石油化工工艺管道伴热系统设计（天然气厂站工艺管道牺牲阳极阴极保护的设计）

1 概述

天然气厂站内埋地敷设的工艺钢质管道（以下简称工艺管道），普遍采用具备防腐、绝缘性能的3PE防腐层防腐保护。依据现行的国家和行业标准规范，埋地敷设的工艺管道应采用防腐层辅以阴极保护的腐蚀控制系统。由于厂站区域及工程投资额度等条件的限制，部分产权方或建设方要求阴极保护设计单位采用牺牲阳极的阴极保护［1-2］，认为其经济性和实施便捷性最优。

本文通过以某天然气厂站内工艺管道采用牺牲阳极的阴极保护方案为例，进行设计计算，探讨方案的可行性。

2 项目概况

广东省某城市天然气调压计量站站区一期工程占地约70 m×80 m，工艺装置区占地约12 m×34 m，预留工艺装置区占地约8 m×20 m，工艺放散管区占地约3 m×3 m，辅助用房占地约6.6 m×33 m。二期工程预留占地约40 m×85 m。

站区内需进行阴极保护的工艺管道采用3PE防腐层防腐保护，其他埋地敷设的管道均为非金属管道。站区内外工艺管道均设置绝缘接头。站区内埋地敷设的金属物为建构筑物基础内钢筋（接地系统的组成部分）、防雷装置及供配电系统接地、设备装置安全保护接地系统（建筑工程用热镀锌钢质材料）。

依据现行国家标准规范及受工程实施条件的限制，需进行阴极保护的工艺管道无法与其他金属物进行电绝缘。特别说明，防雷装置、供配电系统接地、设备装置安全保护接地等与接地体必须直接可靠联结。站区需进行阴极保护的工艺管道采用牺牲阳极的阴极保护方式。

3 阴极保护设计的主要依据

GB/T 21448—2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》（以下简称GB/T 21448—2008）第4.2.1.1款规定：阴极保护管道应与公共或场区接地系统电绝缘，经测试确认所提供的管道保护电流足以抵消其接地系统造成的电流损失时除外。

依据上述规定，设计单位在进行阴极保护设计时，应计及接地系统造成的电流损失。

4 阴极保护设计计算

①阴极保护设计计算依据

阴极保护设计计算依据GB/T 21448—2008附录A。

②工艺管道敷设土壤电阻率

工艺管道敷设深度约为1.3 m，土壤深度为2 m的土壤电阻率设计取值为110Ω·m。

③接地系统接地电阻

依据本工程电气专业设计要求，接地系统接地电阻不大于1 Ω，因此本站接地系统接地电阻设计为1 Ω。

④保护电流密度

a. 工艺管道保护电流密度

工艺管道所需保护电流密度取值为0.01 mA/m2。

b.建构筑物基础内钢筋保护电流密度

有研究者指出将保护电流密度（钢表面）限定为20 mA/m2之内，以避免钢与混凝土之间黏合力可能降低，通常电流密度在1～15 mA/m2范围内［3］277。有研究者指出对于氯化物严重污染的环境，钢筋上的电流密度应在1～2 mA/m2［4］208，不过BS标准（英国标准学会）给出的钢筋所需保护电流密度是5～20 mA/m2，这可能是初期极化期间要有足够的大的电流的缘故。

依据上述文献，本工程钢筋所需保护电流密度取值为2 mA/m2。

c.接地系统保护电流密度

有研究者指出埋地套管、接地极在无覆盖层的条件下，其保护电流密度在10～100 mA/m2［4］59。建筑工程用热镀锌钢质材料的热镀锌层较薄，且施工时破损较多，因此其保护电流密度取值为20 mA/m2。

⑤需阴极保护的金属物表面积统计

a.工艺管道表面积

工艺管道表面积统计见表1。工艺管道总长度为660.3 m，总表面积为713.44 m2。

表1 工艺管道表面积统计

b.建构筑物基础内钢筋表面积

建构筑物基础内钢筋表面积统计见表2（表中仅为辅助用房基础内钢筋约略统计，实际表面积大于此值。其他建构筑物基础内钢筋本次计算暂不统计）。建构筑物基础内钢筋总表面积为477.44 m2。

表2 建构筑物基础内钢筋表面积统计

c.接地系统表面积

接地系统表面积统计见表3（表中仅为一期工程实施部分统计）。接地系统总表面积为42.24 m2。

表3 接地系统表面积统计

⑥需要的阴极保护电流

得出工艺管道、建构筑物基础内钢筋、接地系统所需的保护电流分别为0.007 A、0.955 A、0.845 A。

⑦牺牲阳极组输出电流

选用22 kg棒状镁合金阳极，两支一组，组内阳极间距2 m，采用立式埋设方式。

a.单支立式牺牲阳极接地电阻的计算

b.牺牲阳极组接地电阻

c.牺牲阳极组输出电流

牺牲阳极组输出电流的计算见式（5）：

根据电气专业要求，站内接地系统接地电阻为1 Ω，因此阴极过渡电阻近似取1Ω。由式（5）得出牺牲阳极组输出电流为0.028 A。

⑧所需牺牲阳极组数

所需牺牲阳极组数的计算见式（6）：

计算得出所需牺牲阳极组数为194组。

5 结论与建议

本文的案例计算是在条件很有利的状况下计算的。工艺管道需要的保护电流为0.007 A，仅需一支阳极即可，工艺管道需要的保护电流仅占总保护电流的0.4%，牺牲阳极提供的保护电流有99.6%消耗在基础内钢筋和接地系统上。另外，一组阳极埋设约需要1 m×2 m的区域，194组阳极埋设需要的区域本厂站很难提供。根据概算专业按定额提供的数据，敷设单支阳极的费用约为1 200 元，总费用约为46.56×104 元。

根据本文的分析，现提出以下建议。

①相关标准规范修订时，应充分考虑工程实施的必要性、经济性等因素。

②产权方或建设方应与设计单位充分协调，尽可能采用先期设计实施，经测试后再完善设计实施的方式，共同确定可行的阴极保护实施方案。

③在必要性、经济及地域条件许可时，可采用柔性阳极等外加电流的阴极保护方式。

④注重工艺管道外防腐的质量，减少工艺管道外腐蚀的发生。

参考文献：

［1］王亚平，康志刚，孙权，等. 埋地钢质燃气管道牺牲阳极阴极保护设计［J］. 煤气与热力，2008，28（1）：B13-B17.

［2］马长福，杨印臣. 牺牲阳极是否导致3PE防腐层阴极剥离的探讨［J］. 煤气与热力，2010，30（8）：B01-B02.

［3］贝克曼W V，施文克W，普林兹W. 阴极保护手册［M］. 胡士信，王向良，译. 北京：化学工业出版社，2005.

［4］胡士信. 阴极保护工程手册［M］. 北京：化学工业出版社，1999.

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