盖总面积约 130 km2 的 管 网 辐 射 区 域。管 道 规 格 为 DN50 ～ DN400，材质以普通碳钢为主，管道外防腐方式很多，大多采用环氧等重防腐层、挤压聚乙烯防腐层和聚乙烯胶带防腐层。由于该天然气钢制管道为直埋式敷设，土壤环境对埋地管道的腐蚀问题不可避免，仅采用管道外防腐层使管道与腐蚀性土壤介质物理隔离，对延缓埋地管道腐蚀是远远不够的，现已发现部分管线腐蚀严重，有些甚至出现了穿孔泄漏。
相关资料表明，该市主城区地下埋设金属结构物分布比较复杂，天然气管网与埋地电缆、供排水管网、接地网等结构物同处地下，这些金属结构物纵横交错，相互交织在一起。在实施阴极保护时必然会产生阴极保护电流的屏敝和保护电流的流失问题，为天然气管网全面达到阴极保护带来许多困难。此外，由于该天然气管网已运行多年，管道表面涂层出现老化剥离、泄漏点和裸露铁点逐年增多，到底需要多大保护电流难以估算[1—2]。
为了找出影响天然气管网阴极保护效果和保护范围的各种因素，确定达到阴极保护所需的保护电流密度和所需设备的输出容量等参数，本研究将通过开展馈电试验测试管网的管/地自然电位、管/地极化电位、地床电位梯度、接地电阻以及非保护区管线电位的变化情况，确定电流干扰和屏蔽情况，提供设计依据和必要的保护参数，以便更加合理有效地对天然气管网实施全面的阴极保护[3]。
1 试验方法
1. 1 试验准则
根据 GB /T 21448—2017 《埋地钢制管道阴极保 护 技 术 规 范》[4]，参 考 我 国 相 关 设 计 规范[5—7]以及结合该市的具体情况，选择管/地电位最负值不超过 - 2. 5 V ( v. s. CSE) 。本次试验以此电位值为基准，研究达到 - 2. 5 V 条件下的最大允许电流值。
1. 2 试验地点的选择
馈电试验区选择具有典型代表市区某科学院区域，该区域分布着中压燃气管道、低压燃气管道、供排水管网、暖气管道、接地网等，馈电试验区域内需保护中压管道明细见表 1。
1. 3 试验系统组成
本次试验采用深井阳极技术[8—9]，阳极井500 mm，深 73 m。阳极井内埋设 6 组 377 mm、长 4 m 的组合阳极体。采用 150 A/150 V 恒电流仪作为电源，其正极与阳极井的辅助阳极体相连，负极与天然气管线相连，由测试系统和绝缘系统组成，见图 1。
1. 4 测试项目
( 1) 管/地自然电位测量
在不通电的自然状态下，采用数字万用表和参比电极测量试验区若干个测试点的管/地自然电位。通过管/地自然电位判定自然腐蚀状态、周围环境的影响以及实施阴极保护的极 化量。
( 2) 管/地极化电位测量
在通电状态下用上述方法测量管线在通电之后的极化电位，通过试验区范围内测试点电位的测量，判断阴极保护波及范围以及找出妨碍保护电位均匀分布和达标的客观因素。
( 3) 辅助阳极地床电位梯度测量
外加电流阴极保护系统工作时，由阳极放电经过地层进入埋地管道表面而引起地电场梯度，当辅助阳极地床电位梯度达到一定值时可能产生放电火花引爆可燃性气体。采用双参比电极法，以阳极地床为中心，用数字万用表在阳极井四周不同距离测量两参比电极的电位差值。
( 4) 阴极接地点电位测量
通常认为阴极接地点电位是最负点电位，为了解在通电状态下该点电位值，测试不同电流下 12 h 之后该点的电位。
( 5) 水管电位测量
在测量燃气管电位的同时，测量同一庭院中的水管电位，通过燃气管与水管电位数值的比较，判断保护电流是否受到屏蔽、分流以及阴极保护对水管是否有杂散电流干扰。
2 结果及讨论
2. 1 管/地自然电位的测量
将馈电试验区内主要街道和庭院的天然气阀门井内气管和调压箱作为电位测试点，测得管/地自然电位，见表 2。从表 2 可以看出，20 个电位测试数据都在 - 0. 3 ～ - 0. 5 V 之间，其中 - 0. 3 ～ - 0. 4 V 约占 25% ， - 0. 4 ～ - 0. 5 V 约占 75% 。
这些管/地自然电位数据普遍正于正常情况下 - 0. 55 V 管/地自然电位值。管道电位偏正由杂散电流的干扰和土壤电阻率偏高导致。管/地自然电位偏正，在实施阴极保护时达到阴极保护电位 - 0. 85 V 所需要的极化量就大，正常情况下，电位负移 0. 15 ～ 0. 35 V 就能够达到阴极保护的最小电位值。而该市的天然气管道电位一般需要负移 0. 35 ～ 0. 55 V 才能够达到阴极保护的 最 小 电 位 值，这 无 疑 增 加 了 阴 极 保 护 的难度。
2. 2 管/地极化电位的测量
根据 美 国 腐 蚀 工 程 师 协 会 ( NACE) 的RP-01-69 《埋地和水下金属管道外防腐推荐规范》[10]和 GB /T 21448—2017 《埋地钢制管道阴极保护技术规范》[4]标准对阴极保护准则做了如下规定: 在施加阴极电流的情况下，测得管/地电位为 - 850 mV ( v. s. CSE) 或更负; 管道表面与土壤接触的稳定的参比电极之间阴极极化电位值最小为 100 mV，这一准则可以用于极化的建立过程或衰减过程。
此外，1985 年德国标准协会 ( DIN) 和德国煤气和水工程师协会 ( DVGW) 在 DIN 30675 《外表面阴极保护的设计和应用》[11]标准中对钢铁阴极保护准则作了规定，如表 3 所示。此准则打破了 - 0. 85 V 单一不变的指标，对不同环境下给出了 - 0. 95 V 和 - 0. 75 V 的指标。针对本次馈电试验片区的情况，本研究将以上两个标准结合起来应用。
图 2 是通电电流不同时中压燃气管道不同测量位置管/地极化电位，其中测量点 A-10 为阴极接地点。当设备输出电压为 70 V、输出电流为 1 130 A 时，对测试片区与市内管网进行了绝缘，但未对测试区域的低压管网进行绝缘。根据统计，该区域中压管道长度约 7 800 m，面积约 2 600 m2 ，低压管网的长度与面积不详。如果仅按中压管网的面积计算，保护电流密度将达到 50 mA/m2 ，除了与阴极接地点较近的几个点达到保护电位外，许多中压管道并未达到完全保护，电流流失的相当多，保护面积只达到 41% 。这其中的原因是多方面的: 由于天然气管道从阀井进入庭院后，庭院地下环境较为复杂，各种管道纵横交错，如果天然气管道防腐层有破损的话，将使保护电流流失; 如果与其它金属结构物相接触，将产生电连接使保护电流流失; 有一些天然气工业用户如锅炉燃气管道、水管道、热力管道都通过锅炉进行电连接，从而使保护电流流失; 由于低压管网管径都比较细，一般在 40 mm ( DN) 左右，管径越细，其电阻就越大，电位衰减也越快。鉴于以上情况，决定对该测试区域的低压管网实施绝缘，即从调压箱中压管处安装绝缘法兰。
对调压箱安装绝缘法兰后，对系统通电进行测试，当设备输出电压为 11 V、输出电流为 20 A 时，A-01 位置的电位为 - 1. 366 V，A-20 位置的电位为 - 0. 816 V，具体的测量数据见图 2。经统计，保护面积达到 2 000 m2 ，保护率达到 77% 。
继续调整输出电流，当设备输出电压为 17 V、输出电流为 35 A 时，A-01 位置的电位为- 1. 774 V，A-20 位置的电位为 - 0. 953 V。其中，A-14 和 A-18 位置的管/地极化电位分别为- 0. 638 V 和 - 0. 614 V。采用断电法测得的管道阴极极化电位较管/地自然电位负移 100 mV。依据阴极保护的准则，馈电试验片区绝缘后，在设备输出电压为 17 V、输出电流为 35 A 时的保护率达到了 98% 以上。
从图 2 可以看出，在低压管网未作绝缘时，阴极接地点处电位很高，但是电位衰减很快，以至于输出 130 A 的电流时保护面积只达到 41% ，这说明庭院管网过大地消耗和旁流了阴极保护电流; 在对庭院低压管网实施了绝缘以后，输出电流明显下降，保护范围也明显扩大。
2. 3 辅助阳极地床电位梯度
当设备输出电压为 17 V、输出电流为 35 A 时，燃气管网保护效果较好，选定此工作参数 进行电位梯度试验，在阳极井附近测得电位梯度值见表 4。
从表 4 可以看出，通电电流为 35 A 时所测得辅助阳极地床电位梯度均很小，远 远 小 于 GB /T 21448—2017 中所规定辅助阳极地床电位梯度不大于 5 V/m 的标准。从安全角度考虑，不会产生放电火花，不会引爆可燃气体。
2. 4 阴极接地点电位
通过馈电实验，当电流不同时，在阴极接地点测得的电位值和回路电阻见表 5。
从表 5 可以看出，深井阳极地床的回路电阻小于 1 Ω，在输出电流为 35 A 时，阴极接地点电位为 - 2. 50 V。但是与其它城市阴极保护相比，在同样的最大保护电位值下，输出电流较小，其原因可能为土壤电阻率太大、阴极接地点的管道较细、阳极井距管道距离太近。
2. 5 其它管网的管/地电位
在测量天然气管网电位的同时测量了自来水管的电位。通电电流为 35 A 时测得同一庭院中燃气管与水管的电位值见表 6。
从表 6 可以看出，当燃气管电位负移升高时，B-4 测点位置水管电位正移，这主要是由于该测试点水管受阴极保护杂散电流的干扰，电位变正 16 mV。我国石油天然气总公司制定的《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》首先确认了干扰存在的判定标准，当管道任意点上管/ 地电位较管/地自然电位正向偏移 20 mV 或管道附近土壤中的电位梯度大于 0. 5 mV/m 时，管道被确认为直流干扰。其次是确认了干扰存在的前提下，必须采取防护措施的临界指标。内容规定为，当管道任意点上管地电位较管/地自然电位正向偏移 100 mV 或管道附近土壤中的电位梯度大于 2. 5 mV/m 时，管道应及时采取直流排流保护或其它防护措施。由测试结果可以看出该测试片区阴极保护对其它管道杂散电流干扰的影响是很小的。
其余测量点都表现为当燃气管电位负移时，水管电位也负移，但二者电位相差较大。这表明自来水管与燃气管存在电性连接，水管有分流作用，二者电位越接近说明彼此接触电阻越小，水管分流作用越强。该测试片测试结果表明自来水管对燃气管的电位影响很小，既没有太大的分流现象又没有受到阴极保护电流干扰的影响。
2. 6 电流密度的取值
科学院馈电试验区在 73 m 深井、通 35 A 电流时，电位达标区域为 1. 05 km2 ，保护管道长度约为 7 584 m，保护的管网面积约为 2 600 m2 ，按此计算电流密度为 13. 5 mA/m2 ，经过 72 h 极化后，将输出电流下调至 26 A 又极化 72 h 后，抽测的保护电位基本接近输出电流为 35 A 时的电位值。由于通电时间较短，随着极化时间的推移，所需的保护电流密度还可以减少，因此将电流密度取值为 10 mA/m2 。
3 结论
( 1) 深井阳极地床阴极接地点电位低、回路电阻小。西北某市地下天然气管网采用深井阳极技术是科学合理、切实可行的。通过对科学院片区馈电试验，确定保护电流密度至少为 10 mA/m2 。
( 2) 辅助阳极地床电位梯度符合满足远远小于 5 V/m 的标准要求。在西北某市采用深井阳极技术对天然气管网实施阴极保护是安全的。
( 3) 其它金属管网的电位测量结果表明，阴极保护对其它金属管网未发现有干扰影响。 ——论文作者：常 娥，王 静，李威力
参考文献:
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