沿海地区热力直埋敷设防腐蚀对策

【摘 要】热力管道直埋敷设具有保温好、性能好，施工方便的优点，但是在沿海地区，由于地下水位高，含盐量大，对直埋敷设的补偿器、金属部件等造成腐蚀，产生泄漏。热力管线泄漏事故是影响供热质量和城市生活稳定性的重要问题，需要着重防止。本文对沿海地区的热力直埋敷设进行了探讨。

【关键词】沿海地区 直埋敷设 防敷设

一、直埋热力管道优点

直埋式保温管由输送介质的钢管，高密度聚乙烯外套管，以及钢管和外套管之间填充的聚氨酯硬泡沫保温层紧密结合而成。直埋式预制保温管较之传统的各类保温管材具有十分突出的优点：

——保温性能好，热损失仅为传统管材的25%，长期运行可节约大量能源，显著降低能源成本。

——不需制作管道沟，可直接埋入地下，施工简便迅速，综合造价低。

——在低温条件下也具有很好的耐腐蚀和耐冲击性，可直接埋入冻土层。

——使用寿命可达30-50年，正确的安装和使用可使管网维修费用极低。

二、沿海地区地下水特点及管道腐蚀机理

沿海地区土壤不仅表层积盐重、心土层含盐量也很高；盐分组成与海水基本一致，以氯化物占绝对优势；经实际测量，秦皇岛的地下水质K+离子含量112.32mg/L；Na+离子含量702.32mg/L；Ca2+离子含量115.43mg/L；Mg2+离子含量94.24mg/L； CI-离子含量1318.74mg/L；SO42-离子含量230.54mg/L HCO32-离子含量330.25mg/L尤其是CI-离子含量高达1318.74mg/L属强腐蚀性介质。地面管道的腐蚀主要由大气腐蚀和轻微的电化学腐蚀造成。管沟管道由于置于潮湿的管沟中，环境温度较大，一些有害气体容易溶人管道表面的水膜中，形成电解液，造成局部电化学腐蚀，这种情况与山洞库油罐外壁类似。不保温埋地管道直接跟土壤接触，长期处于水泡状态，腐蚀很严重。

三、直埋敷设管道概况

一般来讲，热力管道直埋敷设使用的直埋管为聚氨酯保温，外面有一层高密度聚乙烯保护层，聚乙烯是防水材料，也不受海水腐蚀，不会进水，但是，每根直埋聚乙烯管道长为12米，管道就需要有接头，接头处的处理，由于不是在工厂一次成型，除了内钢管需要焊接，外面的聚乙烯保护层也需要在现场用塑料焊接起来，接头处就成了防水最薄弱的地方，成为泄漏的主要部分。而聚氨酯保护层在热水中会发生水解，一旦外面的聚乙烯保护层泄漏，水渗透到钢管内部，会被内侧的热水加热，然后造成聚氨酯保温的水解失效。同时，外面的水对内钢管造成腐蚀，时间稍长，就会酿成泄漏事故。

另外，为了保证热力管道不至于热胀冷缩造成损坏，在热力管道上一般还装有不锈钢波纹管补偿器，在普通的水环境下，不锈钢是耐腐蚀的。但是，在高盐的氯离子环境下，不锈钢会发生腐蚀。有关试验结果显示：在实验条件下，304不锈钢受氯离子作用而点蚀的浓度界限约为150mg／L，316L不锈钢约为250mg／L。

高氯环境会造成波纹管补偿器的泄漏，同时也会加速内钢管的腐蚀，热力管线泄漏事故是影响供热质量和城市生活温度性的重要问题，需要着重防止。但是随着地下管线年限增加，管道老化，泄漏事故呈上升的趋势。经过对发生的泄漏事故进行分析，20％的事故是外单位施工、重载车辆行驶在人行道上所致，80％的事故是管道及管件腐蚀所致。防止管道及管件腐蚀成了热力管线需要着力解决的一个问题。

我们的做法分为2种：

1. 在一般地面上，直埋敷设没有采用单纯的不锈钢波纹管补偿器，而是在原来的不锈钢波纹管外面再做了一层套筒式补偿器，二种补偿器合二为一，套筒外面有高密度聚乙烯保护层，由套筒补偿器保护不锈钢波纹管不和地下水接触。防止地下水的腐蚀。

2. 在穿越河底等处，由于要保证外护管100%不泄漏，对外护管采用了钢管，焊接，同时对外护管进行了阴极保护。下面着重以一个热力管线保护为例，介绍将牺牲阳极阴极保护法应用于热力管道防腐中，成功地解决了高氯河底下管道防腐蚀问题。

秦皇岛热力管线穿过大汤河，其外套管总长544.8米，管径为DN1120，材质为Q235B，外防腐材料为800微米厚熔融环氧粉末涂层。 套管外壁面积为

S=π×D×L=1916m2

S——管线总面积

D——管线直径

L——管线长度

设计阴极保护有效年限为30年；

阴极保护系统运行期间，对外界环境无污染作用，对其他地下金属构造物无干扰作用

四、牺牲阳极防腐蚀系统的设计

1   牺牲阳极材料的选择

目前，普遍使用的牺牲阳极材料有三种，即镁阳极、锌阳极和铝阳极，镁阳极比重小、电位负、对钢的驱动电压大，主要应用于土壤介质中；锌阳极的驱动电压较小、电流效率高可应用于低电阻率的土壤介质中和水介质中，铝合金阳极通常在海水介质的船舶、港工设施中应用比较广泛，在土壤介质中应用较少。

由于被保护管道所处环境地下水位较高，大汤河的过河管道埋设于淡海水浇灌的土壤中，CI-离子含量高达1318.74mg/L，属强腐蚀性介质。所以本设计方案：大汤河管道的过河保护选择规格为33kg级锌合金牺牲阳极和11kg级镁合金牺牲阳极。为了保证牺牲阳极输出电流稳定，提高阳极电流效率，降低阳极接地电阻，阻止阳极表面钝化层形成，阳极周围一定要填加严格按比例配成的填充料，每支阳极需用填充料50kg，二者装入布袋之后，组成阳极填料包的尺寸为φ300×1000mm。

2  保护电流密度的选择和保护电流的计算

金属构件施加阴极保护时，使金属达到完全保护时所需要的电流密度为最小保护电流密度，在设计时称为阴极保护电流密度，选取的阴极保护电流密度大小是影响金属构件防蚀效果的主要参数，它与最小保护电位（钢为-0.85V）相对应。如果选取的保护电流密度偏低，会造成保护不足，金属构件达不到完全保护，产生不同程度的腐蚀；反之，将会造成不必要的浪费。阴极保护电流密度与许多因素有关，如被保护金属的种类、表面状态、表面防腐涂层的种类和质量、介质的性质、有效保护年限以及外界条件的影响等。这些因素的差异可使阴极保护电流密度由几个μA/m2变化到数百个mA/m2。本方案借鉴国内外文献，根据以往的工程经验和本工程的实际情况，选取阴极保护电流密度为i=1mA/m2。

根据上述“保护对象和范围”中给出的保护面积和选取的保护电流密度计算保护电流如下：

埋地管线所需保护电流I=i×s=1916mA

3   牺牲阳极用量的计算

锌阳极的用量按下式计算：

   W=■

式中：W——牺牲阳极用量，kg；

   t——设计保护年限，年；

   Im——平均维持电流值，A；Im=0.85I

  Q——牺牲阳极的实际电容量，Ah/kg；锌阳极取533

  1/K——牺牲阳极有效利用系数，通常取0.75

将有关数据代入上式，求出阳极的用量为：

W=1071（kg）

埋地管线所需要的阳极数量按下式计算：

n=1071/33=34 （支）

为使管线保护电位极化的更快，再安装4支11公斤的镁阳极。

4   阳极布置

阳极铺设按每组一支，沿管线两侧均匀分布、水平铺设。

5   阳极的组装

5.1 阳极表面处理

在组装牺牲阳极之前，应检验阳极表面是否有油污和氧化物。牺牲阳极表面的油污和氧化物能降低阳极的活性，影响阳极电流的发生。所以阳极表面如存在油污和氧化物，应采用砂纸将阳极表面打磨干净。

5.2   阳极组合体组装

每只阳极配vv1×10电缆3米，电缆与阳极钢芯焊接，焊接长度不小于50毫米，连接处采用双层特殊密封工艺进行密封。电缆的另一端与60×40的扁钢焊接，焊接长度不小于40毫米，连接处采用双层特殊密封工艺进行密封。每条特制的白布袋装填充料50kg，装一支经表面处理过的组装型牺牲阳极，阳极放置在填料包的正中央，阳极必须被填充料紧密包敷，严禁明显偏心。

五、牺牲阳极施工安装需要注意的地方

1  阳极安装

牺牲阳极输出电流的大小和保护范围与阳极旁离管壁距离有着密切的关系。当阳极旁离管壁较近时，回路电阻较小，阳极输出电流较大，而电流分布范围较窄；当阳极旁离管壁较远时，回路电阻变大，输出电流较小。本次设计根据现场实际情况，确定水平埋设阳极，阳极埋设位置距管道外壁1—1.5米，最小不小于0.3m，埋设深度与管道中心线深度相同。

2  阳极床浇水

阳极填料包放入阳极坑后，必须对坑内进行浇水，坑内水位必须完全浸没填料包，且坑内积水必须保持一段时间，以便彻底浸透填料包。

3  阳极焊接

阳极与被保护管线之间采用电焊连接，即将阳极电缆一端的钢片与被保护的钢管的引出钢筋直接焊接在一起，焊缝总长度大于40mm，焊点处采用环氧煤沥青处理。

4  阳极床回填

阳极床回填前，必须在阳极电缆上铺设标准砖，防止在以后施工中碰断电缆，阳极床回填时，禁止向坑内回填沙石、水泥块、塑料等杂物

5   均压线的安装

为避免干扰腐蚀，用电缆将近距离平行的管道连接起来以消除管道之间的电位差，连接方法与牺牲阳极连接方法相同。过大汤河管线设2个均压点。

6   保护效果监测系统