CN101761729A - 非开挖施工大口径管道腐蚀控制联合施工方法 - Google Patents

Abstract

非开挖施工大口径管道腐蚀控制联合施工方法，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；管道外壁涂层防护性能要求达到相应指标。所述阴极保护为预先施工安装在管道上的馈电装置(113)在非开挖施工大口径顶管管线(1)附近埋设与之电连接的牺牲阳极保护装置(3)；当局部保护电位达不到保护电位或者管道局部出现杂散电流干扰时，直接利用注浆孔作为安装孔或者临时在非开挖施工大口径顶管管线(1)上钻孔获得的安装孔将牺牲阳极保护装置(3)固定连接在非开挖施工大口径顶管管线(1)上。本发明在现场保证管道顶管施工的持续性；解决了现有技术中顶管施工管道外壁腐蚀控制的技术难题。

Description

非开挖施工大口径管道腐蚀控制联合施工方法

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联合施工方法。

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的非开挖施工大口径管道腐蚀控制联合施工方法。

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联合施工方法。

本发明具体提供了一种非开挖施工大口径管道腐蚀控制联合施工方法，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；

——所述阴极保护的通常保护方式是：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顶管管线1附近埋设与非开挖施工大口径顶管管线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；

在满足下述条件两个条件之一时，直接利用注浆孔作为安装孔或者临时在非开挖施工大口径顶管管线1上钻孔获得的安装孔将牺牲阳极保护装置3固定连接在非开挖施工大口径顶管管线1；所述条件是：其一，当局部保护电位达不到保护电位，即高于-0.85V/CSE时；其二，管道局部出现杂散电流干扰时。

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。

在通常的施工条件下，要求借助于馈电装置113进行防腐蚀施工，此时所述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顶管管线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顶管管线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顶管管线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。

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：

$M_a=\frac{I_{\mathrm{cm}}\×t_f\×8760}{\mathrm{\μ}\×\mathrm{\ϵ}},$ 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：

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： $R_{\mathrm{tal}}=k\frac{R_V}{N};$ 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： $I_a=\frac{\mathrm{\ΔE}}{R};$ 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： $N=f\frac{I_A}{I_a};$ 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。

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顶管管线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顶管管线1单独或者成组布置，布置间距为50～5000米。

当利用注浆孔作为安装孔或者临时在非开挖施工大口径顶管管线1上钻孔获得的安装孔将牺牲阳极保护装置3直接固定连接在非开挖施工大口径顶管管线1上时；所述的牺牲阳极保护装置3的具体结构要求：所述牺牲阳极保护装置3具体由以下两大部分构成：支撑连接部301、牺牲阳极部302；其中，牺牲阳极部302通过支撑连接部301直接或者间接固定连接在管道1上；

所述牺牲阳极保护装置3中的牺牲阳极部302与管道1之间构成电连接结构。

所述牺牲阳极保护装置3中，支撑连接部301具体为具有电连接能力的支撑钢棒；支撑钢棒固定并密封在管道1上；

所述未被牺牲阳极部302包裹住的那部分支撑钢棒外部设置有绝缘套4

在所述牺牲阳极保护装置3外部，设置有用于包裹牺牲阳极保护装置3用的糊状牺牲阳极添包料。

使用堵头6将作为支撑连接部301的支撑钢棒固定在管道1上；同时，堵头6还将管道1内外空间密封分别隔离开来；

所述牺牲阳极保护装置3还满足下述要求之一或其组合：堵头6与作为支撑连接部301的支撑钢棒之间为螺纹连接；堵头6与管道1之间为螺纹连接。

本发明中，涂层防护是管道防护实际上的主要手段，在设计使用寿命内，主要靠管道外壁的熔融结合环氧高性能长寿命管道涂层(中国科学院金属研究所出产的SEBF1～7系列涂层，市售产品)作为主防护手段作全寿命阴极保护，作为辅助手段对涂层涂层钢管进行防护即使对涂层光管在生产、运输和安装过程中由于机械磕碰、摩擦等原因引起的涂层破损处对管道外壁进行阴极保护。

这种方法是目前设计管道防护的依据。对于大口径顶管施工的管道防护，采用上述原则进行防护有一定的难度：

1)在涂层管道顶管施工的过程中，能保证管道施工的连续性，要求提供一种高性能且能快速固化的补口材料，这在目前的产品中还未可见；

2)在涂层管道顶管施工后，没有很好的方法实施阴极保护，以有的外加电流法在顶管施工管道复杂的地段中，由于与外工程的电流相互干扰，难于实现可靠的阴极保护，若要实施也要耗费巨大的财力。另一种牺牲阳极法通常在管外施工实施保护。

所述的在管道内施工安装牺牲阳极保护装置3是指利用原有的管壁上的注浆孔或者在管道上打孔，从管道内向管道外安装牺牲阳极保护装置3；这种方式在实际工程应用中必定会具有很好的技术效果；

所述牺牲阳极保护装置3具体由以下两大部分构成：支撑连接部301、牺牲阳极部302；其中，牺牲阳极部302通过支撑连接部301直接或者间接固定连接在非开挖施工大口径顶管管线1上(具体连接方式可以为焊接、螺栓连接等固定连接方式)。

本发明中，当将牺牲阳极保护装置3直接安装在非开挖施工大口径顶管管线1上时，所述大口径管道顶管施工的管道外壁腐蚀控制方法中，所使用的牺牲阳极保护装置3中的牺牲阳极部302与非开挖施工大口径顶管管线1之间构成电连接结构。

所述大口径管道顶管施工的管道外壁腐蚀控制方法中所使用的牺牲阳极保护装置3中，支撑连接部301具体为具有电连接能力的支撑钢棒；支撑钢棒通过螺纹连接、焊接等方式固定在非开挖施工大口径顶管管线1。

为了保护并未被牺牲阳极部302包裹住的那部分支撑钢棒，所述未被牺牲阳极部302包裹住的那部分支撑钢棒外部设置有绝缘套4。牺牲阳极保护装置3整体可以形成基本为针状的结构。

本发明所述大口径管道顶管施工的管道外壁腐蚀控制方法中，在安装牺牲阳极保护装置3完毕之后，我们使用糊状牺牲阳极添包料将牺牲阳极保护装置3包裹起来；

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。

使用堵头6将作为支撑连接部301的支撑钢棒固定在非开挖施工大口径顶管管线1上；同时，堵头6还将非开挖施工大口径顶管管线1内外空间隔离开来；要求堵头6与非开挖施工大口径顶管管线1之间的接触电阻小于0.001欧姆。具体操作说明如下：在牺牲阳极保护装置3外部使用糊状牺牲阳极添包料封裹之后；我们使用毫欧表测定堵头与钢管主体之间的接触电阻应小于标准值0.001欧姆。

之后再进行保护电位测量：在实验钢管另一端的注浆孔安装硫酸铜参比电极，采用四位半读数的万用表测定保护电位，达到初期保护电位要求；初期保护电位要求小于-850毫伏/CSE，这里的CSE表示“硫酸铜参比电极”。如此，可以取得更好的技术效果。

在所述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顶管管线1端部的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(焊接后的残留物、锈蚀物质等)，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。

为了保证应用于金属管道外壁的熔融结合环氧高性能长寿命管道涂层的连续性，我们在原本属于不同节段的管道之间的连接处的焊接部位使用与管道外壁涂层同一类型的补口涂层材料进行管道外壁腐蚀防护处理，除了要求粘结强度≥25Mpa的指标要求之外，其它指标要求与金属管道外壁的熔融结合环氧高性能长寿命管道涂层一致；具体说明如下：

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

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≥25Mpa；

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。

所述大口径管道顶管施工的管道外壁腐蚀控制方法中，牺牲阳极保护装置3具体安装在非开挖施工大口径顶管管线1外部，其按照非开挖施工大口径顶管管线1的轴线在非开挖施工大口径顶管管线1外壁上成对安装；安装间距是15米～1千米。

现有技术中牺牲阳极通常的安装间距最大为15米；但是，在本发明中因为使用高性能的防护涂层，牺牲阳极的安装间距可以达到1千米甚至以上。

当将管道之间焊接并涂覆补口涂层之后，所述大口径管道外壁腐蚀控制用牺牲阳极保护装置的安装方法可以按照如下要求依次进行：

首先，利用管道1的管壁上的注浆孔或者在管道上打孔作为安装孔，向孔内注入糊状牺牲阳极添包料；

然后，从管道内向管道外安装牺牲阳极保护装置3：将作为支撑连接部301使用的小头端固定有牺牲阳极部302的支撑钢棒通过管壁上的安装孔安装到内部注有糊状牺牲阳极添包料的空腔中，要求将牺牲阳极部302朝向远离管道的一端；

再之后，使用堵头6将支撑钢棒固定在管道1上；

再保持一段时间后，即安装成功符合要求的外部包裹有糊状牺牲阳极添包料的管内安装的牺牲阳极保护装置3。

需要强调的是：在将牺牲阳极保护装置3从管道内部放入对应管道上安装孔的管道外部糊状牺牲阳极添包料空腔中之前，先将堵头6和作为支撑连接部301使用的支撑钢棒的大头端通过螺纹连接的方式固定连接在一起；

在将牺牲阳极保护装置3从管道内部放入对应管道上安装孔的管道外部糊状牺牲阳极添包料空腔中之后，利用堵头6上的螺纹结构将堵头6与连接在其上并与之成为一个整体的支撑钢棒都固定在管道1上，并封闭设置在管壁上的安装孔。

所述牺牲阳极保护装置3的材质为镁合金或者锌合金；具体要求分别满足《中华人民共和国石油天然气行业标准.埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》SY/T0019-97中的“4技术条件”的规定。

本发明的优点：

1)本发明大口径管道顶管施工的管道外壁腐蚀控制方法尤其适合应用于大口径顶管施工过程中的腐蚀控制。由于管道外壁使用了高性能的熔融结合环氧长寿命管道外壁涂层(中国科学院金属研究所出产的SEBF1～7系列涂层，市售产品)，在大口径顶管施工后，管道整体涂层防护性能优良。在少量牺牲阳极的使用下(少于正常环境下牺牲阳极用量的1/10)其优良的涂层防护的性能可以使通常的埋地和浸水管道的有效防护年限达50年以上；由于牺牲阳极在有效保护期内的用量少，在大口径顶管管道内，采用新型式的阳极和新的阳极安装施工技术，实施大口径顶管施工牺牲阳极的阴极保护方法成为可能。本发明解决了现有技术中顶管施工管道外壁腐蚀控制的技术难题，填补了技术空白；

现有技术中，管道外壁涂层的体积电阻通常位10¹⁰欧姆.米；而本发明中的涂层的体积电阻可达10¹⁴欧姆.米；其技术效果明显优于现有技术。

2)本发明具体优选可以使用焊接方式将所述牺牲阳极保护装置3通过支撑连接部301固定在非开挖施工大口径顶管管线1上；为在现场保证管道顶管施工的持续性，要求焊接部位防护施工时间很短(在1小时之内)，补口材料能实干，粘结强度接近10Mpa，保证顶管施工时不损伤补口涂层性能；

本发明使用了无溶剂环氧补口涂层，配合管道外壁的高性能熔融结合环氧长寿命管道外壁涂层，共同使得顶管施工管道得到整体保护。

管道外部补口涂层材料的防护性能指标：在蒸馏水中60℃浸泡30天，涂层增重率≤3％；涂层的附着力：95℃条件下浸泡30天，达到1级；涂层的粘结强度≥70Mpa；涂层的阴极剥离：-1.5V  65℃，2天≤3.5mm；断面孔隙率：1-2级；界面孔隙率：1-2级。

3)本发明采用高效牺牲阳极的阴极保护方法；其还具体使用了特殊结构设计的针状阳极(参见附图1～3)；结合管道外壁预设涂层以及焊接部位补口涂层的使用，其所需的牺牲阳极数量少于常规用量的1/10。

同时，在管道内施工的牺牲阳极保护装置3的安装位置充分利用了注浆孔，原有注浆孔能基本满足牺牲阳极保护装置3在安装时的数量、重量等要求，可以使得整个大口径管道顶管施工管道外壁腐蚀控制系统达到最佳设计，并对应有最佳效果。如此，本发明所述技术方案大大节约了安装工作量和安装成本。

4)本发明能经一次施工就能达到长效的防护，满足大型工程施工的耐久性要求；其具有可预见的巨大的经济价值和社会价值。

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为非开挖施工大口径顶管管线阴极保护馈电装置使安装示意简图；

图2为非开挖施工大口径顶管管线阴极保护馈电装置安装孔钻孔原理图；

图3为非开挖施工大口径顶管管线阴极保护馈电装置安装原理图；

图4为非开挖施工大口径顶管管线阴极保护馈电装置结构示意图；

图5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；

图6为图5的A处局部放大图；

图7为牺牲阳极保护装置3基本结构图。

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：

非开挖施工大口径顶管管线1、牺牲阳极保护装置3、支撑连接部301：处于内层的阴极保护馈电装置钢芯、牺牲阳极部302、绝缘套4、堵头6；

阴极保护馈电装置113、阴极保护馈电装置113具体包含有下述两大部分：处于内层的阴极保护馈电装置钢芯111、处于外层的阴极保护馈电装置防腐蚀保护外涂层110，用于将阴极保护馈电装置113安装在非开挖施工大口径顶管管线1上的安装座112；

带法兰的套管114(固定在非开挖施工大口径顶管管线1的内壁上)、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、液压千斤顶118；

实施例1

非开挖施工大口径管道腐蚀控制联合施工方法；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/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；

所述阴极保护的通常保护方式是：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顶管管线1附近埋设与非开挖施工大口径顶管管线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；

在满足下述条件两个条件之一时，直接利用注浆孔作为安装孔或者临时在非开挖施工大口径顶管管线1上钻孔获得的安装孔将牺牲阳极保护装置3固定连接在非开挖施工大口径顶管管线1；所述条件是：其一，当局部保护电位达不到保护电位，即高于-0.85V/CSE时；其二，管道局部出现杂散电流干扰时。

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。

在通常的施工条件下，要求借助于馈电装置113进行防腐蚀施工，此时所述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顶管管线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顶管管线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顶管管线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。

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：

$M_a=\frac{I_{\mathrm{cm}}\×t_f\×8760}{\mathrm{\μ}\×\mathrm{\ϵ}},$ 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：

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： $R_{\mathrm{tal}}=k\frac{R_V}{N};$ 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： $I_a=\frac{\mathrm{\ΔE}}{R};$ 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： $N=f\frac{I_A}{I_a};$ 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。

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顶管管线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顶管管线1单独或者成组布置，布置间距为50～5000米。

当利用注浆孔作为安装孔或者临时在非开挖施工大口径顶管管线1上钻孔获得的安装孔将牺牲阳极保护装置3直接固定连接在非开挖施工大口径顶管管线1上时；所述的牺牲阳极保护装置3的具体结构要求：所述牺牲阳极保护装置3具体由以下两大部分构成：支撑连接部301、牺牲阳极部302；其中，牺牲阳极部302通过支撑连接部301直接或者间接固定连接在管道1上；

所述牺牲阳极保护装置3中的牺牲阳极部302与管道1之间构成电连接结构。

所述牺牲阳极保护装置3中，支撑连接部301具体为具有电连接能力的支撑钢棒；支撑钢棒固定并密封在管道1上；

所述未被牺牲阳极部302包裹住的那部分支撑钢棒外部设置有绝缘套4

在所述牺牲阳极保护装置3外部，设置有用于包裹牺牲阳极保护装置3用的糊状牺牲阳极添包料。

使用堵头6将作为支撑连接部301的支撑钢棒固定在管道1上；同时，堵头6还将管道1内外空间密封分别隔离开来；

所述牺牲阳极保护装置3还满足下述要求之一或其组合：堵头6与作为支撑连接部301的支撑钢棒之间为螺纹连接；堵头6与管道1之间为螺纹连接。

本实施例中，涂层防护是管道防护实际上的主要手段，在设计使用寿命内，主要靠管道外壁的熔融结合环氧高性能长寿命管道涂层(中国科学院金属研究所出产的SEBF1～7系列涂层，市售产品)作为主防护手段作全寿命阴极保护，作为辅助手段对涂层涂层钢管进行防护即使对涂层光管在生产、运输和安装过程中由于机械磕碰、摩擦等原因引起的涂层破损处对管道外壁进行阴极保护。

这种方法是目前设计管道防护的依据。对于大口径顶管施工的管道防护，采用上述原则进行防护有一定的难度：

1)在涂层管道顶管施工的过程中，能保证管道施工的连续性，要求提供一种高性能且能快速固化的补口材料，这在目前的产品中还未可见；

2)在涂层管道顶管施工后，没有很好的方法实施阴极保护，以有的外加电流法在顶管施工管道复杂的地段中，由于与外工程的电流相互干扰，难于实现可靠的阴极保护，若要实施也要耗费巨大的财力。另一种牺牲阳极法通常在管外施工实施保护。

所述的在管道内施工安装牺牲阳极保护装置3是指利用原有的管壁上的注浆孔或者在管道上打孔，从管道内向管道外安装牺牲阳极保护装置3；这种方式在实际工程应用中必定会具有很好的技术效果；

所述牺牲阳极保护装置3具体由以下两大部分构成：支撑连接部301、牺牲阳极部302；其中，牺牲阳极部302通过支撑连接部301直接或者间接固定连接在非开挖施工大口径顶管管线1上(具体连接方式可以为焊接、螺栓连接等固定连接方式)。

当将牺牲阳极保护装置3直接安装在非开挖施工大口径顶管管线1上时，所述大口径管道顶管施工的管道外壁腐蚀控制方法中，所使用的牺牲阳极保护装置3中的牺牲阳极部302与非开挖施工大口径顶管管线1之间构成电连接结构。

所述第2种牺牲阳极保护装置3中，支撑连接部301具体为具有电连接能力的支撑钢棒；支撑钢棒通过螺纹连接、焊接等方式固定在非开挖施工大口径顶管管线1。

为了保护并未被牺牲阳极部302包裹住的那部分支撑钢棒，所述未被牺牲阳极部302包裹住的那部分支撑钢棒外部设置有绝缘套4。牺牲阳极保护装置3整体可以形成基本为针状的结构。

所述大口径管道顶管施工的管道外壁腐蚀控制方法中，在安装牺牲阳极保护装置3完毕之后，我们使用糊状牺牲阳极添包料将牺牲阳极保护装置3包裹起来；

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。

使用堵头6将作为支撑连接部301的支撑钢棒固定在非开挖施工大口径顶管管线1上；同时，堵头6还将非开挖施工大口径顶管管线1内外空间隔离开来；要求堵头6与非开挖施工大口径顶管管线1之间的接触电阻小于0.001欧姆。具体操作说明如下：在牺牲阳极保护装置3外部使用糊状牺牲阳极添包料封裹之后；我们使用毫欧表测定堵头与钢管主体之间的接触电阻应小于标准值0.001欧姆。

之后再进行保护电位测量：在实验钢管另一端的注浆孔安装硫酸铜参比电极，采用四位半读数的万用表测定保护电位，达到初期保护电位要求；初期保护电位要求小于-850毫伏/CSE，这里的CSE表示“硫酸铜参比电极”。如此，可以取得更好的技术效果。

在所述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顶管管线1端部的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(焊接后的残留物、锈蚀物质等)，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。

为了保证应用于金属管道外壁的熔融结合环氧高性能长寿命管道涂层的连续性，我们在原本属于不同节段的管道之间的连接处的焊接部位使用与管道外壁涂层同一类型的补口涂层材料进行管道外壁腐蚀防护处理，除了要求粘结强度≥25Mpa的指标要求之外，其它指标要求与金属管道外壁的熔融结合环氧高性能长寿命管道涂层一致；具体说明如下：

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

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≥25Mpa；

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。

所述大口径管道顶管施工的管道外壁腐蚀控制方法中，牺牲阳极保护装置3可以在局部需要处理时具体安装在非开挖施工大口径顶管管线1外部，其按照非开挖施工大口径顶管管线1的轴线在非开挖施工大口径顶管管线1外壁上成对安装；安装间距是15米～1千米。

现有技术中牺牲阳极通常的安装间距最大为15米；但是，在本发明中因为使用高性能的防护涂层，牺牲阳极的安装间距可以达到1千米甚至以上。

当将管道之间焊接并涂覆补口涂层之后，所述大口径管道外壁腐蚀控制用牺牲阳极保护装置的安装方法可以按照如下要求依次进行：

首先，利用管道1的管壁上的注浆孔或者在管道上打孔作为安装孔，向孔内注入糊状牺牲阳极添包料；

然后，从管道内向管道外安装牺牲阳极保护装置3：将作为支撑连接部301使用的小头端固定有牺牲阳极部302的支撑钢棒通过管壁上的安装孔安装到内部注有糊状牺牲阳极添包料的空腔中，要求将牺牲阳极部302朝向远离管道的一端；

再之后，使用堵头6将支撑钢棒固定在管道1上；

再保持一段时间后，即安装成功符合要求的外部包裹有糊状牺牲阳极添包料的管内安装的牺牲阳极保护装置3。

需要强调的是：在将牺牲阳极保护装置3从管道内部放入对应管道上安装孔的管道外部糊状牺牲阳极添包料空腔中之前，先将堵头6和作为支撑连接部301使用的支撑钢棒的大头端通过螺纹连接的方式固定连接在一起；

在将牺牲阳极保护装置3从管道内部放入对应管道上安装孔的管道外部糊状牺牲阳极添包料空腔中之后，利用堵头6上的螺纹结构将堵头6与连接在其上并与之成为一个整体的支撑钢棒都固定在管道1上，并封闭设置在管壁上的安装孔。

Claims (8)

1.非开挖施工大口径管道腐蚀控制联合施工方法，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；

——所述牺牲阳极阴极保护具体内容是：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顶管管线(1)附近埋设与非开挖施工大口径顶管管线(1)电连接的牺牲阳极保护装置(3)，从而对管外壁进行保护；

在满足下述条件两个条件之一时，直接利用注浆孔作为安装孔或者临时在非开挖施工大口径顶管管线(1)上钻孔获得的安装孔将牺牲阳极保护装置(3)固定连接在非开挖施工大口径顶管管线(1)；所述条件是：其一，当局部保护电位达不到保护电位，即高于-0.85V/CSE时；其二，管道局部出现杂散电流干扰时。

2.按照权利要求1所述非开挖施工大口径管道腐蚀控制联合施工方法，其特征在于：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。

3.按照权利要求2所述非开挖施工大口径管道腐蚀控制联合施工方法，其特征在于：在通常的施工条件下，要求借助于馈电装置(113)进行防腐蚀施工，此时所述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顶管管线(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。

4.按照权利要求3所述非开挖施工大口径管道腐蚀控制联合施工方法，其特征在于：所述整体形状为棒状的牺牲阳极保护装置(3)中的牺牲阳极部(302)外侧面被包裹在填料包(303)内，所述填料包(303)具体使用糊状牺牲阳极添包料制作用，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。

5.按照权利要求3所述非开挖施工大口径管道腐蚀控制联合施工方法，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：

$M_a=\frac{I_{\mathrm{cm}}\×t_f\×8760}{\mathrm{\μ}\×\mathrm{\ϵ}},$ 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：

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： $R_{\mathrm{tal}}=k\frac{R_V}{N};$ 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： $I_a=\frac{\mathrm{\ΔE}}{R};$ 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： $N=f\frac{I_A}{I_a};$ 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。

6.按照权利要求5所述非开挖施工大口径管道腐蚀控制联合施工方法，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顶管管线(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顶管管线(1)单独或者成组布置，布置间距为50～5000米。

7.按照权利要求2所述非开挖施工大口径管道腐蚀控制联合施工方法，其特征在于：当利用注浆孔作为安装孔或者临时在非开挖施工大口径顶管管线(1)上钻孔获得的安装孔将牺牲阳极保护装置(3)直接固定连接在非开挖施工大口径顶管管线(1)上时；所述的牺牲阳极保护装置(3)的具体结构要求：所述牺牲阳极保护装置(3)具体由以下两大部分构成：支撑连接部(301)、牺牲阳极部(302)；其中，牺牲阳极部(302)通过支撑连接部(301)直接或者间接固定连接在管道(1)上；

所述牺牲阳极保护装置(3)中的牺牲阳极部(302)与管道(1)之间构成电连接结构。

8.按照权利要求7所述非开挖施工大口径管道腐蚀控制联合施工方法，其特征在于：

所述牺牲阳极保护装置(3)中，支撑连接部(301)具体为具有电连接能力的支撑钢棒；支撑钢棒固定并密封在管道(1)上；

所述未被牺牲阳极部(302)包裹住的那部分支撑钢棒外部设置有绝缘套(4)。

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