CN101696758B - 非开挖施工大口径管道腐蚀控制方法 - Google Patents

Abstract

非开挖施工大口径管道腐蚀控制方法，采用管道外壁涂层防护+牺牲阳极阴极保护的联合防腐蚀方案进行管道腐蚀控制；所述管道外壁涂层的关键防护性能要求达到相应指标；所述阴极保护是在管道上，以非开挖方式安装阴极保护系统馈电装置(113)，然后借助于馈电装置(113)在非开挖施工大口径管线(1)附近埋设与非开挖施工大口径管线(1)电连接的牺牲阳极保护装置(3)，对管外壁进行腐蚀控制的方式。本发明利用所述的馈电装置113，电连接各种检测设备，便于进行阴极保护装置的布设、替换。本发明与相关的非开挖施工大口径顶管施工技术内容是一个整体，全套技术具有突出的创新性，具有可预见的巨大的经济价值和社会价值。

Description

非开挖施工大口径管道腐蚀控制方法

技术领域

本发明涉及金属管道防腐蚀保护技术，特别提供了一种非开挖施工大口径管道腐蚀控制方法。 

背景技术

传统的大口径管道腐蚀控制方法有以下两大类： 

隔离金属管道与腐蚀环境，例如在金属管道外部涂镀具有防腐蚀作用的涂层；采用电化学防腐的方法进行防腐蚀处理，例如安装牺牲阳极装置。 

因此，人们迫切希望获得一种技术效果更好的针对金属质地的管道(尤其是顶管施工的管道)外壁的腐蚀控制方法。 

发明内容

本发明的目的是提供一种技术效果更好的非开挖施工大口径管道腐蚀控制方法。 

本发明具体提供了一种非开挖施工大口径管道腐蚀控制方法，其特征在于： 

采用管道外壁涂层防护+牺牲阳极阴极保护的联合防腐蚀方案进行管道腐蚀控制； 

——采用GB/T 18593-2001、SY/T 0315-2005标准进行测试，所述管道外壁涂层的关键防护性能要求达到如下指标： 

涂层的抗水渗透性：在蒸馏水中60℃条件下浸泡30天，涂层增重率≤3％； 

涂层的附着力：95℃条件下，浸泡30天，涂层的附着力达到1级； 

涂层的粘结强度≥70Mpa； 

涂层的阴极剥离要求：在-1.5V、65℃条件下，2天，剥离量≤3.5mm； 

断面孔隙率：1～2级； 

界面孔隙率：1～2级； 

——所述阴极保护是在非开挖施工大口径管线1上预先施工安装馈电装置113，然后借助于馈电装置113在非开挖施工大口径管线1附近埋设与非开挖施工大口径管线1电连接的牺牲阳极保护装置3，对管外壁进行保护的方式。 

在所述大口径管道非开挖式施工(尤其是顶管施工)过程中，要求将各段管道1端部一段清理掉保护涂层，然后将各段管子之间进行焊接固定和密封，再之后还要求进行焊接之后的补口操作； 

对所述管道外壁焊接部位进行补口操作的要求具体是：首先清理焊接后未覆盖涂层部位及其附近的残留物，之后在管道外部的焊接部位及其附近重新涂覆保护涂层，使得各段管子共同形成一个外部设置有连续防护涂层的整体。 

所述的借助于馈电装置113电连接在非开挖施工大口径管线1上的牺牲阳极保护装置3布置在地表或者地下，其具体结构如下： 

其整体形状为棒状，其芯部最内层是能够进行电连接的金属材质的支撑连接部301，所述支撑连接部301的一端以电连接形式通过馈电装置113连接在非开挖施工大口径管线1上，其另一端和支撑连接部301的表面被牺牲阳极部302覆盖；牺牲阳极保护装置3的牺牲阳极部302包裹在填料包303内。 

所述的借助于馈电装置113电连接在非开挖施工大口径管线1上的牺牲阳极保护装置3布置在地表或者地下，其具体结构如下： 

其整体形状为棒状，其芯部最内层是能够进行电连接的金属材质的支撑连接部301，所述支撑连接部301的一端以电连接形式通过馈电装置113连接在非开挖施工大口径管线1上，其另一端和支撑连接部301的表面被牺牲阳极部302覆盖；牺牲阳极保护装置3的牺牲阳极部302包裹在填料包303内，所述填料包303使用糊状牺牲阳极添包料制作用以包裹牺牲阳极保护装置3中牺牲阳极部302，所述糊状牺牲阳极添包料的质量百分比组成为石膏粉∶工业硫酸钠∶膨润土＝75∶5∶20。 

所述非开挖施工大口径管道腐蚀控制方法中，使用牺牲阳极保护装置3按照下述原则进行设计和选用： 

依据以下过程，对于选择阳极不合格时，需重新选择，反复计算，直到获得满意的结果。满足图6的要求： 

具体计算过程为： 

1)保护面积计算：对于圆形管道，管线面积：A_c＝π×D×L，式中：D为管道直径，L为管长度； 

2)需要的保护电流：I_ci＝i_c×A_c×f_ci，I_cm＝i_c×A_c×f_cm，I_cf＝i_c×A_c×f_cf；其中：i_c为保护电流密度，与土壤的成分、温度、管道的材质有关；I_ci，I_cm，I_cf分别为初始、平均和末期的保护电流密度需要；f_ci，f_cm，f_cf分别为初始、平均和末期的保护涂层破损率；

3)阳极总质量按照下式计算： 

式中，t_f为阴极保护设计寿命，a；μ为牺牲电极效率，％；ε为阳极电容量，Ah/Kg； 

4)阳极数量的计算： 

单支阳极的接地电阻使用下述两式计算： 

$R_H=\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\πL}}(\ln \frac{2L}{D}+\ln \frac{L}{2t}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_a}{\mathrm{\ρ}}\ln \frac{D}{d})$

$R_V=\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\πL}}(\ln \frac{2L_a}{D}+\frac{1}{2}\ln \frac{4t+L_a}{4t-L}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_a}{\mathrm{\ρ}}\ln \frac{D}{d})$

式中：R_H为水平式阳极接地电阻，单位Ω；R_V为立式阳极接地电阻，单位Ω；p为土壤电阻率，单位Ω.m；p_a为填包料电阻率，单位Ω.m；L为阳极长度，单位m；L_a为阳极填料层长度，单位m；d为阳极等效直径，单位m；D为填料层直径，单位m；t为阳极中心至地面的距离，单位m； 

组合阳极接地电阻按照下式计算： 式中：R_tal为阳极组总接地电阻，单位Ω；R_V为立式阳极接地电阻，单位Ω；k为修正系数；N为阳极数量； 

单支阳极输出电流： 

式中：I_a为单支阳极输出电流；ΔE为阳极有效电位差；R为回路总电阻； 

所需要阳极数量： 

式中：N为阳极的数量；I_A为所需保护 电流；I_a为单支阳极输出电流；f为备用系数； 

5)验算：在计算得到结果后，需进行验算，按照挪威标准，需同时满足以下三个条件，才能保证牺牲阳极在服役初期、中期和末期满足阴极保护的要求： 

①C_a(tot)＝N·C_a＞I_cm·t_f·8760；②I_ai(tot)＝N·I_ci＞I_ci；③I_af(tot)＝N·I_af＞I_cf；式中：C_a(tot)为阳极总容量，I_ci为初始需要的总电流；I_cf为末期需要的总电流。 

本发明所述牺牲阳极保护装置3具体安装布置在距离非开挖施工大口径管线1相对较远处，其具体为牺牲镁阳极或/和牺牲锌阳极；其沿非开挖施工大口径管线1单独或者成组布置，布置间距为50～5000米。 

为保证施工效果，需要在施工期间测量土壤腐蚀性和阴极保护的各项参数： 

测试的项目包括：土壤电阻率、管/地自然电位、牺牲阳极接地电阻、牺牲阳极开路电位、牺牲阳极发生电流、保护电位和阳极平均发射电流； 

在施工期间测量土壤腐蚀性和阴极保护的各项参数之前首先安装监测系统，所述电位测试桩安装要求具体为：在试验段中可以取其中部分牺牲阳极保护装置3为研究对象，首先将牺牲阳极的连接电缆和馈电装置113连接到测试桩内的阳极测试端子上，参比电极测试端子也引入测试桩内； 

参比电极选用长久性硫酸铜1参比电极；参比电极的埋设位置为管道的正上方，在水平方向距离厚壁管的距离为3米，在竖直方向距离主管道1～2米； 

另外，在第一组和第二组阳极中间处以及第四组和第五组阳极的中间 处各加入一个测试桩，以检查距离阳极组最远处的保护电位；测试桩内含有阴极测试端子和参比电极端子，因此需从主管道各顶出一根厚壁管作为馈电使用，参比电极安放位置与供给牺牲阳极组的参比电极相同； 

测试桩桩体由水泥制成，按设定的频率进行人工测量，以了解和掌握阴极保护效果。 

在施工期间测量土壤腐蚀性和阴极保护的各项参数的具体操作要求为： 

土壤电阻率：土壤电阻率是测试项目中最先测量的参数，具体采用ZC-8接地电阻测量仪(量程0～1～10～100Ω)测量，采用四电极等距法进行； 

管/地自然电位测试：在牺牲阳极连接之前进行测试，采用数字式电压表，用地表测量和近管道测量方法；地表测试为将参比电极放在管道顶部上方地表潮湿土壤上，保证参比电极与土壤电接触良好；近管道的测试在利用管道上方较近距离的参比电极进行测试；对比两者的差别，以此结果为参照，进行全程地表测量，每间隔20米测量一次； 

牺牲阳极接地电阻：牺牲阳极接地电阻采用量程0～1～10～100Ω的ZC-8接地电阻测量仪测量；测量牺牲阳极接地电阻之前，将阳极与管道断开；在每个阳极安装后都要测量接地电阻，如果土壤环境发生变化，则要补测； 

牺牲阳极开路电位：埋好阳极后，用数字万用表连接阳极和参比电极，参比电极尽可能靠近阳极； 

牺牲阳极发生电流：采用标准电阻法进行测试； 

保护电位的测试：阴极保护工程完成后，对整个管线，进行保护电位的全程测量；具体用地表测量和近管道测量方法，对比结果，并以此为参照，用地表方法进行全程测量。测试结果整理归档。首次测量应在全部牺牲阳极接通管道24内，然后分别在48小时、96小时、1星期、两星期及1个月后进行保护电位的测试。如有异常现象出现则要增加测试。 

管线正常运行后，可按设定的频率对各处电位测试桩进行定期测量，以了解和掌握全线的阴极保护效果；数据也可输入计算机与远程综合监测系统的数据进行类比分析，进而得更丰富的评估数据； 

用以计算阳极寿命的牺牲阳极平均发射电流：通过测试桩内的采样电阻获得，用于评估阳极工作情况和计算阳极使用寿命。 

附图说明

下面结合附图及实施方式对本发明作进一步详细的说明： 

图1为设置有牺牲阳极保护装置3的管内施工阴极保护系统示意图，图中，我们利用在管道1上是成对设置的注浆孔，在注浆孔上成对安装基本为轴对称的牺牲阳极保护装置3；局部杂散电流处理方案原理图； 

图2为图1的A处局部放大图； 

图3为牺牲阳极保护装置3基本结构图，用于杂散电流处理； 

图4为大口径管线非开挖施工馈电装置结构示意图； 

图5为牺牲阳极保护装置布置简要流程； 

图6工程土质情况分布示意图； 

图7为1.5米钢管安装布置图； 

图8为159mm钢管安装布置图； 

图9为加入裸露钢板后的布置图； 

图10为保护电位与保护距离的关系图。 

具体实施方式

本发明所述附图中的各个数字标号的含义如下： 

非开挖施工大口径管线1、牺牲阳极保护装置3、支撑连接部301、牺牲阳极部302、绝缘套4、堵头6、馈电装置113具体包含有下述两大部分：内层的馈电装置钢芯111、外层的馈电装置防腐蚀保护外涂层110，用于将馈电装置113安装在非开挖施工大口径管线上的安装座112； 

带法兰的套管114、导向密封装置115、支杆116、夹板阀117、防爆电机119、合金钻头120、钻杆121；馈电装置113、液压千斤顶118。 

实施例1 

一种非开挖施工大口径管道腐蚀控制方法，其特征在于： 

采用管道外壁涂层防护+牺牲阳极阴极保护的联合防腐蚀方案进行管道腐蚀控制； 

——采用GB/T 18593-2001、SY/T 0315-2005标准进行测试，所述管道外壁涂层的关键防护性能要求达到如下指标： 

涂层的抗水渗透性：在蒸馏水中60℃条件下浸泡30天，涂层增重率≤3％；涂层的附着力：95℃条件下，浸泡30天，涂层的附着力达到1级；涂层的粘结强度≥70Mpa；涂层的阴极剥离要求：在-1.5V、65℃条件下，2 天，剥离量≤3.5mm；断面孔隙率：1～2级；界面孔隙率：1～2级； 

——所述阴极保护是在管道上预先施工安装馈电装置113，然后借助于馈电装置113在非开挖施工大口径管线1附近埋设与非开挖施工大口径管线1电连接的牺牲阳极保护装置3，对管外壁进行保护的方式。 

在所述非开挖式大口径管道顶管施工过程中，要求将各段管道1端部一段清理掉保护涂层，然后将各段管子之间进行焊接固定和密封，再之后还要求进行焊接之后的补口操作； 

对所述管道外壁焊接部位进行补口操作的要求具体是：首先清理焊接后未覆盖涂层部位及其附近的残留物，之后在管道外部的焊接部位及其附近重新涂覆保护涂层，使得各段管子共同形成一个外部设置有连续防护涂层的整体。 

所述的借助于馈电装置113电连接在非开挖施工大口径管线1上的牺牲阳极保护装置3布置在地表或者地下，其具体结构如下： 

其整体形状为棒状，其芯部最内层是能够进行电连接的金属材质的支撑连接部301，所述支撑连接部301的一端以电连接形式通过馈电装置113连接在非开挖施工大口径管线1上，其另一端和支撑连接部301的表面被牺牲阳极部302覆盖；牺牲阳极保护装置3的牺牲阳极部302包裹在填料包303内。 

所述的借助于馈电装置113电连接在非开挖施工大口径管线1上的牺 牲阳极保护装置3布置在地表或者地下，其具体结构如下： 

其整体形状为棒状，其芯部最内层是能够进行电连接的金属材质的支撑连接部301，所述支撑连接部301的一端以电连接形式通过馈电装置113连接在非开挖施工大口径管线1上，其另一端和支撑连接部301的表面被牺牲阳极部302覆盖；牺牲阳极保护装置3的牺牲阳极部302包裹在填料包303内，所述填料包303使用糊状牺牲阳极添包料制作用以包裹牺牲阳极保护装置3中牺牲阳极部302，所述糊状牺牲阳极添包料的质量百分比组成为石膏粉∶工业硫酸钠∶膨润土＝75∶5∶20。 

所述非开挖施工大口径管道腐蚀控制方法中，使用牺牲阳极保护装置3按照下述原则进行设计和选用： 

依据以下过程，对于选择阳极不合格时，需重新选择，反复计算，直到获得满意的结果。满足图6的要求： 

具体计算过程为： 

1)保护面积计算：对于圆形管道，管线面积：A_c＝π×D×L，式中：D为管道直径，L为管长度； 

2)需要的保护电流：I_ci＝i_c×A_c×f_ci，I_cm＝i_c×A_c×f_cm，I_cf＝i_c×A_c×f_cf；其中：i_c为保护电流密度，与土壤的成分、温度、管道的材质有关；I_ci，I_cm，I_cf分别为初始、平均和末期的保护电流密度需要；f_ci，f_cm，f_cf分别为初始、平均和末期的保护涂层破损率； 

3)阳极总质量按照下式计算： 

$M_a=\frac{I_{\mathrm{cm}}\×t_f\×8760}{\mathrm{\μ}\×\mathrm{\ϵ}},$ 式中，t_f为阴极保护设计寿命，a；μ为牺牲电极效率，％；ε为阳极电容量，Ah/Kg； 

4)阳极数量的计算： 

$R_H=\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\πL}}(\ln \frac{2L}{D}+\ln \frac{L}{2t}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_a}{\mathrm{\ρ}}\ln \frac{D}{d})$

$R_V=\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\πL}}(\ln \frac{2L_a}{D}+\frac{1}{2}\ln \frac{4t+L_a}{4t-L}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_a}{\mathrm{\ρ}}\ln \frac{D}{d})$

式中：R_H为水平式阳极接地电阻，单位Ω；R_V为立式阳极接地电阻，单位Ω；p为土壤电阻率，单位Ω.m；p_a为填包料电阻率，单位Ω.m；L为阳极长度，单位m；L_a为阳极填料层长度，单位m；d为阳极等效直径，单位m；D为填料层直径，单位m；t为阳极中心至地面的距离，单位m； 

组合阳极接地电阻按照下式计算： 

式中：R_tal为阳极组总接地电阻，单位Ω；R_V为立式阳极接地电阻，单位Ω；k为修正系数；N为阳极数量； 

单支阳极输出电流： 式中：I_a为单支阳极输出电流；ΔE为阳极有效电位差；R为回路总电阻； 

所需要阳极数量： 

式中：N为阳极的数量；I_A为所需保护电流；I_a为单支阳极输出电流；f为备用系数； 

5).验算：在计算得到结果后，需进行验算，按照挪威标准，需同时满足以下三个条件，才能保证牺牲阳极在服役初期、中期和末期满足阴极保护的要求： 

①C_a(tot)＝N·C_a＞I_cm·t_f·8760；②I_ai(tot)＝N·I_ai＞I_ci；③I_af(tot)＝N·I_af＞I_cf；式中：C_a(tot)为阳极总容量，I_ci为初始需要的总电流；I_cf为末期需要的总电流。 

本实施例所述牺牲阳极保护装置3具体安装布置在距离非开挖施工大口径管线1相对较远处，其具体为牺牲镁阳极或/和牺牲锌阳极；其沿非开挖施工大口径管线1单独或者成组布置，布置间距为50～5000米。 

为保证施工效果，需要在施工期间测量土壤腐蚀性和阴极保护的各项参数： 

测试的项目包括：土壤电阻率、管/地自然电位、牺牲阳极接地电阻、牺牲阳极开路电位、牺牲阳极发生电流、保护电位和阳极平均发射电流； 

在施工期间测量土壤腐蚀性和阴极保护的各项参数之前首先安装监测系统，所述电位测试桩安装要求具体为：在试验段中可以取其中部分牺牲阳极保护装置3为研究对象，首先将牺牲阳极的连接电缆和馈电装置113连接到测试桩内的阳极测试端子上，参比电极测试端子也引入测试桩内； 

参比电极选用长久性硫酸铜参比电极；参比电极的埋设位置为管道的正上方，在水平方向距离厚壁管的距离为3米，在竖直方向距离主管道1～2米； 

另外，在第一组和第二组阳极中间处以及第四组和第五组阳极的中间处各加入一个测试桩，以检查距离阳极组最远处的保护电位；测试桩内含有阴极测试端子和参比电极端子，因此需从主管道各顶出一根厚壁管作为馈电使用，参比电极安放位置与供给牺牲阳极组的参比电极相同； 

测试桩桩体由水泥制成，按设定的频率进行人工测量，以了解和掌握阴极保护效果。 

在施工期间测量土壤腐蚀性和阴极保护的各项参数的具体操作要求为： 

土壤电阻率：土壤电阻率是测试项目中最先测量的参数，具体采用ZC-8接地电阻测量仪(量程0～1～10～100Ω)测量，采用四电极等距法进行； 

管/地自然电位测试：在牺牲阳极连接之前进行测试，采用数字式电压表，用地表测量和近管道测量方法；地表测试为将参比电极放在管道顶部上方地表潮湿土壤上，保证参比电极与土壤电接触良好；近管道的测试在利用管道上方较近距离的参比电极进行测试；对比两者的差别，以此结果为参照，进行全程地表测量，每间隔20米测量一次； 

牺牲阳极接地电阻：牺牲阳极接地电阻采用量程0～1～10～100Ω的ZC-8接地电阻测量仪测量；测量牺牲阳极接地电阻之前，将阳极与管道断开；在每个阳极安装后都要测量接地电阻，如果土壤环境发生变化，则要补测； 

牺牲阳极开路电位：埋好阳极后，用数字万用表连接阳极和参比电极，参比电极尽可能靠近阳极； 

牺牲阳极发生电流：采用标准电阻法进行测试； 

保护电位的测试：阴极保护工程完成后，对整个管线，进行保护电位的全程测量；具体用地表测量和近管道测量方法，对比结果，并以此为参照，用地表方法进行全程测量。测试结果整理归档。首次测量应在全部牺牲阳极接通管道24内，然后分别在48小时、96小时、1星期、两星期及 1个月后进行保护电位的测试。如有异常现象出现则要增加测试。 

管线正常运行后，可按设定的频率对各处电位测试桩进行定期测量，以了解和掌握全线的阴极保护效果；数据也可输入计算机与远程综合监测系统的数据进行类比分析，进而得更丰富的评估数据； 

用以计算阳极寿命的牺牲阳极平均发射电流：通过测试桩内的采样电阻获得，用于评估阳极工作情况和计算阳极使用寿命。 

实施例2 

本实施例与实施例1的内容基本相同，其不同之处主要在于： 

1)本实施例为某项顶管工程中，J22号(井中心坐标X＝3616.29，Y＝14627.500)井至J23号井(井中心坐标X＝2813.290，Y＝14627.500)，全长804.42m，采用两根DN3600钢管顶进施工。 

顶管工作井分别采用地下连续墙及钢筋砼内衬施工，内净尺寸为13m×13m和16m×14.8m。 

顶管全线采用2根DN3600钢管，钢管内径3600mm，壁厚为34mm，外径为3668mm，钢管采用Q235B钢板直缝埋弧焊制作。两根钢管中心距离7.2m。钢管焊缝质量等级为二级，按20％进行超声波检测。水压试验压力为1.30MPa。各顶管段情况见表1。 

表1 

井位

长度   (m)

地面   标高

管中心   标高

顶进坡   度‰

管顶覆土   (m)

备注

J22～   J23

804.42   ×2

5～   4.3

-9.5

0

12.7～12

穿越金海路、   新金桥路

[0120] 钢管外防腐由供管单位负责完成，内防腐在顶管结束后一起施工。内防腐采用水泥砂浆衬里，管道表面处理和内衬厚度、工艺应符合《埋地給水钢管道水泥砂浆衬里技术标准》的规定，在顶管完成后采用离心浇注工艺施工。 

本实施例基于下述技术背景： 

工程土质情况：根据地质资料可知：本工程自上而下土层分别为： 

第①1层灰黄～杂色填土，层底标高2.46m，厚度2.54m。系近期人工堆填，以粘性土为主，夹少量植物根茎、碎砖及小石子等，局部地段表层为现有路面，土质松散且不均匀。 

第②1层褐黄～灰黄色粉质粘土，层底标高0.96m，厚度1.50m。含少量氧化铁斑点和铁锰质结核，夹粘土，局部夹少量粉性土，呈可塑～软塑状态，土质自上而下逐渐变软且不均匀，该层在场地沿线普遍分布，在暗浜区域及填土较厚地段缺失。 

第③1层灰色淤泥质粉质粘土，上层层底标高-2.04m，厚度3.00m；下层层底标高-7.94m，厚度4.40m。含云母、有机质条纹，夹少量淤泥质粘土及粉质粘土，局部地段夹多量粉性土，呈流塑状态，土质不均匀。管道沿线土性有一定变化。 

第③1夹层灰色粘质粉土，层底标高-3.54m，厚度1.50m。含云母、有机质条纹及少量贝壳碎屑，局部以砂质粉土为主，夹少量粉砂及薄层粘性土，呈松散状态，土质不均匀，管道沿线土性有变化，层面埋深有起伏。 

5)第④层灰色淤泥质粘土，层底标高-12.54m，厚度4.60m。含云母、有机质条纹及贝壳碎屑，夹薄层粉砂，局部夹少量淤泥质粉质粘土，土质 较均匀。 

第⑤1-1层灰色粘土，层底标高-19.44m，厚度6.90m。含云母、有机质条纹及贝壳碎屑，夹薄层粉砂及少量粉质粘土、淤泥质粘土，土质较均匀。 

第⑤1-2层灰色粉质粘土，层底标高-22.04m，厚度2.60m。含云母、有机质条纹及贝壳碎屑，夹薄层粉砂及少量粘土。 

第⑥层暗绿～草黄色粉质粘土，层底标高-25.04m，厚度3.00m。含氧化铁斑点、铁锰质结核及有机质条纹，层底夹少量粉性土，呈硬塑～可塑状态。管道沿线层面有一定变化。 

第⑦1层草黄色砂质粉土，含云母、氧化铁条纹，夹粘质粉土及少量粉砂、薄层粘性土，呈中密状态，土质不均匀。 

第⑦2层草黄～灰黄色粉细砂，颗粒成分以长石、石英、云母等为主，土质致密且不均匀，局部夹薄层砂质粉土。 

各土层地层特性见附表1：“地层特性表”。各土层参数见附表2：“土层物理力学性质参数表”。本工程顶管主要穿越③1灰色淤泥质粉质粘土及④灰色淤泥质粘土。该顶管段穿越土层情况见图7。 

地下水：某地年平均高地下水埋深为地表面下0.5m，低地下水埋深为地表面下1.5m。(设计可根据安全需要选择合适的地下水位埋深。地下水的温度，在埋深4m范围内受气温变化影响，4m以下水温较稳定，一般为16～18℃。) 

管线情况：顶管施工的管线附近设置有煤气、氮气、电信、给水、污 水等管线。 

障碍物情况：顶管沿线必须穿越、金海路、新金桥路，阴极保护施工时必须严格控制施工位置，保证上述路段不遭损坏。 

工程主要特点：青草沙水源地源水工程严桥支线C5标顶管工程采用大管径，紧密型埋设，即管与管之间的距离较短。易产生屏蔽效应。同时，管道处于繁华大都市，地下及地表其他构件较多，相互干扰可能性大。在组织阴极保护施工时，需特别注意相互干扰的问题。 

另外，地表建筑已成型，阴极保护采用地面施工时，应选择有效破土方式及恢复手段。 

实施大口径顶管阴极保护需解决的问题： 

首先，需明确适合大口径顶管阴极保护的方式，即牺牲阳极还是强制电流。对于此次埋地较深、且有良好涂层保护的管道来讲，牺牲阳极是好的选择，维护费用低且避免了杂散电流。一般认为，强制电流的优点体现在长距离的管线上。但从实际应用效果看，强制电流在开始阶段效率很高，其经济成本小于牺牲阳极，但随着时间的延长，其效率逐渐降低，而牺牲阳极的效率却能保持很高。因此强制电流应当应用在需要较大电流的体系中，但这对技术含量要求较高，特别对于此次埋地较深，且需要长期使用的工程。对于当前用高性能熔融结合环氧粉末涂层防护的管线来讲，需要的防护电流很小，不需要采用强制电流。另外，在现代城市地区，埋地管线越来越密集，杂散电流可能给周围煤气、电信、光纤及给排水管道带来杂散电流的危害。因此，对于此次的顶管工程，宜选择牺牲阳极的阴极保护方式。 

针对输水管线阴极保护屏蔽问题的试验：输水管线为两条直径3.6米的管线，双线中线之间的距离为7.2米，埋地约20米。这种埋地方式较少见，管径大，距离近，两条管道是否对彼此的阴极保护产生屏蔽需要考虑。为此，进行相应的试验，考查近距离双线管道对阴极保护的影响。 

试验方法：选择较大管径的以及较大长径比的两种并排管线进行埋地试验，测量在镁阳极保护下涂敷SEBF涂层管的保护电位，选取不同的测量点，比较没有屏蔽和屏蔽最大处的保护电位差异，以此判断管线屏蔽作用。为上海青草沙输水管线阴极保护设计提供技术支持。下面分别给出针对完好涂层和有破损的涂层进行试验设计条件和试验结果。 

试验条件： 

1、试验场地：选取沈阳郊外土壤环境，土质较细，结构密实，夏季土壤电阻率为15欧姆.米，试验阶段在距离地表有300～400mm厚冻土层，冻土层较疏松，4米土壤电阻率约为30欧姆.米。 

2、管道：选取直径1.5米，长1.9米钢管两个，另选取直径159mm，长3000mm的钢管两根。涂敷SEBF涂层，涂层厚度0.6mm，经电火花检测无漏点。 

3、牺牲阳极：选用镁合金阳极，用于直径1.5米钢管的，尺寸为Φ*L＝32*200mm；用于直径159mm钢管的，尺寸为Φ*L＝32*60mm；制成阳极包，阳极包尺寸约为Φ*L＝50*250mm和Φ*L＝50*80mm，阳极包使用前浸泡24小时以上。 

4、参比电极：选用埋地用硫酸铜参比电极，参比电极使用前进行校验。此次选用的参比电极为全固态类型，对于用于直径159mm钢管使用的 参比电极的，使用绝缘收缩带和防水胶布包裹陶瓷体，只留直径2～3mm大小的测量点，将饱和硫酸铜溶液与现场的土搅匀成粘浆，以此粘浆封参比电极的测量点。安装时将参比电极测量点靠近钢管的测试位置。 

安装布局：直径1.5米两管并排埋设，埋设深度为管顶距离地表0.8米，见图8，两管中线之间距离为3米，选用距离管中心距离不同的三只阳极，三只参比电极R1，R2，R3分别靠近远阳极点、近阳极点及管顶。 

对于直径159mm钢管，分别安放三只阳极于管的两侧。参比电极列于管的内侧、管顶和管底。试验结果：以下各表格分别给出完好涂层和有模拟有破损涂层条件下的试验结果 

表2直径1.5米管的试验结果 

表3直径159mm管1的试验结果 

表4直径159mm管2的试验结果 

完好涂层保护下的钢管：表2、3、4给出钢管各个测试点的自然电位、单独接牺牲阳极时的保护电位。从保护电位的结果看，各测试点的值差别很小，两个钢管之间屏蔽作用很弱。 

模拟有破损涂层保护下的钢管：在埋地72小时后，将喷砂除绣后的钢板埋人试验管的附近，并与钢管进行电连接，以此来模拟钢管保护涂层有破损的情况，见图10。表5、6、7分别给出结果。 

表5直径1.5米管的试验结果 

从有破损的情况看，保护电位下降，但各测试点的电位值差异很小，因此，屏蔽效应不明显。 

结论：通过对管外壁距离等于管直径的两种管道进行试验证明，只要进行合理的阳极布局，如按照此次试验中的安排，管道的各处阴极保护效果可以达到要求。 

表6直径159mm管1的试验结果 

表7直径159mm管2的试验结果 

输水管线阴极保护设计保护距离的估算如下： 

利用从Φ3.686m主管顶出的厚壁管作为馈电连接，从地面进行阴极保护连接，需要考虑的是采用牺牲阳极能保护的最大长度。 

表8需要的电参数 

Pipe outer radius，m	3.668
		Pipe inner radius，m	3.6
Anode length，m	2
		Number of anode group	6
Current density requirement mA/m2	20
		Anode offset Distance，m	10
Polarization resistanceα，Ω·m2	17.5
		Pipe bare area，％	3
Pipe corrosion potential，VCSE	-0.650，
		Galvanic anode potential，VCSE	-1.63Mg-Mn
Electrolyte resistivity，Ω·m	10
		Design life a	50
Distance from surface，m	10
		Metallic resistivity，Ω·m	1.7E-7

采用hartt提出的斜率法进行估算上海青草沙埋地输水管线阴极保护距离，斜率法基于第一性原理，是简化形式。相比传统uhlig方法而言，由第一性原理获得的通用公式，考虑了阳极电阻的作用，较uhlig方法保守。作为简化形式的斜率法，相对于通用公式而言，在短距离上较保守(即获得的保护电位更正)，其缺陷在于在全程认为保护电位为恒定值，其衰减仅发生在与阳极相邻处。但由于斜率法形式简单，易于计算，且与通用公式获得的结果差异不大，因而适合用于阴极保护设计。 

青草沙埋地管道埋地深度在15-20米之间，处于电阻率较小的土壤中，依据2008年1月～3月的测试结果，该处土壤的电阻率大多在5～10Ω·m范围内。个别地点，如孔号D4，电阻率在18～20之间。在深度5米处，土 壤电阻率多数在20Ω·m左右。下面以涂层以涂层3％破损率来计算，设计参数见表8。获得的结果见图11。 

从中看出，对于该管线，当涂层破损率为3％时，采用镁阳极，在符合设计条件的情况下，牺牲阳极的最大保护距离约为240m。 

与此类同，这里给出计算阳极距离为200m时阴极保护结果。见表9。 

表9不同阳极组的保护电位结果 

由此可见，当土壤电阻率较大时(大于20Ω·m)时，保护距离无法达到200米，采用镁阳极，在电阻率较小的情况下，能够保护200米的管线。 

Claims (5)

1.非开挖施工大口径管道腐蚀控制方法，采用管道外壁涂层防护＋牺牲阳极阴极保护的联合防腐蚀方案进行管道腐蚀控制；

――采用GB／T18593－2001、SY/T0315－2005标准进行测试，所述管道外壁涂层的关键防护性能要求达到如下指标：

涂层的抗水渗透性：在蒸馏水中60℃条件下浸泡30天，涂层增重率≤3%；

涂层的附着力：95℃条件下，浸泡30天，涂层的附着力达到1级；

涂层的粘结强度≥70Mpa；

涂层的阴极剥离要求：在-1.5V、65℃条件下，2天，剥离量≤3.5mm；

断面孔隙率：1～2级；

界面孔隙率：1～2级；

――所述阴极保护是在非开挖施工大口径管线（1）上安装与其形成电连接的馈电装置（113），然后借助于馈电装置（113）在非开挖施工大口径管线（1）附近埋设与非开挖施工大口径管线（1）电连接的牺牲阳极保护装置（3），对管外壁进行保护的方式；

在所述非开挖式大口径管道顶管施工过程中，要求将各段非开挖施工大口径管线（1）端部一段清理掉保护涂层，然后将各段管子之间进行焊接固定和密封，再之后还要求进行焊接之后的补口操作；

对所述管道外壁焊接部位进行补口操作的要求具体是：首先清理焊接后未覆盖涂层部位及其附近的残留物，之后在管道外部的焊接部位及其附近重新涂覆保护涂层，使得各段非开挖施工大口径管线（1）共同形成一个外部设置有连续防护涂层的整体；

所述的借助于馈电装置（113）电连接在非开挖施工大口径管线（1）上的牺牲阳极保护装置（3）布置在地表或者地下，其具体结构如下：

其整体形状为棒状，其芯部最内层是能够进行电连接的金属材质的支撑连接部(301）,所述支撑连接部(301）的一端以电连接形式通过馈电装置（113）连接在非开挖施工大口径管线（1）上，其另一端和支撑连接部(301）的表面被牺牲阳极部（302）覆盖；牺牲阳极保护装置（3）的牺牲阳极部（302）包裹在填料包（303）内；

其特征在于：

使用牺牲阳极保护装置（3）按照下述原则进行设计和选用，具体计算过程为：

1）保护面积计算：对于圆形管道，管线面积：A_c=π×D×L，式中：D为管道直径，L为管长度；

2）需要的保护电流：I_ci=i_c×A_c×f_ci，I_cm=i_c×A_c×f_cm，I_cf=i_c×A_c×f_cf；其中：i_c为保护电流密度，与土壤的成分、温度、管道的材质有关；I_ci，I_cm，I_cf分别为初始、平均和末期的保护电流密度需要；f_ci，f_cm，f_cf分别为初始、平均和末期的保护涂层破损率；

3）阳极总质量按照下式计算：

式中，t_f为阴极保护设计寿命，a；μ为牺牲电极效率，％；ε为阳极电容量，Ah／Kg;

4）阳极数量的计算:

单支阳极的接地电阻使用下述两式计算：

$R_H=\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\πL}}(\ln \frac{2L}{D}+\ln \frac{L}{2t}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_a}{\mathrm{\ρ}}\ln \frac{D}{d})$

$R_H=\frac{\mathrm{\ρ}}{2\mathrm{\πL}}(\ln \frac{2L_a}{D}+\frac{1}{2}\ln \frac{4t+L_a}{4t-L}+\frac{{\mathrm{\ρ}}_a}{\mathrm{\ρ}}\ln \frac{D}{d})$

式中：R_H为水平式阳极接地电阻，单位Ω；R_V为立式阳极接地电阻，单位Ω；p为土壤电阻率，单位Ω.m；p_a为填包料电阻率，单位Ω.m；L为阳极长度，单位m；L_a为阳极填料层长度，单位m；d为阳极等效直径，单位m；D为填料层直径，单位m；t为阳极中心至地面的距离，单位m；

组合阳极接地电阻按照下式计算：

式中：R_tal为阳极组总接地电阻，单位Ω；R_V为立式阳极接地电阻，单位Ω；k为修正系数；N为阳极数量；

单支阳极输出电流：

式中：I_a为单支阳极输出电流；ΔE为阳极有效电位差；R为回路总电阻；

所需要阳极数量：

式中：N为阳极的数量；I_A为所需保护电流；I_a为单支阳极输出电流；f为备用系数；

5）验算：在计算得到结果后，需进行验算，按照挪威标准，需同时满足以下三个条件，才能保证牺牲阳极在服役初期、中期和末期满足阴极保护的要求：

①C_a(tot)=N·C_a>I_cm·t_f·8760；②I_ai(tot)=N·I_ai>I_ci；③I_af(tot)=N·I_af>I_cf；式中：C_a(tot)为阳极总容量，I_ci为初始需要的总电流；I_cf为末期需要的总电流。

2.按照权利要求1所述非开挖施工大口径管道腐蚀控制方法，其特征在于：所述牺牲阳极保护装置（3）具体安装布置在距离非开挖施工大口径管线（1）相对较远处，其具体为牺牲镁阳极或／和牺牲锌阳极；其沿非开挖施工大口径管线（1）单独或者成组布置，布置间距为50～5000米。

3.按照权利要求1所述非开挖施工大口径管道腐蚀控制方法，其特征在于：为保证施工效果，需要在施工期间测量土壤腐蚀性和阴极保护的各项参数：

测试的项目包括：土壤电阻率、管/地自然电位、牺牲阳极接地电阻、牺牲阳极开路电位、牺牲阳极发生电流、保护电位和阳极平均发射电流。

4.按照权利要求3所述非开挖施工大口径管道腐蚀控制方法，其特征在于：

在施工期间测量土壤腐蚀性和阴极保护的各项参数之前首先安装监测系统，所述电位测试桩安装要求具体为：首先将牺牲阳极的连接电缆和馈电装置（113）连接到测试桩内的阳极测试端子上，参比电极测试端子也引入测试桩内；

参比电极选用长久性硫酸铜l参比电极；参比电极的埋设位置为管道的正上方，在水平方向距离厚壁管的距离为3米，在竖直方向距离主管道1～2米；

另外，在第一组和第二组阳极中间处以及第四组和第五组阳极的中间处各加入一个测试桩，以检查距离阳极组最远处的保护电位；测试桩内含有阴极测试端子和参比电极端子，因此需从主管道各顶出一根厚壁管作为馈电使用，参比电极安放位置与供给牺牲阳极组的参比电极相同；

测试桩桩体由水泥制成，按设定的频率进行人工测量，以了解和掌握阴极保护效果。

5.按照权利要求4所述非开挖施工大口径管道腐蚀控制方法，其特征在于：在施工期间测量土壤腐蚀性和阴极保护的各项参数的具体操作要求为：

土壤电阻率：土壤电阻率是测试项目中最先测量的参数，具体采用ZC-8接地电阻测量仪测量，采用四电极等距法进行；

管/地自然电位测试：在牺牲阳极连接之前进行测试，采用数字式电压表，用地表测量和近管道测量方法；地表测试为将参比电极放在管道顶部上方地表潮湿土壤上，保证参比电极与土壤电接触良好；近管道的测试在利用管道上方较近距离的参比电极进行测试；对比两者的差别，以此结果为参照，进行全程地表测量，每间隔20米测量一次；

牺牲阳极接地电阻：牺牲阳极接地电阻采用量程为0～1～10～100Ω的ZC-8接地电阻测量仪测量；测量牺牲阳极接地电阻之前，将阳极与管道断开；在每个阳极安装后都要测量接地电阻，如果土壤环境发生变化，则要补测；

牺牲阳极开路电位：埋好阳极后，用数字万用表连接阳极和参比电极，参比电极尽可能靠近阳极；

牺牲阳极发生电流：采用标准电阻法进行测试；

保护电位的测试：阴极保护工程完成后，对整个管线，进行保护电位的全程测量；具体用地表测量和近管道测量方法，对比结果，并以此为参照，用地表方法进行全程测量；测试结果整理归档；首次测量应在全部牺牲阳极接通管道24内，然后分别进行保护电位的测试；如有异常现象出现，则要增加测试。

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