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摘要：牺牲阳极阴极保护因不需要外加电源，施工方便，无需经常性维护管理，不干扰其他构筑物等优点而被广泛应用于城市燃气埋地钢质管道中。本文介绍了机场高速燃气主干管加装牺牲阳极阴极保护工程，分析了电化学腐蚀问题及原理，并从设计和施工环节详细阐述了牺牲阳极阴极保护的应用。
关键词：腐蚀；牺牲阳极；燃气主干管；设计
一、前言
城市燃气管网是城市燃气基础设施，负责千家万户的燃气供应输配，是城市不可缺少的基本能源供应，更是城市生存和发展的前提保障，因此燃气管网的安全稳定运行势必与城市的健康发展息息相关。
《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》CJJ95-2003发布之后，埋地钢管的腐蚀控制由防腐层防腐逐渐转变为防腐层与阴极保护结合的腐蚀控制。电化学腐蚀是目前埋地钢质管道区域性腐蚀的主要原因，在电化学反应中，阳极的钢管因失去电子而发生腐蚀。
阴极保护就是利用外加手段迫使电解质中被保护金属表面都成为阴极，以达到抑制腐蚀的目的[1]。阴极保护技术可分为牺牲阳极阴极保护法和外加电流阴极保护法。牺牲阳极阴极保护法因其安装维护费用低、干扰少、利用率高等优点而在城镇燃气埋地管网中广泛使用。
二、机场高速燃气主干管牺牲阳极的设计
（一）工程概况
本工程项目为南北走向DN400主干管，约17公里，路由大部分位于快速路的西侧绿化带处，并有部分过涌明管。管线于2002年建成并投用，全路段在设计施工时没有安装阴极保护。该路段因地势地貌改变，施工防腐层破损，环境潮湿等原因出现部分腐蚀漏气点，主要是放散管或凝水缸等防腐层相对薄弱的地方。
2012年对该全段管道进行全面的防腐层评估，发现有部分一类破损点及二类破损点，主要是位于凝水缸位置和放散管位置防腐情况比较差，但整体防腐层评价为良。
（二）牺牲阳极的种类选择
牺牲阳极是依靠阳极与被保护金属管道之间产生电位差而产生电流来达到阳极牺牲、阴极极化的效果。因牺牲阳极阴极保护不需要外加电源，施工方便，不会对周围构建筑物造成干扰，使用后无需维护，造价低利用率高等优点而在城市燃气管网中广泛利用。目前常用的阳极材料有镁与镁合金、锌、铝合金三大类。镁阳极适用于各种环境，尤其在土壤及淡水中性能最佳，其表面不容易极化，腐蚀产物比较容易脱落[2]。
根据经验[3]，土壤电阻率ρ=60-100时推荐使用高电位纯镁系或镁锰系阳极，ρ=15-60时推荐使用镁铝锌锰系镁阳极，ρ<15时推荐使用镁铝锌锰系镁阳极或锌合金阳极。该工程段平均土壤电阻率为35.12Ω.米，因此选择镁铝锌锰合金阳极。
（三）牺牲阳极电流密度的选择
影响阴极保护电流密度的因素主要有防腐层类别及质量、环境条件、被保护金属的种类等。不同类型因素的影响，牺牲阳极阴极保护电流密度的选择差异比较大[4]。该工程防腐采用的是三层PE防腐，根据实践得到的数据三层PE防腐的保护电流密度为0.1-0.2mA.m-2，考虑到该段管道已经投用12年，防腐层已经出现部分破损，埋地阀门的防腐性能较差等原因，选取保护电流密度为0.2mA.m-2。
（四）阳极包的安装数量
牺牲阳极包的安装数量可以直接根据经验公式计算，考虑理论与实际的差异，管网已经投用12年，备用系数选2.5，根据工程现状，选择阳极类型为14KG阳极，单支阳极保护电流通过土壤电阻率计算出为45.4 mA。
（五）牺牲阳极的设计使用寿命
牺牲阳极阴极保护系统的设计中，考虑到实际投用中的一些其他因素的消耗，因此应保证牺牲阳极的使用寿命与受保护管道的寿命相同或稍长。本工程因为已投用12年，但考虑采用的是防腐效果比较好的三层PE防腐，而且管道位于绿化带内，受其他干扰比较少，因此牺牲阳极的设计寿命考虑应≥25年。
三、机场高速燃气主干管牺牲阳极的施工
（一） 牺牲阳极的埋设
考虑本工程管道已投用12年，经检测存在较多的防腐层破损点，同时考虑到杂散电流的干扰，采取的是牺牲阳极床的设置。但是在实际的开挖施工中，因为开挖条件限制、管道埋深等原因，工作坑不能大面积开展，因此在部分区域实施按阳极包数量开挖工作坑，阳极包距离管道不少于1米，并用VV-1kV/1X10mm2铜芯电缆连接，通过去耦合器、测试桩与管道连接。
阳极包放入阳极坑后，对坑内浇水，浸泡水位超过阳极包，并浸泡24小时以上，以便彻底浸没阳极包。在开挖过程中发现有部分沙质等电阻率高的土壤，该土壤不能直接回填，另取黑土或黄土等电阻率小的细土回填，严禁砂石、水泥块、塑料等杂物回填。
（二）防腐层破损点的修复
2012年对该全段管道进行全面的防腐层评估，发现有破损点，主要集中位于凝水缸位置和放散管位置防腐情况比较差，但整体防腐层评价为良。凝水缸缸体以上部分有镀锌管的防腐，因地貌改变埋入地下，在原电池中形成阳极被优先腐蚀，因此也是造成多次多个凝水缸放散管腐蚀泄漏开挖的原因。本次加装牺牲阳极后这类破损点位置如果不采取保护，将是电流的泄漏点，可能造成阳极消耗过快，也可能因电流过大而造成阳极极化失效，同时由于电流的泄漏使部分管道得不到有效的保护。
管道防腐层破损点检测定位常用的间接检测方法有管内交流电流衰减发（PCM法）、直流电位梯度法（DCVG法）、皮尔逊法（Pearson法）。 该管道的检测使用的是PCM法和皮尔逊法相结合，并主要对防腐层的一类破损点采取开挖修复措施，并对其他破损点进行跟踪，定期维护修复。一类破损点：防腐层破损严重或破损面积较大，已经失去防腐作用，相当于管道裸露在土壤中。开挖修复主要的措施是废除放散管，并做好管道的防腐，防腐材料为无溶剂液体环氧涂料。无溶剂环氧涂料主要以改性环氧树脂作为主要成膜物，利用活性稀释增韧剂实现无溶剂化。赋予涂层良好的粘结力，能起到良好的涂层屏蔽作业和防腐作用。 （三）牺牲阳极的其他辅助设施
杂散电流的干扰。阳极包与去耦合器连接，去耦合器能安全有效的控制管道上交流故障电流或雷电流对埋地管道的影响，能够有效防止因杂散电流而发生的管道腐蚀，延长管道的使用寿命。同时，又能防止杂散电流在管道上汇集后对通信线路的干扰。
没有绝缘体就没有阴极保护。该主干管的支管段主要是PE管道，不会因为电流的泄漏而影响牺牲阳极的保护。该安装阴极保护的主干管两端阀门处，以及与另一主干管的连接阀门处都有绝缘接头，经过测试电绝缘性能良好，能有效保护牺牲阳极电流。
实践证明，绝缘接头处不宜安装接地电池，因为庞大的接地网会造成非保护侧接地电池的快速消耗，而且容易漏失电流造成牺牲阳极的大量消耗，因此考虑以上因素，在绝缘接头处通过跨接电缆以及设置避雷器保护绝缘接头。
四、结论分析
按照设计图纸要求完成全部施工作业后，对每个安装点进行了检测，具体检测数据如下：（表1）
各项检测数据都在正常保护范围内，说明该段管道的保护率达到100%，完全满足管线阴极保护的要求。保护电位和保护电流处于正常保护范围，说明该段管道的防腐层没有明显的破损情况。
该主干管加装牺牲阳极阴极保护后，阳极包选择、土壤的回填、电流的选择以及年限的设置等指数的运行情况将对现有燃气管网加装牺牲阳极阴极保护有极大的参考意义。
牺牲阳极安装后能有效控制现有的腐蚀，减缓现有燃气管道的腐蚀速率，从而有效减少因腐蚀泄漏而造成的开挖，降低管网运行风险及成本。
参考文献：
[1]张继超，宋祎昕，陈扬，苗文高.埋地燃气管道牺牲阳极阴极保护法的改进[C].重庆科技学院学报，2011，10：56-58.
[2]石宇煦.天然气管道牺牲阳极保护技术[J].上海燃气，2004，（01）：23-26.
[3]戴路.燃气输配工程施工技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2006，264-269.
[4]王亚平，康志刚，孙权，高鹏，李志，张燕.埋地钢质燃气管道牺牲阳极阴极保护设计[J]. 煤气与热力，2008，（01）：13-17.
[作者简介]钟凯（1981-），男，广东蕉岭人，硕士研究生，主要研究方向为管网运营管理。
关键词：腐蚀；牺牲阳极；燃气主干管；设计
一、前言
城市燃气管网是城市燃气基础设施，负责千家万户的燃气供应输配，是城市不可缺少的基本能源供应，更是城市生存和发展的前提保障，因此燃气管网的安全稳定运行势必与城市的健康发展息息相关。
《城镇燃气埋地钢质管道腐蚀控制技术规程》CJJ95-2003发布之后，埋地钢管的腐蚀控制由防腐层防腐逐渐转变为防腐层与阴极保护结合的腐蚀控制。电化学腐蚀是目前埋地钢质管道区域性腐蚀的主要原因，在电化学反应中，阳极的钢管因失去电子而发生腐蚀。
阴极保护就是利用外加手段迫使电解质中被保护金属表面都成为阴极，以达到抑制腐蚀的目的[1]。阴极保护技术可分为牺牲阳极阴极保护法和外加电流阴极保护法。牺牲阳极阴极保护法因其安装维护费用低、干扰少、利用率高等优点而在城镇燃气埋地管网中广泛使用。
二、机场高速燃气主干管牺牲阳极的设计
（一）工程概况
本工程项目为南北走向DN400主干管，约17公里，路由大部分位于快速路的西侧绿化带处，并有部分过涌明管。管线于2002年建成并投用，全路段在设计施工时没有安装阴极保护。该路段因地势地貌改变，施工防腐层破损，环境潮湿等原因出现部分腐蚀漏气点，主要是放散管或凝水缸等防腐层相对薄弱的地方。
2012年对该全段管道进行全面的防腐层评估，发现有部分一类破损点及二类破损点，主要是位于凝水缸位置和放散管位置防腐情况比较差，但整体防腐层评价为良。
（二）牺牲阳极的种类选择
牺牲阳极是依靠阳极与被保护金属管道之间产生电位差而产生电流来达到阳极牺牲、阴极极化的效果。因牺牲阳极阴极保护不需要外加电源，施工方便，不会对周围构建筑物造成干扰，使用后无需维护，造价低利用率高等优点而在城市燃气管网中广泛利用。目前常用的阳极材料有镁与镁合金、锌、铝合金三大类。镁阳极适用于各种环境，尤其在土壤及淡水中性能最佳，其表面不容易极化，腐蚀产物比较容易脱落[2]。
根据经验[3]，土壤电阻率ρ=60-100时推荐使用高电位纯镁系或镁锰系阳极，ρ=15-60时推荐使用镁铝锌锰系镁阳极，ρ<15时推荐使用镁铝锌锰系镁阳极或锌合金阳极。该工程段平均土壤电阻率为35.12Ω.米，因此选择镁铝锌锰合金阳极。
（三）牺牲阳极电流密度的选择
影响阴极保护电流密度的因素主要有防腐层类别及质量、环境条件、被保护金属的种类等。不同类型因素的影响，牺牲阳极阴极保护电流密度的选择差异比较大[4]。该工程防腐采用的是三层PE防腐，根据实践得到的数据三层PE防腐的保护电流密度为0.1-0.2mA.m-2，考虑到该段管道已经投用12年，防腐层已经出现部分破损，埋地阀门的防腐性能较差等原因，选取保护电流密度为0.2mA.m-2。
（四）阳极包的安装数量
牺牲阳极包的安装数量可以直接根据经验公式计算，考虑理论与实际的差异，管网已经投用12年，备用系数选2.5，根据工程现状，选择阳极类型为14KG阳极，单支阳极保护电流通过土壤电阻率计算出为45.4 mA。
（五）牺牲阳极的设计使用寿命
牺牲阳极阴极保护系统的设计中，考虑到实际投用中的一些其他因素的消耗，因此应保证牺牲阳极的使用寿命与受保护管道的寿命相同或稍长。本工程因为已投用12年，但考虑采用的是防腐效果比较好的三层PE防腐，而且管道位于绿化带内，受其他干扰比较少，因此牺牲阳极的设计寿命考虑应≥25年。
三、机场高速燃气主干管牺牲阳极的施工
（一） 牺牲阳极的埋设
考虑本工程管道已投用12年，经检测存在较多的防腐层破损点，同时考虑到杂散电流的干扰，采取的是牺牲阳极床的设置。但是在实际的开挖施工中，因为开挖条件限制、管道埋深等原因，工作坑不能大面积开展，因此在部分区域实施按阳极包数量开挖工作坑，阳极包距离管道不少于1米，并用VV-1kV/1X10mm2铜芯电缆连接，通过去耦合器、测试桩与管道连接。
阳极包放入阳极坑后，对坑内浇水，浸泡水位超过阳极包，并浸泡24小时以上，以便彻底浸没阳极包。在开挖过程中发现有部分沙质等电阻率高的土壤，该土壤不能直接回填，另取黑土或黄土等电阻率小的细土回填，严禁砂石、水泥块、塑料等杂物回填。
（二）防腐层破损点的修复
2012年对该全段管道进行全面的防腐层评估，发现有破损点，主要集中位于凝水缸位置和放散管位置防腐情况比较差，但整体防腐层评价为良。凝水缸缸体以上部分有镀锌管的防腐，因地貌改变埋入地下，在原电池中形成阳极被优先腐蚀，因此也是造成多次多个凝水缸放散管腐蚀泄漏开挖的原因。本次加装牺牲阳极后这类破损点位置如果不采取保护，将是电流的泄漏点，可能造成阳极消耗过快，也可能因电流过大而造成阳极极化失效，同时由于电流的泄漏使部分管道得不到有效的保护。
管道防腐层破损点检测定位常用的间接检测方法有管内交流电流衰减发（PCM法）、直流电位梯度法（DCVG法）、皮尔逊法（Pearson法）。 该管道的检测使用的是PCM法和皮尔逊法相结合，并主要对防腐层的一类破损点采取开挖修复措施，并对其他破损点进行跟踪，定期维护修复。一类破损点：防腐层破损严重或破损面积较大，已经失去防腐作用，相当于管道裸露在土壤中。开挖修复主要的措施是废除放散管，并做好管道的防腐，防腐材料为无溶剂液体环氧涂料。无溶剂环氧涂料主要以改性环氧树脂作为主要成膜物，利用活性稀释增韧剂实现无溶剂化。赋予涂层良好的粘结力，能起到良好的涂层屏蔽作业和防腐作用。 （三）牺牲阳极的其他辅助设施
杂散电流的干扰。阳极包与去耦合器连接，去耦合器能安全有效的控制管道上交流故障电流或雷电流对埋地管道的影响，能够有效防止因杂散电流而发生的管道腐蚀，延长管道的使用寿命。同时，又能防止杂散电流在管道上汇集后对通信线路的干扰。
没有绝缘体就没有阴极保护。该主干管的支管段主要是PE管道，不会因为电流的泄漏而影响牺牲阳极的保护。该安装阴极保护的主干管两端阀门处，以及与另一主干管的连接阀门处都有绝缘接头，经过测试电绝缘性能良好，能有效保护牺牲阳极电流。
实践证明，绝缘接头处不宜安装接地电池，因为庞大的接地网会造成非保护侧接地电池的快速消耗，而且容易漏失电流造成牺牲阳极的大量消耗，因此考虑以上因素，在绝缘接头处通过跨接电缆以及设置避雷器保护绝缘接头。
四、结论分析
按照设计图纸要求完成全部施工作业后，对每个安装点进行了检测，具体检测数据如下：（表1）
各项检测数据都在正常保护范围内，说明该段管道的保护率达到100%，完全满足管线阴极保护的要求。保护电位和保护电流处于正常保护范围，说明该段管道的防腐层没有明显的破损情况。
该主干管加装牺牲阳极阴极保护后，阳极包选择、土壤的回填、电流的选择以及年限的设置等指数的运行情况将对现有燃气管网加装牺牲阳极阴极保护有极大的参考意义。
牺牲阳极安装后能有效控制现有的腐蚀，减缓现有燃气管道的腐蚀速率，从而有效减少因腐蚀泄漏而造成的开挖，降低管网运行风险及成本。
参考文献：
[1]张继超，宋祎昕，陈扬，苗文高.埋地燃气管道牺牲阳极阴极保护法的改进[C].重庆科技学院学报，2011，10：56-58.
[2]石宇煦.天然气管道牺牲阳极保护技术[J].上海燃气，2004，（01）：23-26.
[3]戴路.燃气输配工程施工技术[M].北京：中国建筑工业出版社，2006，264-269.
[4]王亚平，康志刚，孙权，高鹏，李志，张燕.埋地钢质燃气管道牺牲阳极阴极保护设计[J]. 煤气与热力，2008，（01）：13-17.
[作者简介]钟凯（1981-），男，广东蕉岭人，硕士研究生，主要研究方向为管网运营管理。