1 前 言
天然氣是一種公認的清潔高效優(yōu)質(zhì)的能源，隨著我國西氣東輸工程和四川盆地天然氣輸送兩湖工程的實施，城市燃氣在工業(yè)和民用領域有廣泛的應用前景。為了加快發(fā)展天然氣工業(yè)，必然要加快天然氣管道的建設。如何建設好結(jié)構合理、安全可靠的長江中下游城市燃氣管網(wǎng)是我國燃氣行業(yè)的重要課題。
由于土壤對管道的腐蝕、管內(nèi)輸送介質(zhì)的腐蝕、防腐層的缺陷和早期技術的限制，我國大部分在役城市燃氣管線只采用了涂覆層而未采用陰極保護措施，使早期投入使用的燃氣管線頻繁發(fā)生腐蝕穿孔泄漏事故，導致管線經(jīng)常出現(xiàn)非計劃維修或更換，嚴重影響燃氣管網(wǎng)的安全運行，縮短了管線的使用壽命，造成了較大的經(jīng)濟損失。
實踐證明，城市燃氣管線外防腐措施采用涂覆層加陰極保護的所謂“雙保護技術”是有效的，管線安全性得到了更可靠的保證，管線使用壽命延長一倍以上，事故明顯減少，經(jīng)濟效益得到很大提高。
近十年來，北京市天然氣新舊管線在陰極保護技術的開發(fā)和應用領域取得了豐碩的成果，對加強首都燃氣管網(wǎng)建設，提高在役管網(wǎng)的安全性做出了較大的貢獻。
2 陰極保護技術在北京天然氣管網(wǎng)中的應用
北京市目前擁有5000km天然氣鋼質(zhì)管道，部分已進入腐蝕事故多發(fā)期。如：1996年，學院路和第二外國語大學兩段中壓管道出現(xiàn)電化學腐蝕穿孔泄漏;1997年，亞運村和中央黨校等地區(qū)的中低壓管道多次發(fā)生電化學腐蝕穿孔；1998年，小關北路，高瀾大廈一酒仙橋調(diào)壓站中壓管道多次發(fā)生電化學腐蝕泄漏事故。北京市燃氣管網(wǎng)腐蝕穿孔泄漏發(fā)生率逐年呈上升趨勢，是影響管網(wǎng)安全運行的主要危害之一[2]。
為了加強燃氣管網(wǎng)的腐蝕控制，有效防止電管道發(fā)生電化學腐蝕穿孔，提高管網(wǎng)運行的安全性，延長管道的使用壽命，原北京市天然氣公司于1997年行文規(guī)定：(1)所有新建高中壓天然氣鋼質(zhì)管道必須實施防腐層加陰極保護的“雙保護措施”;(2)在役高中壓鋼質(zhì)管道必須有計劃分步驟追加陰極保護。
北京市于1997年對所有新建高中壓約150km天然氣管道全部采取陰極保護措施，對中關村—王四營35km高壓管道進行陰極保護技術改造。1998年—2003年北京600多km新建天然氣高中壓管道全部采用涂層加陰極保護措施;對機場路、清河地區(qū)、西八里莊地區(qū)、西山地區(qū)、大興地區(qū)等中壓管道約260km進行陰極保護技術改造。
近十年來，原北京市公用局和現(xiàn)北京市燃氣集團的各級領導對燃氣管網(wǎng)采用先進的陰極保護技術給予高度重視和大力支持，使北京所用高壓和部分中壓燃氣管道應用了陰極保護技術，保護總長度達到1200余km。六年來，所有采用陰極保護的燃氣管道從未發(fā)生電化學腐蝕穿孔泄漏，為首都天然氣管網(wǎng)安全運行提供了可靠的保障，并節(jié)約了大量的搶修和維修費用，有效延長了管道的使用壽命，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。
3 陰極保護技術在城市燃氣管線中應用技術難點分析
陰極保護技術雖然是一種比較成熟的技術，但是由于城市地下管線縱橫交錯、電氣化程度高、雜散電流分布不均、土壤類型多樣、管道外防腐層種類多樣且性能各異，導致陰極保護技術在燃氣管道上應用存在一定的技術難度。其技術難點主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
3.1 陰極保護設計前期調(diào)研
根據(jù)陰極保護設計規(guī)范的要求，在設計前必須對管道沿線的土壤種類、土壤腐蝕性、地下水位、雜散電流的分布、管道自然電位等參數(shù)進行詳細的測試和分析。目前，大多數(shù)燃氣設計單位沒有防腐設計部門和防腐專業(yè)技術人員，使將陰極保護設計數(shù)據(jù)進行科學分析這項工作存在相當?shù)碾y度。
3.2 陰極保護方式的選擇
陰極保護方式有犧牲陽極保護法和外加電流保護法兩種形式。這兩種保護方式的選擇需要考慮到被保護的管道的涂層狀況、管道沿線土壤的腐蝕性、是否對相鄰地下管道或金屬構筑物構成破壞、陰極保護的經(jīng)濟性等因素。由于城市地下管道縱橫交錯，如果采用外加電流保護法，由于保護電流較大，所形成的電流回路會加速對未采用陰極保護的相鄰管道造成電化學腐蝕。另外，城市燃氣管網(wǎng)的建設是分期分批進行的，每次建設的距離十分有限，對每段都單建一個保護站也是十分不經(jīng)濟的。而犧牲陽極保護法對臨近管道影響較小，對短距離的管線來說非常經(jīng)濟，施工非常方便。因此，根據(jù)城市燃氣管網(wǎng)的建設特點并考慮到盡量減少對其他管道的影響，宜采用犧牲陽極法對其實施陰極保護。距城區(qū)較遠的長距離外環(huán)燃氣管道，在不影響其它周圍金屬構筑物的前提下，采用外加電流保護方式是可行的，也經(jīng)濟實用。
3.3 管道破損點的補口
安裝管道線、陽極和絕緣裝置時，必須對管道涂層進行破壞，使原有防腐涂層失去了連續(xù)性。如果補口材料、技術和工藝不過關，那么涂層破損處就是一個非常危險的腐蝕源。在選擇補口材料時，必須選用與原防腐層相容性極好的補傷材料，主要是補傷材料的里層與原防腐層的外層要有非常好的粘結(jié)力。補口技術和工藝是保證補口質(zhì)量的關鍵，一般施工現(xiàn)場的設備和環(huán)境不如工廠好，因此在實施前必須通過反復試驗確定補口方法和工藝流程。補口的防腐級別應在原涂層防腐級別的基礎上加強一級。
3.4 管道電絕緣的可靠性
在被保護管段和非保護管段或其他金屬構筑物必須實行電絕緣，主要目的是把保護電流限定在保護管段，避免不必要的電流漏失，保證管道電位達到規(guī)定的保護電位范圍;電絕緣措施也是抗雜散電流干擾的重要措施;電絕緣可防止電流進入危險區(qū)段，是重要的防爆安全保障措施之一;此外也為陰極保護系統(tǒng)分段檢修、尋找故障提供了管理維護的方便。
事實證明：“沒有絕緣就沒有陰極保護”。電絕緣的可靠性是決定陰極保護系統(tǒng)成敗的關鍵，”。十年前，北京市燃氣管道采用的電絕緣裝置主要是傳統(tǒng)的絕緣法蘭。由于絕緣法蘭在安裝過程中必須砌筑法蘭井，還需進行日常檢測維護、干燥處理，這對于城市埋地管線是非常麻煩和昂貴的。經(jīng)檢測，北京市燃氣管道上使用的幾十套絕緣法蘭都基本失去絕緣效果。據(jù)我們分析，其主要原因是：絕緣法蘭的絕緣材料外露，吸水膨脹后，絕緣性能逐步下降;絕緣法蘭絕緣點多，必須在現(xiàn)場安裝，只要一處失效，整個絕緣法蘭就導通，完全失去絕緣作用。因此，我公司不得不將失效的絕緣法蘭更換為直埋式絕緣接頭。
采用整體型直埋絕緣接頭可以十分簡單地解決上述所有問題。整體型直埋絕緣接頭在生產(chǎn)廠家預制好，兩端直接焊接在管道上即可;絕緣性能十分可靠;不需要砌法蘭井和日常檢測維護。
綜合國內(nèi)外絕緣接頭的各種性能指標進行比較，發(fā)現(xiàn)目前處于世界一流水平的是自放電免維護絕緣接頭。該產(chǎn)品的特點是：絕緣性能高;內(nèi)置防雷擊、防爆、防靜電聚集的放電火花間隙;種類多樣(管徑從D20～D2 500;溫度范圍-40℃～300℃);抗彎曲和防震性能好;使用壽命長(設計壽命50年)。這類產(chǎn)品在國外只有德國生產(chǎn)(獲歐洲專利)，在國內(nèi)，已由清華大學和北京永逸舒克防腐公司合作研發(fā)成功。高性能絕緣接頭實現(xiàn)國產(chǎn)化后，價格大幅度下降，供貨周期短，為城市燃氣管道普及陰極保護技術提供了良好的物質(zhì)基礎。
3.5 系統(tǒng)的調(diào)試
陰極保護系統(tǒng)在建設過程中利用絕緣接頭與非保護管道進行電隔絕而成為獨立的電保護系統(tǒng)。每個獨立的陰極保護系統(tǒng)在建成后必須由有經(jīng)驗的防腐工程師進行認真的檢測和調(diào)試。在調(diào)試過程中，注意察看恒電位儀、陽極等設備是否正常工作;保護電位是否達到設計要求; 檢測絕緣接頭兩側(cè)的電位，驗證絕緣接頭的效果; 通過繪制保護電位曲線圖，對異常部位要認真找出漏電原因，及時采取措施。
4 陰極保護系統(tǒng)的檢測和維護管理
由于城市燃氣管道實施陰極保護技術的歷史較短、數(shù)量較少、缺乏專業(yè)人才等原因，曾經(jīng)對陰極保護系統(tǒng)的日常管理維護工作一直被忽視。自改革開放以來，我國城市面貌日新月異，新建橋梁、改造道路等市政工程難免對陰極保護實施造成毀壞，嚴重影響保護效果甚至破壞系統(tǒng)。因此，燃氣管道陰極保護系統(tǒng)作為燃氣設施的一部分必須納入到日常運行管理，進行定期檢測和維修維護。
為了提高陰極保護檢測的準確性、降低勞動強度、提高管理水平，我國已開發(fā)出陰極保護現(xiàn)場自動采集設備、遙控遙測設備和計算機管理系統(tǒng)。該項技術為城市燃氣陰極保護的檢測、分析和管理提供了良好的基礎。
5 城市新建燃氣管網(wǎng)在陰極保護技術應用上的建議
根據(jù)建設部2003年11月頒布的城市燃氣設施防腐標準有關城市高中壓鋼質(zhì)燃氣管道和D200以上的鋼質(zhì)管道必須實施陰極保護措施的規(guī)定，可以預見陰極保護技術在城市燃氣行業(yè)將得到充分應用。我們作為多年從事防腐工作的專業(yè)技術人員，對該項工作提供以下建議，供燃氣行業(yè)的領導和同行參考。
(1)領導高度重視，技術人員積極參與。
(2)燃氣管道建設和陰極保護系統(tǒng)的建設要同步。
(3)在役燃氣鋼質(zhì)燃氣管道主干線應有計劃地分期分批追加陰極保護措施。
