大口径顶管穿越段管道阴极保护实践

俞 翔， 茅斌辉， 祝俊宗， 刘 国

(1.杭州市城乡建设设计院股份有限公司，浙江 杭州310004；2.北京凯斯托普科技有限公司，北京100102)

1 概述

非开挖敷设管道技术在近年得到了广泛应用。目前，新建天然气管道施工涉及的非开挖技术主要有顶管、水平定向钻、盾构等。由于该技术不需要开挖面层，能穿越地面构筑物、公路、铁路、河流等，在节省投资、缩短工期的同时，也大大降低了对周边环境的影响[1]。

从西二线复杂地质河流穿越工程的实践来看，大口径管道在河流穿越施工时，往往因地质条件所限无法进行水平定向钻穿越，且因穿越距离较短，采用盾构穿越经济性较差，因此顶管穿越施工成为优先考虑的方案[2]。在顶管穿越施工过程中，往往不可避免会对管道防腐层造成损伤。此外，由于管道埋深较深且顶管隧道内通常为充水状态，施工完成后，穿越段管道的检修维护将变得困难。因此，如何解决顶管穿越段大口径管道的防腐蚀问题，做好穿越段管道阴极保护方案就显得尤为重要。

2 大口径顶管穿越管道阴极保护存在问题

顶管穿越段大口径管道的阴极保护方法与常规管道的阴极保护方法一致，同样分为强制电流阴极保护法和牺牲阳极阴极保护法，但由于顶管穿越段管道的特殊性，在具体阴极保护方案的制定上与常规管道又有一定区别。在顶管穿越段大口径管道的阴极保护方案设计之前，除了对管道管材、规格、防腐层等基本情况确定之外，管道整体阴极保护方案与穿越段管道阴极保护方案的衔接问题、强制电流阴极保护方案的外部条件是否具备都是首要解决的问题。

① 管道整体与穿越段管道阴极保护衔接问题

如果管道整体采用强制电流阴极保护方案，则穿越段管道阴极保护采用下列两种方案。方案一：穿越段管道采用牺牲阳极阴极保护，则牺牲阳极作为穿越段阴极保护电流的补充，穿越段两端可以不设置绝缘装置，如果增加绝缘装置，则穿越段两端需做跨接以保证整体线路的电连续。方案二：穿越段管道采用强制电流阴极保护，则穿越段两端不设绝缘装置且不设跨接。

如果管道整体采用牺牲阳极阴极保护方案，则穿越段管道阴极保护采用下列两种方案。方案一：穿越段管道采用牺牲阳极阴极保护，则穿越段两端不设绝缘装置且不设跨接。方案二：穿越段管道采用强制电流阴极保护，从确保穿越段阴极保护效果避免电流散失的角度出发，建议穿越段两端增加绝缘装置并做好穿越段两端跨接，以保证整体线路的电连续。

② 强制电流阴极保护方案条件是否具备

强制电流阴极保护系统主要由直流电源、阳极地床、参比电极及连接电缆组成。常规的电源设备如恒电位仪通常需要从市电取电，而管道穿越工程通常在野外，因此是否方便取电是强制电流阴极保护方案能否顺利实施的一个关键问题。此外，阳极地床无论采用深井阳极还是浅埋阳极通常都会涉及到征地问题，穿越段两端地质条件对阳极地床方案也会带来较大影响。相对强制电流阴极保护方案，牺牲阳极阴极保护对外部条件的依赖要小得多。

因此，顶管穿越段管道的阴极保护方案，从建设的难易程度、投资、工期及后期运行维护来看，采用牺牲阳极阴极保护优于强制电流阴极保护。

3 顶管穿越管道牺牲阳极阴极保护实践

3.1 工程概况

本工程为杭州市天然气利用工程富阳西线S16-4天然气高压管道顶管穿越富春江工程。穿越管道规格为D610×12.7，管材为直缝双面埋弧焊钢管，采用3PE加强级防腐层。富阳西线天然气高压管道全线采用强制电流阴极保护方式。穿越段位于富春江窄溪大桥上游约32 m处，起点为富阳市渌渚镇新港村的农田，终点为桐庐县江南镇的空地。采用顶管法隧道穿越，穿越工程的工作竖井与接收竖井中心水平距离为658 m，隧道(混凝土套管)内直径为2 400 mm，外直径为2 860 mm，长648.6 m，管道施工完成后隧道内充水。

3.2 穿越段牺牲阳极阴极保护方案

该工程穿越距离长，沿线地质条件复杂。根据现场踏勘情况，采用强制电流阴极保护方案涉及供电、征地等外部条件不具备，因此对穿越段采用牺牲阳极阴极保护方案。

针对顶管穿越段大口径管道的牺牲阳极阴极保护，在设计阶段对采用块状锌阳极和带状锌阳极两种方案分别进行了设计计算，为满足牺牲阳极设计使用寿命要求，最终确定采用块状锌阳极方案，具体阴极保护方案如下。

① 考虑到富阳西线天然气高压管道全线采用强制电流阴极保护方式，且在穿越段前后厂站均设计有深井阳极阴极保护站，穿越段牺牲阳极作为线路阴极保护电流的补充，在穿越段两端不设置绝缘装置。

② 顶管穿越段管道阴极保护采用2组(1组4支，共计8支)ZP-3锌合金阳极，单支阳极质量为24.5 kg，长800 mm，纵截面为梯形，上、下边长分别为60 mm、80 mm，高65 mm。两组阳极分别布置在距离两侧固定墩约250 m左右位置，每组阳极通过穿越段两侧电位测试桩(以下简称测试桩)与管道连接。顶管穿越段沿线每隔200 m设置一组参比电极(铜/饱和硫酸铜参比电极、锌参比电极各1支，1用1备)，用于管道保护效果测试，参比电极共4组8支。顶管穿越段两侧各设测试桩1支，共2支。每个电位测试桩接线面板上有6个端子，其中1个端子通过电缆与管道连接，1个端子通过电缆连接块状锌阳极，其余4个端子分别连接2个铜/饱和硫酸铜参比电极和2个锌参比电极。顶管穿越段管道牺牲阳极阴极保护设置见图1，现场照片见图2。

图2 顶管穿越段管道牺牲阳极阴极保护现场照片

图1 顶管穿越段管道牺牲阳极阴极保护设置

③ 每套紧固件设置1支ZP-3锌合金阳极，用于紧固件的阴极保护，锌合金阳极通过电缆与钢扣带连接，共58套。紧固件牺牲阳极阴极保护设置见图3。

图3 紧固件牺牲阳极阴极保护设置

3.3 阴极保护方案的注意事项

① 紧固件材质及防腐要求

除对穿越段管道本身进行阴极保护设计外，同时对固定管道用的钢扣带等紧固件进行了阴极保护设计。为避免不同金属搭接产生的电偶腐蚀，管道紧固件螺柱、螺母、螺栓及钢扣带均应采用同种碳钢材质，螺柱、螺母不得采用不锈钢材质，这点往往在设计中容易忽略。此外，安装后的螺柱、螺母、螺栓等暴露部分建议采用粘弹体材料进行密封处理。

② 牺牲阳极的接线要求

用于管道阴极保护的块状锌阳极通过测试桩与管道连接，同时为确保能够检测穿越段全线阴极保护效果，每隔200 m设置一组参比电极，参比电极接线分别引至两侧测试桩。用于紧固件阴极保护的块状锌阳极通过电缆与钢扣带焊接连接，无需通过测试桩。

③ 牺牲阳极、参比电极及电缆的固定

管道及紧固件阴极保护用的块状锌阳极均通过塑料管夹固定于隧道内的混凝土垫层上。每支块状锌阳极用2个宽度80 mm的塑料管夹进行固定，施工完成后应确认固定牢固，防止水流冲击将阳极冲散。参比电极通过聚乙烯胶带固定在管道上方，聚乙烯胶带固定要求缠绕管道2圈，并在搭接处采用补伤片封口固定。连接参比电极的电缆沿管道上方敷设，每隔10 m用聚乙烯胶带缠绕固定，聚乙烯胶带固定同样要求缠绕管道2圈，并在搭接处采用补伤片封口固定。

3.4 阴极保护效果

自2016年建成投运至2019年底，定期对4组参比电极管道电位监测数据进行统计，得知铜/饱和硫酸铜参比电极管道电位为-1.16～-0.97 V，锌参比电极管道电位为-0.01～0.12 V，IR降按本线路强制电流阴极保护段平均值100 mV计算，可以判断该穿越段管道阴极保护最小保护电位和限制临界电位均可以满足GB/T 21447—2018《钢质管道外腐蚀控制规范》第6.1.2.2和6.1.2.3款的要求。饱和硫酸铜参比电极比标准氢电极电位正316 mV，锌参比电极比标准氢电极电位负800 mV。本文提出的针对顶管穿越段大口径管道的牺牲阳极阴极保护方案，具有投资省、工期短、效果好等特点。

4 结语

大口径管道的顶管穿越在今后的工程实践中会越来越多地遇到。目前对于顶管穿越段大口径管道的阴极保护，特别是管道整体采用强制电流阴极保护方案的，是否有必要对顶管穿越段管道进行专项阴极保护设计，在业内还存在一定的分歧。在不确定管道整体强制电流阴极保护系统能够完全保护穿越段管道的情况下，提出顶管穿越段管道的阴极保护专项方案是合理的，也是有必要的。