專利名稱：非開挖施工大口徑管道腐蝕控制聯(lián)合施工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及金屬管道防腐蝕保護技術(shù)，特別提供了一種非開挖施工大口徑管道腐蝕控制聯(lián)合施工方法。

背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的大口徑管道腐蝕控制方法有以下兩大類 隔離金屬管道與腐蝕環(huán)境，例如在金屬管道外部涂鍍具有防腐蝕作用的涂層；采用電化學(xué)防腐的方法進行防腐蝕處理，例如安裝犧牲陽極裝置。
因此，人們迫切希望獲得一種技術(shù)效果更好的針對金屬質(zhì)地的管道的非開挖施工大口徑管道腐蝕控制聯(lián)合施工方法。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種技術(shù)效果更好的非開挖施工大口徑管道腐蝕控制聯(lián)合施工方法。
本發(fā)明具體提供了一種非開挖施工大口徑管道腐蝕控制聯(lián)合施工方法，其特征在于 采用管道外壁涂層防護+犧牲陽極陰極保護的聯(lián)合防腐蝕方案進行管道腐蝕控制； ——采用GB/T 18593-2001、SY/T 0315-2005標(biāo)準(zhǔn)進行測試，所述管道外壁涂層的關(guān)鍵防護性能要求達到如下指標(biāo) 涂層的抗水滲透性在蒸餾水中60℃條件下浸泡30天，涂層增重率≤3％； 涂層的附著力95℃條件下，浸泡30天，涂層的附著力達到1級； 涂層的粘結(jié)強度≥70Mpa； 涂層的陰極剝離要求在-1.5V、65℃條件下，2天，剝離量≤3.5mm； 斷面孔隙率1～2級； 界面孔隙率1～2級； ——所述陰極保護的通常保護方式是在管道上預(yù)先施工安裝饋電裝置113，然后借助于饋電裝置113在非開挖施工大口徑頂管管線1附近埋設(shè)與非開挖施工大口徑頂管管線1電連接的犧牲陽極保護裝置3，對管外壁進行保護的方式； 在滿足下述條件兩個條件之一時，直接利用注漿孔作為安裝孔或者臨時在非開挖施工大口徑頂管管線1上鉆孔獲得的安裝孔將犧牲陽極保護裝置3固定連接在非開挖施工大口徑頂管管線1；所述條件是其一，當(dāng)局部保護電位達不到保護電位，即高于-0.85V/CSE時；其二，管道局部出現(xiàn)雜散電流干擾時。
在所述非開挖式大口徑管道頂管施工過程中，要求將各段管道1端部一段清理掉保護涂層，然后將各段管子之間進行焊接固定和密封，再之后還要求進行焊接之后的補口操作； 對所述管道外壁焊接部位進行補口操作的要求具體是首先清理焊接后未覆蓋涂層部位及其附近的殘留物，之后在管道外部的焊接部位及其附近重新涂覆保護涂層，使得各段管子共同形成一個外部設(shè)置有連續(xù)防護涂層的整體。
在通常的施工條件下，要求借助于饋電裝置113進行防腐蝕施工，此時所述的犧牲陽極保護裝置3布置在地表或者地下，其具體結(jié)構(gòu)如下 其整體形狀為棒狀，其芯部最內(nèi)層是能夠進行電連接的金屬材質(zhì)的支撐連接部301，所述支撐連接部301的一端以電連接形式通過饋電裝置113連接在非開挖施工大口徑頂管管線1上，其另一端和支撐連接部301的表面被犧牲陽極部302覆蓋；犧牲陽極保護裝置3的犧牲陽極部302包裹在填料包303內(nèi)。
所述的借助于饋電裝置113電連接在非開挖施工大口徑頂管管線1上的犧牲陽極保護裝置3布置在地表或者地下，其具體結(jié)構(gòu)如下 其整體形狀為棒狀，其芯部最內(nèi)層是能夠進行電連接的金屬材質(zhì)的支撐連接部301，所述支撐連接部301的一端以電連接形式通過饋電裝置113連接在非開挖施工大口徑頂管管線1上，其另一端和支撐連接部301的表面被犧牲陽極部302覆蓋；犧牲陽極保護裝置3的犧牲陽極部302包裹在填料包303內(nèi)，所述填料包303使用糊狀犧牲陽極添包料制作用以包裹犧牲陽極保護裝置3中犧牲陽極部302，所述糊狀犧牲陽極添包料的質(zhì)量百分比組成為石膏粉∶工業(yè)硫酸鈉∶膨潤土＝75∶5∶20。
使用犧牲陽極保護裝置3按照下述原則進行設(shè)計和選用 具體計算過程為 1)保護面積計算對于圓形管道，管線面積Ac＝π×D×L，式中D為管道直徑，L為管長度； 2)需要的保護電流Ici＝ic×Ac×fci，Icm＝ic×Ac×fcm，Icf＝ic×Ac×fcf；其中ic為保護電流密度，與土壤的成分、溫度、管道的材質(zhì)有關(guān)；Ici，Icm，Icf分別為初始、平均和末期的保護電流密度需要；fci，fcm，fcf分別為初始、平均和末期的保護涂層破損率； 3)陽極總質(zhì)量按照下式計算 式中，tf為陰極保護設(shè)計壽命，a；μ為犧牲電極效率，％；ε為陽極電容量，Ah/Kg； 4)陽極數(shù)量的計算 單支陽極的接地電阻使用下述兩式計算 式中RH為水平式陽極接地電阻，單位Ω；RV為立式陽極接地電阻，單位Ω；p為土壤電阻率，單位Ω.m；pa為填包料電阻率，單位Ω.m；L為陽極長度，單位m；La為陽極填料層長度，單位m；d為陽極等效直徑，單位m；D為填料層直徑，單位m；t為陽極中心至地面的距離，單位m； 組合陽極接地電阻按照下式計算式中Rtal為陽極組總接地電阻，單位Ω；RV為立式陽極接地電阻，單位Ω；k為修正系數(shù)；N為陽極數(shù)量； 單支陽極輸出電流式中Ia為單支陽極輸出電流；ΔE為陽極有效電位差；R為回路總電阻； 所需要陽極數(shù)量式中N為陽極的數(shù)量；IA為所需保護電流；Ia為單支陽極輸出電流；f為備用系數(shù)； 5)驗算在計算得到結(jié)果后，需進行驗算，按照挪威標(biāo)準(zhǔn)，需同時滿足以下三個條件，才能保證犧牲陽極在服役初期、中期和末期滿足陰極保護的要求 ①Ca(tot)＝N·Ca＞Icm·tf·8760；②Iai(tot)＝N·Iai＞Ici；③Iaf(tot)＝N·Iaf＞Icf；式中Ca(tot)為陽極總?cè)萘?，Ici為初始需要的總電流；Icf為末期需要的總電流。
所述犧牲陽極保護裝置3具體安裝布置在距離非開挖施工大口徑頂管管線1相對較遠處，其具體為犧牲鎂陽極或/和犧牲鋅陽極；其沿非開挖施工大口徑頂管管線1單獨或者成組布置，布置間距為50～5000米。
當(dāng)利用注漿孔作為安裝孔或者臨時在非開挖施工大口徑頂管管線1上鉆孔獲得的安裝孔將犧牲陽極保護裝置3直接固定連接在非開挖施工大口徑頂管管線1上時；所述的犧牲陽極保護裝置3的具體結(jié)構(gòu)要求所述犧牲陽極保護裝置3具體由以下兩大部分構(gòu)成支撐連接部301、犧牲陽極部302；其中，犧牲陽極部302通過支撐連接部301直接或者間接固定連接在管道1上； 所述犧牲陽極保護裝置3中的犧牲陽極部302與管道1之間構(gòu)成電連接結(jié)構(gòu)。
所述犧牲陽極保護裝置3中，支撐連接部301具體為具有電連接能力的支撐鋼棒；支撐鋼棒固定并密封在管道1上； 所述未被犧牲陽極部302包裹住的那部分支撐鋼棒外部設(shè)置有絕緣套4 在所述犧牲陽極保護裝置3外部，設(shè)置有用于包裹犧牲陽極保護裝置3用的糊狀犧牲陽極添包料。
使用堵頭6將作為支撐連接部301的支撐鋼棒固定在管道1上；同時，堵頭6還將管道1內(nèi)外空間密封分別隔離開來； 所述犧牲陽極保護裝置3還滿足下述要求之一或其組合堵頭6與作為支撐連接部301的支撐鋼棒之間為螺紋連接；堵頭6與管道1之間為螺紋連接。
本發(fā)明中，涂層防護是管道防護實際上的主要手段，在設(shè)計使用壽命內(nèi)，主要靠管道外壁的熔融結(jié)合環(huán)氧高性能長壽命管道涂層(中國科學(xué)院金屬研究所出產(chǎn)的SEBF1～7系列涂層，市售產(chǎn)品)作為主防護手段作全壽命陰極保護，作為輔助手段對涂層涂層鋼管進行防護即使對涂層光管在生產(chǎn)、運輸和安裝過程中由于機械磕碰、摩擦等原因引起的涂層破損處對管道外壁進行陰極保護。
這種方法是目前設(shè)計管道防護的依據(jù)。對于大口徑頂管施工的管道防護，采用上述原則進行防護有一定的難度 1)在涂層管道頂管施工的過程中，能保證管道施工的連續(xù)性，要求提供一種高性能且能快速固化的補口材料，這在目前的產(chǎn)品中還未可見； 2)在涂層管道頂管施工后，沒有很好的方法實施陰極保護，以有的外加電流法在頂管施工管道復(fù)雜的地段中，由于與外工程的電流相互干擾，難于實現(xiàn)可靠的陰極保護，若要實施也要耗費巨大的財力。另一種犧牲陽極法通常在管外施工實施保護。
所述的在管道內(nèi)施工安裝犧牲陽極保護裝置3是指利用原有的管壁上的注漿孔或者在管道上打孔，從管道內(nèi)向管道外安裝犧牲陽極保護裝置3；這種方式在實際工程應(yīng)用中必定會具有很好的技術(shù)效果； 所述犧牲陽極保護裝置3具體由以下兩大部分構(gòu)成支撐連接部301、犧牲陽極部302；其中，犧牲陽極部302通過支撐連接部301直接或者間接固定連接在非開挖施工大口徑頂管管線1上(具體連接方式可以為焊接、螺栓連接等固定連接方式)。
本發(fā)明中，當(dāng)將犧牲陽極保護裝置3直接安裝在非開挖施工大口徑頂管管線1上時，所述大口徑管道頂管施工的管道外壁腐蝕控制方法中，所使用的犧牲陽極保護裝置3中的犧牲陽極部302與非開挖施工大口徑頂管管線1之間構(gòu)成電連接結(jié)構(gòu)。
所述大口徑管道頂管施工的管道外壁腐蝕控制方法中所使用的犧牲陽極保護裝置3中，支撐連接部301具體為具有電連接能力的支撐鋼棒；支撐鋼棒通過螺紋連接、焊接等方式固定在非開挖施工大口徑頂管管線1。
為了保護并未被犧牲陽極部302包裹住的那部分支撐鋼棒，所述未被犧牲陽極部302包裹住的那部分支撐鋼棒外部設(shè)置有絕緣套4。犧牲陽極保護裝置3整體可以形成基本為針狀的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明所述大口徑管道頂管施工的管道外壁腐蝕控制方法中，在安裝犧牲陽極保護裝置3完畢之后，我們使用糊狀犧牲陽極添包料將犧牲陽極保護裝置3包裹起來； 所述糊狀犧牲陽極添包料的質(zhì)量百分比組成為石膏粉∶工業(yè)硫酸鈉∶膨潤土＝75∶5∶20。
使用堵頭6將作為支撐連接部301的支撐鋼棒固定在非開挖施工大口徑頂管管線1上；同時，堵頭6還將非開挖施工大口徑頂管管線1內(nèi)外空間隔離開來；要求堵頭6與非開挖施工大口徑頂管管線1之間的接觸電阻小于0.001歐姆。具體操作說明如下在犧牲陽極保護裝置3外部使用糊狀犧牲陽極添包料封裹之后；我們使用毫歐表測定堵頭與鋼管主體之間的接觸電阻應(yīng)小于標(biāo)準(zhǔn)值0.001歐姆。
之后再進行保護電位測量在實驗鋼管另一端的注漿孔安裝硫酸銅參比電極，采用四位半讀數(shù)的萬用表測定保護電位，達到初期保護電位要求；初期保護電位要求小于-850毫伏/CSE，這里的CSE表示“硫酸銅參比電極”。如此，可以取得更好的技術(shù)效果。
在所述大口徑管道頂管施工過程中，要求將各段非開挖施工大口徑頂管管線1端部的一段清理掉保護涂層，然后將各段管子之間進行焊接固定和密封，再之后還要求進行焊接之后的補口操作； 對所述管道外壁焊接部位進行補口操作的要求具體是首先清理焊接后未覆蓋涂層部位及其附近的殘留物(焊接后的殘留物、銹蝕物質(zhì)等)，之后在管道外部的焊接部位及其附近重新涂覆保護涂層，使得各段管子共同形成一個外部設(shè)置有連續(xù)防護涂層的整體。
為了保證應(yīng)用于金屬管道外壁的熔融結(jié)合環(huán)氧高性能長壽命管道涂層的連續(xù)性，我們在原本屬于不同節(jié)段的管道之間的連接處的焊接部位使用與管道外壁涂層同一類型的補口涂層材料進行管道外壁腐蝕防護處理，除了要求粘結(jié)強度≥25Mpa的指標(biāo)要求之外，其它指標(biāo)要求與金屬管道外壁的熔融結(jié)合環(huán)氧高性能長壽命管道涂層一致；具體說明如下 采用GB/T 18593-2001、SY/T 0315-2005標(biāo)準(zhǔn)進行測試，所述管道外壁補口涂層的關(guān)鍵防護性能指標(biāo)要求達到如下指標(biāo) 涂層的抗水滲透性在蒸餾水中60℃條件下浸泡30天，涂層增重率≤3％； 涂層的附著力95℃條件下，浸泡30天，涂層的附著力達到1級； 涂層的粘結(jié)強度≥25Mpa； 涂層的陰極剝離要求在-1.5V、65℃條件下，2天，剝離量≤3.5mm； 斷面孔隙率1～2級； 界面孔隙率1～2級。
所述大口徑管道頂管施工的管道外壁腐蝕控制方法中，犧牲陽極保護裝置3具體安裝在非開挖施工大口徑頂管管線1外部，其按照非開挖施工大口徑頂管管線1的軸線在非開挖施工大口徑頂管管線1外壁上成對安裝；安裝間距是15米～1千米。
現(xiàn)有技術(shù)中犧牲陽極通常的安裝間距最大為15米；但是，在本發(fā)明中因為使用高性能的防護涂層，犧牲陽極的安裝間距可以達到1千米甚至以上。
當(dāng)將管道之間焊接并涂覆補口涂層之后，所述大口徑管道外壁腐蝕控制用犧牲陽極保護裝置的安裝方法可以按照如下要求依次進行 首先，利用管道1的管壁上的注漿孔或者在管道上打孔作為安裝孔，向孔內(nèi)注入糊狀犧牲陽極添包料； 然后，從管道內(nèi)向管道外安裝犧牲陽極保護裝置3將作為支撐連接部301使用的小頭端固定有犧牲陽極部302的支撐鋼棒通過管壁上的安裝孔安裝到內(nèi)部注有糊狀犧牲陽極添包料的空腔中，要求將犧牲陽極部302朝向遠離管道的一端； 再之后，使用堵頭6將支撐鋼棒固定在管道1上； 再保持一段時間后，即安裝成功符合要求的外部包裹有糊狀犧牲陽極添包料的管內(nèi)安裝的犧牲陽極保護裝置3。
需要強調(diào)的是在將犧牲陽極保護裝置3從管道內(nèi)部放入對應(yīng)管道上安裝孔的管道外部糊狀犧牲陽極添包料空腔中之前，先將堵頭6和作為支撐連接部301使用的支撐鋼棒的大頭端通過螺紋連接的方式固定連接在一起； 在將犧牲陽極保護裝置3從管道內(nèi)部放入對應(yīng)管道上安裝孔的管道外部糊狀犧牲陽極添包料空腔中之后，利用堵頭6上的螺紋結(jié)構(gòu)將堵頭6與連接在其上并與之成為一個整體的支撐鋼棒都固定在管道1上，并封閉設(shè)置在管壁上的安裝孔。
所述犧牲陽極保護裝置3的材質(zhì)為鎂合金或者鋅合金；具體要求分別滿足《中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).埋地鋼質(zhì)管道犧牲陽極陰極保護設(shè)計規(guī)范》SY/T0019-97中的“4技術(shù)條件”的規(guī)定。
本發(fā)明的優(yōu)點 1)本發(fā)明大口徑管道頂管施工的管道外壁腐蝕控制方法尤其適合應(yīng)用于大口徑頂管施工過程中的腐蝕控制。由于管道外壁使用了高性能的熔融結(jié)合環(huán)氧長壽命管道外壁涂層(中國科學(xué)院金屬研究所出產(chǎn)的SEBF1～7系列涂層，市售產(chǎn)品)，在大口徑頂管施工后，管道整體涂層防護性能優(yōu)良。在少量犧牲陽極的使用下(少于正常環(huán)境下犧牲陽極用量的1/10)其優(yōu)良的涂層防護的性能可以使通常的埋地和浸水管道的有效防護年限達50年以上；由于犧牲陽極在有效保護期內(nèi)的用量少，在大口徑頂管管道內(nèi)，采用新型式的陽極和新的陽極安裝施工技術(shù)，實施大口徑頂管施工犧牲陽極的陰極保護方法成為可能。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中頂管施工管道外壁腐蝕控制的技術(shù)難題，填補了技術(shù)空白； 現(xiàn)有技術(shù)中，管道外壁涂層的體積電阻通常位1010歐姆.米；而本發(fā)明中的涂層的體積電阻可達1014歐姆.米；其技術(shù)效果明顯優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。
2)本發(fā)明具體優(yōu)選可以使用焊接方式將所述犧牲陽極保護裝置3通過支撐連接部301固定在非開挖施工大口徑頂管管線1上；為在現(xiàn)場保證管道頂管施工的持續(xù)性，要求焊接部位防護施工時間很短(在1小時之內(nèi))，補口材料能實干，粘結(jié)強度接近10Mpa，保證頂管施工時不損傷補口涂層性能； 本發(fā)明使用了無溶劑環(huán)氧補口涂層，配合管道外壁的高性能熔融結(jié)合環(huán)氧長壽命管道外壁涂層，共同使得頂管施工管道得到整體保護。
管道外部補口涂層材料的防護性能指標(biāo)在蒸餾水中60℃浸泡30天，涂層增重率≤3％；涂層的附著力95℃條件下浸泡30天，達到1級；涂層的粘結(jié)強度≥70Mpa；涂層的陰極剝離-1.5V 65℃，2天≤3.5mm；斷面孔隙率1-2級；界面孔隙率1-2級。
3)本發(fā)明采用高效犧牲陽極的陰極保護方法；其還具體使用了特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計的針狀陽極(參見附圖1～3)；結(jié)合管道外壁預(yù)設(shè)涂層以及焊接部位補口涂層的使用，其所需的犧牲陽極數(shù)量少于常規(guī)用量的1/10。
同時，在管道內(nèi)施工的犧牲陽極保護裝置3的安裝位置充分利用了注漿孔，原有注漿孔能基本滿足犧牲陽極保護裝置3在安裝時的數(shù)量、重量等要求，可以使得整個大口徑管道頂管施工管道外壁腐蝕控制系統(tǒng)達到最佳設(shè)計，并對應(yīng)有最佳效果。如此，本發(fā)明所述技術(shù)方案大大節(jié)約了安裝工作量和安裝成本。
4)本發(fā)明能經(jīng)一次施工就能達到長效的防護，滿足大型工程施工的耐久性要求；其具有可預(yù)見的巨大的經(jīng)濟價值和社會價值。



下面結(jié)合附圖及實施方式對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明 圖1為非開挖施工大口徑頂管管線陰極保護饋電裝置使安裝示意簡圖； 圖2為非開挖施工大口徑頂管管線陰極保護饋電裝置安裝孔鉆孔原理圖； 圖3為非開挖施工大口徑頂管管線陰極保護饋電裝置安裝原理圖； 圖4為非開挖施工大口徑頂管管線陰極保護饋電裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為設(shè)置有犧牲陽極保護裝置3的管內(nèi)施工陰極保護系統(tǒng)示意圖， 圖中，我們利用在管道1上是成對設(shè)置的注漿孔，在注漿孔上成對安裝基本為軸對稱的犧牲陽極保護裝置3； 圖6為圖5的A處局部放大圖； 圖7為犧牲陽極保護裝置3基本結(jié)構(gòu)圖。

具體實施例方式 本發(fā)明所述附圖中的各個數(shù)字標(biāo)號的含義如下 非開挖施工大口徑頂管管線1、犧牲陽極保護裝置3、支撐連接部301處于內(nèi)層的陰極保護饋電裝置鋼芯、犧牲陽極部302、絕緣套4、堵頭6； 陰極保護饋電裝置113、陰極保護饋電裝置113具體包含有下述兩大部分處于內(nèi)層的陰極保護饋電裝置鋼芯111、處于外層的陰極保護饋電裝置防腐蝕保護外涂層110，用于將陰極保護饋電裝置113安裝在非開挖施工大口徑頂管管線1上的安裝座112； 帶法蘭的套管114(固定在非開挖施工大口徑頂管管線1的內(nèi)壁上)、導(dǎo)向密封裝置115、支桿116、夾板閥117、防爆電機119、合金鉆頭120、鉆桿121、液壓千斤頂118； 實施例1 非開挖施工大口徑管道腐蝕控制聯(lián)合施工方法；采用管道外壁涂層防護+犧牲陽極陰極保護的聯(lián)合防腐蝕方案進行管道腐蝕控制； ——采用GB/T 18593-2001、SY/T 0315-2005標(biāo)準(zhǔn)進行測試，所述管道外壁涂層的關(guān)鍵防護性能要求達到如下指標(biāo) 涂層的抗水滲透性在蒸餾水中60℃條件下浸泡30天，涂層增重率≤3％； 涂層的附著力95℃條件下，浸泡30天，涂層的附著力達到1級； 涂層的粘結(jié)強度≥70Mpa； 涂層的陰極剝離要求在-1.5V、65℃條件下，2天，剝離量≤3.5mm； 斷面孔隙率1～2級； 界面孔隙率1～2級； 所述陰極保護的通常保護方式是在管道上預(yù)先施工安裝饋電裝置113，然后借助于饋電裝置113在非開挖施工大口徑頂管管線1附近埋設(shè)與非開挖施工大口徑頂管管線1電連接的犧牲陽極保護裝置3，對管外壁進行保護的方式； 在滿足下述條件兩個條件之一時，直接利用注漿孔作為安裝孔或者臨時在非開挖施工大口徑頂管管線1上鉆孔獲得的安裝孔將犧牲陽極保護裝置3固定連接在非開挖施工大口徑頂管管線1；所述條件是其一，當(dāng)局部保護電位達不到保護電位，即高于-0.85V/CSE時；其二，管道局部出現(xiàn)雜散電流干擾時。
在所述非開挖式大口徑管道頂管施工過程中，要求將各段管道1端部一段清理掉保護涂層，然后將各段管子之間進行焊接固定和密封，再之后還要求進行焊接之后的補口操作； 對所述管道外壁焊接部位進行補口操作的要求具體是首先清理焊接后未覆蓋涂層部位及其附近的殘留物，之后在管道外部的焊接部位及其附近重新涂覆保護涂層，使得各段管子共同形成一個外部設(shè)置有連續(xù)防護涂層的整體。
在通常的施工條件下，要求借助于饋電裝置113進行防腐蝕施工，此時所述的犧牲陽極保護裝置3布置在地表或者地下，其具體結(jié)構(gòu)如下 其整體形狀為棒狀，其芯部最內(nèi)層是能夠進行電連接的金屬材質(zhì)的支撐連接部301，所述支撐連接部301的一端以電連接形式通過饋電裝置113連接在非開挖施工大口徑頂管管線1上，其另一端和支撐連接部301的表面被犧牲陽極部302覆蓋；犧牲陽極保護裝置3的犧牲陽極部302包裹在填料包303內(nèi)。
所述的借助于饋電裝置113電連接在非開挖施工大口徑頂管管線1上的犧牲陽極保護裝置3布置在地表或者地下，其具體結(jié)構(gòu)如下 其整體形狀為棒狀，其芯部最內(nèi)層是能夠進行電連接的金屬材質(zhì)的支撐連接部301，所述支撐連接部301的一端以電連接形式通過饋電裝置113連接在非開挖施工大口徑頂管管線1上，其另一端和支撐連接部301的表面被犧牲陽極部302覆蓋；犧牲陽極保護裝置3的犧牲陽極部302包裹在填料包303內(nèi)，所述填料包303使用糊狀犧牲陽極添包料制作用以包裹犧牲陽極保護裝置3中犧牲陽極部302，所述糊狀犧牲陽極添包料的質(zhì)量百分比組成為石膏粉∶工業(yè)硫酸鈉∶膨潤土＝75∶5∶20。
使用犧牲陽極保護裝置3按照下述原則進行設(shè)計和選用 具體計算過程為 1)保護面積計算對于圓形管道，管線面積Ac＝π×D×L，式中D為管道直徑，L為管長度； 2)需要的保護電流Ici＝ic×Ac×fci，Icm＝ic×Ac×fcm，Icf＝ic×Ac×fcf；其中ic為保護電流密度，與土壤的成分、溫度、管道的材質(zhì)有關(guān)；Ici，Icm，Icf分別為初始、平均和末期的保護電流密度需要；fci，fcm，fcf分別為初始、平均和末期的保護涂層破損率； 3)陽極總質(zhì)量按照下式計算 式中，tf為陰極保護設(shè)計壽命，a；μ為犧牲電極效率，％；ε為陽極電容量，Ah/Kg； 4)陽極數(shù)量的計算 單支陽極的接地電阻使用下述兩式計算 式中RH為水平式陽極接地電阻，單位Ω；RV為立式陽極接地電阻，單位Ω；p為土壤電阻率，單位Ω.m；pa為填包料電阻率，單位Ω.m；L為陽極長度，單位m；La為陽極填料層長度，單位m；d為陽極等效直徑，單位m；D為填料層直徑，單位m；t為陽極中心至地面的距離，單位m； 組合陽極接地電阻按照下式計算式中Rtal為陽極組總接地電阻，單位Ω；RV為立式陽極接地電阻，單位Ω；k為修正系數(shù)；N為陽極數(shù)量； 單支陽極輸出電流式中Ia為單支陽極輸出電流；ΔE為陽極有效電位差；R為回路總電阻； 所需要陽極數(shù)量式中N為陽極的數(shù)量；IA為所需保護電流；Ia為單支陽極輸出電流；f為備用系數(shù)； 5)驗算在計算得到結(jié)果后，需進行驗算，按照挪威標(biāo)準(zhǔn)，需同時滿足以下三個條件，才能保證犧牲陽極在服役初期、中期和末期滿足陰極保護的要求 ①Ca(tot)＝N·Ca＞Icm·tf·8760；②Iai(tot)＝N·Iai＞Ici；③Iaf(tot)＝N·Iaf＞Icf；式中Ca(tot)為陽極總?cè)萘浚琁ci為初始需要的總電流；Icf為末期需要的總電流。
所述犧牲陽極保護裝置3具體安裝布置在距離非開挖施工大口徑頂管管線1相對較遠處，其具體為犧牲鎂陽極或/和犧牲鋅陽極；其沿非開挖施工大口徑頂管管線1單獨或者成組布置，布置間距為50～5000米。
當(dāng)利用注漿孔作為安裝孔或者臨時在非開挖施工大口徑頂管管線1上鉆孔獲得的安裝孔將犧牲陽極保護裝置3直接固定連接在非開挖施工大口徑頂管管線1上時；所述的犧牲陽極保護裝置3的具體結(jié)構(gòu)要求所述犧牲陽極保護裝置3具體由以下兩大部分構(gòu)成支撐連接部301、犧牲陽極部302；其中，犧牲陽極部302通過支撐連接部301直接或者間接固定連接在管道1上； 所述犧牲陽極保護裝置3中的犧牲陽極部302與管道1之間構(gòu)成電連接結(jié)構(gòu)。
所述犧牲陽極保護裝置3中，支撐連接部301具體為具有電連接能力的支撐鋼棒；支撐鋼棒固定并密封在管道1上； 所述未被犧牲陽極部302包裹住的那部分支撐鋼棒外部設(shè)置有絕緣套4 在所述犧牲陽極保護裝置3外部，設(shè)置有用于包裹犧牲陽極保護裝置3用的糊狀犧牲陽極添包料。
使用堵頭6將作為支撐連接部301的支撐鋼棒固定在管道1上；同時，堵頭6還將管道1內(nèi)外空間密封分別隔離開來； 所述犧牲陽極保護裝置3還滿足下述要求之一或其組合堵頭6與作為支撐連接部301的支撐鋼棒之間為螺紋連接；堵頭6與管道1之間為螺紋連接。
本實施例中，涂層防護是管道防護實際上的主要手段，在設(shè)計使用壽命內(nèi)，主要靠管道外壁的熔融結(jié)合環(huán)氧高性能長壽命管道涂層(中國科學(xué)院金屬研究所出產(chǎn)的SEBF1～7系列涂層，市售產(chǎn)品)作為主防護手段作全壽命陰極保護，作為輔助手段對涂層涂層鋼管進行防護即使對涂層光管在生產(chǎn)、運輸和安裝過程中由于機械磕碰、摩擦等原因引起的涂層破損處對管道外壁進行陰極保護。
這種方法是目前設(shè)計管道防護的依據(jù)。對于大口徑頂管施工的管道防護，采用上述原則進行防護有一定的難度 1)在涂層管道頂管施工的過程中，能保證管道施工的連續(xù)性，要求提供一種高性能且能快速固化的補口材料，這在目前的產(chǎn)品中還未可見； 2)在涂層管道頂管施工后，沒有很好的方法實施陰極保護，以有的外加電流法在頂管施工管道復(fù)雜的地段中，由于與外工程的電流相互干擾，難于實現(xiàn)可靠的陰極保護，若要實施也要耗費巨大的財力。另一種犧牲陽極法通常在管外施工實施保護。
所述的在管道內(nèi)施工安裝犧牲陽極保護裝置3是指利用原有的管壁上的注漿孔或者在管道上打孔，從管道內(nèi)向管道外安裝犧牲陽極保護裝置3；這種方式在實際工程應(yīng)用中必定會具有很好的技術(shù)效果； 所述犧牲陽極保護裝置3具體由以下兩大部分構(gòu)成支撐連接部301、犧牲陽極部302；其中，犧牲陽極部302通過支撐連接部301直接或者間接固定連接在非開挖施工大口徑頂管管線1上(具體連接方式可以為焊接、螺栓連接等固定連接方式)。
當(dāng)將犧牲陽極保護裝置3直接安裝在非開挖施工大口徑頂管管線1上時，所述大口徑管道頂管施工的管道外壁腐蝕控制方法中，所使用的犧牲陽極保護裝置3中的犧牲陽極部302與非開挖施工大口徑頂管管線1之間構(gòu)成電連接結(jié)構(gòu)。
所述第2種犧牲陽極保護裝置3中，支撐連接部301具體為具有電連接能力的支撐鋼棒；支撐鋼棒通過螺紋連接、焊接等方式固定在非開挖施工大口徑頂管管線1。
為了保護并未被犧牲陽極部302包裹住的那部分支撐鋼棒，所述未被犧牲陽極部302包裹住的那部分支撐鋼棒外部設(shè)置有絕緣套4。犧牲陽極保護裝置3整體可以形成基本為針狀的結(jié)構(gòu)。
所述大口徑管道頂管施工的管道外壁腐蝕控制方法中，在安裝犧牲陽極保護裝置3完畢之后，我們使用糊狀犧牲陽極添包料將犧牲陽極保護裝置3包裹起來； 所述糊狀犧牲陽極添包料的質(zhì)量百分比組成為石膏粉∶工業(yè)硫酸鈉∶膨潤土＝75∶5∶20。
使用堵頭6將作為支撐連接部301的支撐鋼棒固定在非開挖施工大口徑頂管管線1上；同時，堵頭6還將非開挖施工大口徑頂管管線1內(nèi)外空間隔離開來；要求堵頭6與非開挖施工大口徑頂管管線1之間的接觸電阻小于0.001歐姆。具體操作說明如下在犧牲陽極保護裝置3外部使用糊狀犧牲陽極添包料封裹之后；我們使用毫歐表測定堵頭與鋼管主體之間的接觸電阻應(yīng)小于標(biāo)準(zhǔn)值0.001歐姆。
之后再進行保護電位測量在實驗鋼管另一端的注漿孔安裝硫酸銅參比電極，采用四位半讀數(shù)的萬用表測定保護電位，達到初期保護電位要求；初期保護電位要求小于-850毫伏/CSE，這里的CSE表示“硫酸銅參比電極”。如此，可以取得更好的技術(shù)效果。
在所述大口徑管道頂管施工過程中，要求將各段非開挖施工大口徑頂管管線1端部的一段清理掉保護涂層，然后將各段管子之間進行焊接固定和密封，再之后還要求進行焊接之后的補口操作； 對所述管道外壁焊接部位進行補口操作的要求具體是首先清理焊接后未覆蓋涂層部位及其附近的殘留物(焊接后的殘留物、銹蝕物質(zhì)等)，之后在管道外部的焊接部位及其附近重新涂覆保護涂層，使得各段管子共同形成一個外部設(shè)置有連續(xù)防護涂層的整體。
為了保證應(yīng)用于金屬管道外壁的熔融結(jié)合環(huán)氧高性能長壽命管道涂層的連續(xù)性，我們在原本屬于不同節(jié)段的管道之間的連接處的焊接部位使用與管道外壁涂層同一類型的補口涂層材料進行管道外壁腐蝕防護處理，除了要求粘結(jié)強度≥25Mpa的指標(biāo)要求之外，其它指標(biāo)要求與金屬管道外壁的熔融結(jié)合環(huán)氧高性能長壽命管道涂層一致；具體說明如下 采用GB/T 18593-2001、SY/T 0315-2005標(biāo)準(zhǔn)進行測試，所述管道外壁補口涂層的關(guān)鍵防護性能指標(biāo)要求達到如下指標(biāo) 涂層的抗水滲透性在蒸餾水中60℃條件下浸泡30天，涂層增重率≤3％； 涂層的附著力95℃條件下，浸泡30天，涂層的附著力達到1級； 涂層的粘結(jié)強度≥25Mpa； 涂層的陰極剝離要求在-1.5V、65℃條件下，2天，剝離量≤3.5mm； 斷面孔隙率1～2級； 界面孔隙率1～2級。
所述大口徑管道頂管施工的管道外壁腐蝕控制方法中，犧牲陽極保護裝置3可以在局部需要處理時具體安裝在非開挖施工大口徑頂管管線1外部，其按照非開挖施工大口徑頂管管線1的軸線在非開挖施工大口徑頂管管線1外壁上成對安裝；安裝間距是15米～1千米。
現(xiàn)有技術(shù)中犧牲陽極通常的安裝間距最大為15米；但是，在本發(fā)明中因為使用高性能的防護涂層，犧牲陽極的安裝間距可以達到1千米甚至以上。
當(dāng)將管道之間焊接并涂覆補口涂層之后，所述大口徑管道外壁腐蝕控制用犧牲陽極保護裝置的安裝方法可以按照如下要求依次進行 首先，利用管道1的管壁上的注漿孔或者在管道上打孔作為安裝孔，向孔內(nèi)注入糊狀犧牲陽極添包料； 然后，從管道內(nèi)向管道外安裝犧牲陽極保護裝置3將作為支撐連接部301使用的小頭端固定有犧牲陽極部302的支撐鋼棒通過管壁上的安裝孔安裝到內(nèi)部注有糊狀犧牲陽極添包料的空腔中，要求將犧牲陽極部302朝向遠離管道的一端； 再之后，使用堵頭6將支撐鋼棒固定在管道1上； 再保持一段時間后，即安裝成功符合要求的外部包裹有糊狀犧牲陽極添包料的管內(nèi)安裝的犧牲陽極保護裝置3。
需要強調(diào)的是在將犧牲陽極保護裝置3從管道內(nèi)部放入對應(yīng)管道上安裝孔的管道外部糊狀犧牲陽極添包料空腔中之前，先將堵頭6和作為支撐連接部301使用的支撐鋼棒的大頭端通過螺紋連接的方式固定連接在一起； 在將犧牲陽極保護裝置3從管道內(nèi)部放入對應(yīng)管道上安裝孔的管道外部糊狀犧牲陽極添包料空腔中之后，利用堵頭6上的螺紋結(jié)構(gòu)將堵頭6與連接在其上并與之成為一個整體的支撐鋼棒都固定在管道1上，并封閉設(shè)置在管壁上的安裝孔。
權(quán)利要求
1.非開挖施工大口徑管道腐蝕控制聯(lián)合施工方法，其特征在于
采用管道外壁涂層防護+犧牲陽極陰極保護的聯(lián)合防腐蝕方案進行管道腐蝕控制；
——采用GB/T 18593-2001、SY/T 0315-2005標(biāo)準(zhǔn)進行測試，所述管道外壁涂層的關(guān)鍵防護性能要求達到如下指標(biāo)
涂層的抗水滲透性在蒸餾水中60℃條件下浸泡30天，涂層增重率≤3％；
涂層的附著力95℃條件下，浸泡30天，涂層的附著力達到1級；
涂層的粘結(jié)強度≥70Mpa；
涂層的陰極剝離要求在-1.5V、65℃條件下，2天，剝離量≤3.5mm；
斷面孔隙率1～2級；
界面孔隙率1～2級；
——所述犧牲陽極陰極保護具體內(nèi)容是在管道上預(yù)先施工安裝饋電裝置(113)，然后借助于饋電裝置(113)在非開挖施工大口徑頂管管線(1)附近埋設(shè)與非開挖施工大口徑頂管管線(1)電連接的犧牲陽極保護裝置(3)，從而對管外壁進行保護；
在滿足下述條件兩個條件之一時，直接利用注漿孔作為安裝孔或者臨時在非開挖施工大口徑頂管管線(1)上鉆孔獲得的安裝孔將犧牲陽極保護裝置(3)固定連接在非開挖施工大口徑頂管管線(1)；所述條件是其一，當(dāng)局部保護電位達不到保護電位，即高于-0.85V/CSE時；其二，管道局部出現(xiàn)雜散電流干擾時。
2.按照權(quán)利要求1所述非開挖施工大口徑管道腐蝕控制聯(lián)合施工方法，其特征在于在所述非開挖式大口徑管道頂管施工過程中，要求將各段管道(1)端部一段清理掉保護涂層，然后將各段管子之間進行焊接固定和密封，再之后還要求進行焊接之后的補口操作；
對所述管道外壁焊接部位進行補口操作的要求具體是首先清理焊接后未覆蓋涂層部位及其附近的殘留物，之后在管道外部的焊接部位及其附近重新涂覆保護涂層，使得各段管子共同形成一個外部設(shè)置有連續(xù)防護涂層的整體。
3.按照權(quán)利要求2所述非開挖施工大口徑管道腐蝕控制聯(lián)合施工方法，其特征在于在通常的施工條件下，要求借助于饋電裝置(113)進行防腐蝕施工，此時所述的犧牲陽極保護裝置(3)布置在地表或者地下，其具體結(jié)構(gòu)如下
其整體形狀為棒狀，其芯部最內(nèi)層是能夠進行電連接的金屬材質(zhì)的支撐連接部(301)，所述支撐連接部(301)的一端以電連接形式通過饋電裝置(113)連接在非開挖施工大口徑頂管管線(1)上，其另一端和支撐連接部(301)的表面被犧牲陽極部(302)覆蓋。
4.按照權(quán)利要求3所述非開挖施工大口徑管道腐蝕控制聯(lián)合施工方法，其特征在于所述整體形狀為棒狀的犧牲陽極保護裝置(3)中的犧牲陽極部(302)外側(cè)面被包裹在填料包(303)內(nèi)，所述填料包(303)具體使用糊狀犧牲陽極添包料制作用，所述糊狀犧牲陽極添包料的質(zhì)量百分比組成為石膏粉∶工業(yè)硫酸鈉∶膨潤土＝75∶5∶20。
5.按照權(quán)利要求3所述非開挖施工大口徑管道腐蝕控制聯(lián)合施工方法，其特征在于使用犧牲陽極保護裝置(3)按照下述原則進行設(shè)計和選用
具體計算過程為
1)保護面積計算對于圓形管道，管線面積Ac＝π×D×L，式中D為管道直徑，L為管長度；
2)需要的保護電流Ici＝ic×Ac×fci，Icm＝ic×Ac×fcm，Icf＝ic×Ac×fcf；其中ic為保護電流密度，與土壤的成分、溫度、管道的材質(zhì)有關(guān)；Ici，Icm，Icf分別為初始、平均和末期的保護電流密度需要；fci，fcm，fcf分別為初始、平均和末期的保護涂層破損率；
3)陽極總質(zhì)量按照下式計算
式中，tf為陰極保護設(shè)計壽命，a；μ為犧牲電極效率，％；ε為陽極電容量，Ah/Kg；
4)陽極數(shù)量的計算
單支陽極的接地電阻使用下述兩式計算
式中RH為水平式陽極接地電阻，單位Ω；RV為立式陽極接地電阻，單位Ω；p為土壤電阻率，單位Ω.m；pa為填包料電阻率，單位Ω.m；L為陽極長度，單位m；La為陽極填料層長度，單位m；d為陽極等效直徑，單位m；D為填料層直徑，單位m；t為陽極中心至地面的距離，單位m；組合陽極接地電阻按照下式計算式中Rtal為陽極組總接地電阻，單位Ω；RV為立式陽極接地電阻，單位Ω；k為修正系數(shù)；N為陽極數(shù)量；
單支陽極輸出電流式中Ia為單支陽極輸出電流；ΔE為陽極有效電位差；R為回路總電阻；
所需要陽極數(shù)量式中N為陽極的數(shù)量；IA為所需保護電流；Ia為單支陽極輸出電流；f為備用系數(shù)；
5)驗算在計算得到結(jié)果后，需進行驗算，按照挪威標(biāo)準(zhǔn)，需同時滿足以下三個條件，才能保證犧牲陽極在服役初期、中期和末期滿足陰極保護的要求
①Ca(tot)＝N·Ca＞Icm·tf·8760；②Iai(tot)＝N·Iai＞Ici；③Iaf(tot)＝N·Iaf＞Icf；式中Ca(tot)為陽極總?cè)萘?，Ici為初始需要的總電流；Icf為末期需要的總電流。
6.按照權(quán)利要求5所述非開挖施工大口徑管道腐蝕控制聯(lián)合施工方法，其特征在于所述犧牲陽極保護裝置(3)具體安裝布置在距離非開挖施工大口徑頂管管線(1)相對較遠處，其具體為犧牲鎂陽極或/和犧牲鋅陽極；其沿非開挖施工大口徑頂管管線(1)單獨或者成組布置，布置間距為50～5000米。
7.按照權(quán)利要求2所述非開挖施工大口徑管道腐蝕控制聯(lián)合施工方法，其特征在于當(dāng)利用注漿孔作為安裝孔或者臨時在非開挖施工大口徑頂管管線(1)上鉆孔獲得的安裝孔將犧牲陽極保護裝置(3)直接固定連接在非開挖施工大口徑頂管管線(1)上時；所述的犧牲陽極保護裝置(3)的具體結(jié)構(gòu)要求所述犧牲陽極保護裝置(3)具體由以下兩大部分構(gòu)成支撐連接部(301)、犧牲陽極部(302)；其中，犧牲陽極部(302)通過支撐連接部(301)直接或者間接固定連接在管道(1)上；
所述犧牲陽極保護裝置(3)中的犧牲陽極部(302)與管道(1)之間構(gòu)成電連接結(jié)構(gòu)。
8.按照權(quán)利要求7所述非開挖施工大口徑管道腐蝕控制聯(lián)合施工方法，其特征在于
所述犧牲陽極保護裝置(3)中，支撐連接部(301)具體為具有電連接能力的支撐鋼棒；支撐鋼棒固定并密封在管道(1)上；
所述未被犧牲陽極部(302)包裹住的那部分支撐鋼棒外部設(shè)置有絕緣套(4)。
全文摘要
非開挖施工大口徑管道腐蝕控制聯(lián)合施工方法，采用管道外壁涂層防護+犧牲陽極陰極保護的聯(lián)合防腐蝕方案進行管道腐蝕控制；管道外壁涂層防護性能要求達到相應(yīng)指標(biāo)。所述陰極保護為預(yù)先施工安裝在管道上的饋電裝置(113)在非開挖施工大口徑頂管管線(1)附近埋設(shè)與之電連接的犧牲陽極保護裝置(3)；當(dāng)局部保護電位達不到保護電位或者管道局部出現(xiàn)雜散電流干擾時，直接利用注漿孔作為安裝孔或者臨時在非開挖施工大口徑頂管管線(1)上鉆孔獲得的安裝孔將犧牲陽極保護裝置(3)固定連接在非開挖施工大口徑頂管管線(1)上。本發(fā)明在現(xiàn)場保證管道頂管施工的持續(xù)性；解決了現(xiàn)有技術(shù)中頂管施工管道外壁腐蝕控制的技術(shù)難題。
文檔編號C23F13/08GK101761729SQ20091018808
公開日2010年6月30日 申請日期2009年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月26日
發(fā)明者胡宏良, 李京, 汪洪濤, 魏英華, 李曉東, 張立新, 衛(wèi)珍, 陳林 申請人:上海青草沙投資建設(shè)發(fā)展有限公司, 中國科學(xué)院金屬研究所