專利名稱：地下管道系統用陰極保護裝置施工方法
技術領域：
本發明涉及地下管道防護技術領域科學，特別提供了一種地下管道系統用陰極保護裝置施工方法。
背景技術：
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現有技術中，采用大口徑鋼質輸水管線具有安全、可靠及建設周期短的優點，是目前輸水工程中比較常用方法。該工藝主要是通過工作豎井間操作進行管道頂進埋設，除工作豎井外其它管線途徑地面不進行地面挖掘，采用傳統的腐蝕防護工藝已很難徹底解決頂管管道耐久性問題，給管道的耐久性設計和施工工藝帶來新的難題。從目前已建的頂管管線情況來看，這主要存在防腐涂層性能與該施工工藝匹配問題，焊接部位補口匹配問題，中繼間涂層保護問題，及陰極保護設計與施工工藝問題等。關于大口徑鋼質頂管管道耐久性的應用已經成為以更值得亟待解決的技術難題。由于大中城市擴建或新建輸水管線工程中，通常埋設管線的土壤中或地面上已建有城市基礎設施或建筑物，采用開放式挖掘埋設大口徑管線會破壞這些已建城市基礎設施，如路面、綠化帶、構筑物等，這給埋設管線施工帶來困難，也使施工成本大幅度的提高，并對城市居民的正常生活帶來影響。近年來非開挖埋設管線技術的進步和完善使人看到了解決問題的希望，目前非開放式埋設管線的方法主要有盾構法、定向鉆法、頂管施工法，其中頂管施工工藝適合大口徑鋼質管線施工，綜合成本低，施工效率高，對城市設施和居民生活影響最小。如果陸域輸水管線埋地較深，以直徑3. 6米頂管管線為例，埋設深度均在10米以上，上海巖土工程勘察設計研究院的調查報告中指出，當土壤深度大于10米時，土壤電阻率大多小于10Ω ·Π1。如果地下水位較高(例如沿途多處有河渠)，預計此類土壤環境對鋼質管線有較強的的腐蝕破壞。另外，對某些特殊地段管線的腐蝕也應格外關注，例如有磁懸浮列車通過之處，設置有交流變電站之處。這些地點也都可能會對管線帶來較大的雜散電流引起的電化學腐蝕。頂管施工過程中管段間連接焊縫以及采用中繼間技術推進管道的焊接部位的腐蝕防護也需格外關注。總之，地下施工鋼頂管的腐蝕問題不容忽視，為保障該工程耐久性，必須對鋼頂管采取相應的腐蝕防護措施。而且，如果鋼頂管埋設深，必然造成維修困難，更不可能中途更換管道，因此這類鋼頂管的腐蝕防護措施務必可靠，即耐久性要求極高。但是，由于該管線距離長、埋設深且要求非開挖施工，其腐蝕防護面臨諸多亟待解決的問題。1、現有技術中，埋地鋼頂管腐蝕防護方法簡介如下鋼頂管在土壤中的腐蝕是由于鋼材的某一部分在其與土壤環境所形成的電池中處于陽極地位，電位較低，因電子流失造成腐蝕，見

圖18。為了抑制腐蝕，人們采用以下幾種防護方法I)預留腐蝕余量采用厚壁的大口徑鋼管，依靠鋼材自身的腐蝕余量達到設計壽命要求，這種方法需要花費很多鋼鐵資源，而且制造和安裝費用較高，施工周期長，需要專業性強的制管裝備，這對于大口徑的鋼頂管來講還存在力學方面的諸多問題。另外，僅留有腐蝕余量的鋼頂管在土壤腐蝕環境可能會由于局部腐蝕和應力腐蝕而產生不可預見性的破壞。同時，目前我國也很少具備大批量生產大口徑超厚壁鋼管能力。2)耐腐蝕合金鋼近50年來材料學家研制了多種耐腐蝕的低碳合金鋼和不銹鋼，包括10CrMoAl、304、316L和00Cr26Ni7Mo2Ti等，雖然其腐蝕速率較普通碳鋼低2倍多，但焊接工藝復雜，易在焊接部位和熱影響區產生嚴重的點蝕、電偶腐蝕、應力腐蝕等，從而降低了使用的結構整體的安全性，而且造價也較高。3)保護涂層或有機保護襯套防腐自從18世紀中葉歐洲采用煤焦油、亞麻油作為金屬的防腐蝕方法以來，防護涂層得到蓬勃發展，已成為金屬材料最廣泛的防腐措施，防腐蝕覆蓋層已經形成了有機涂料、水泥砂漿、磁漆和金屬覆蓋層4大體系。涂層防腐蝕方法總體來說，施工簡單，適用于所有的腐蝕環境，但它作為獨立的保護手段，需要具備在整個服役過程中對環境無害、完整無缺的特點。這需要在預制、安裝、搬運以及后續的運行中不出 現明顯破損，否則會加劇局部區域的腐蝕。襯套防腐主要將橡膠、玻璃鋼、聚乙烯等材料作為襯套，在局部進行特別加強保護的方法。4)陰極保護方法自從1836年英國的戴維首次將鑄鐵連接在船體的黃銅上對其進行陰極保護以來，該方法得到廣泛推廣，在埋地管道的防護中更是不可缺少。陰極保護的原理是采取人為的手段使鋼材電位降低，從而抑制鋼的腐蝕。這一點從鋼材的電位-PH圖可以看出，在鋼材的電位低于某一值時，鋼材處于不腐蝕狀態，見圖23。尤其在鋼的電位低于-O. 85V(相對于飽和銅/硫酸銅參比電極，簡稱CSE)后，鋼的腐蝕可以忽略，因此-O. 85V/CSE也成為鋼材陰極保護的電位準則，在陰極保護工程中被廣泛采納。要達到這樣的目的采取的方法是將電子從外部朝鋼材流動，從而降低鋼材的腐蝕速度，如圖24、25所示。根據降低鋼結構電位的手段不同，陰極保護手段分為外加電流(圖24)和犧牲陽極(圖25)兩種方法,兩者的對比見下表I。表I兩種陰極保護方式的優缺點
權利要求
1.地下管道系統用陰極保護裝置施工方法，其特征在于所述地下管道系統用陰極保護裝置施工方法依次滿足下述要求①首先從地下管道(I)外部上方的地表(101)向地下管道(I)的方向鉆孔，孔直徑10 1200mm,該孔直達地下管道(I)的外壁但不應破壞地下管道(I);各孔沿地下管道(I)在其正上方布置，各孔之間的間距為100-500m;②然后向上述過程鉆出的孔內安裝中空的外護管(2)，并使外護管(2)的前端接觸到地下管道(I)外壁并由外護管(2)和地下管道(I)外壁共同構成相對封閉的管狀空腔；外護管(2)具體為鋼管或塑料管；其規格為內腔直徑50-200_;外護管(2)內部可能填充有一些泥沙(102)內容物；③下防水套管(5):將防水套管(5)放入外護管(2)內，并使固定布置在防水套管(5)前端的饋電連接頭(402 )與地下管道(I)外壁緊密接觸且不移動，然后進行焊接操作；所述饋電連接頭(402 )設置在整個防水套管(5 )最前段，饋電連接頭(402 )前端設置有封閉的內腔，其前端厚度為O. 2-8mm;饋電連接頭(402)封閉內腔的前端面為錐面，錐面的橫截面隨距離饋電連接頭(402)的前端面的減小而減小；饋電連接頭(402)上預先固定有饋電電纜(401)；④遙控焊接使用焊接裝置將防水套管(5)前端的饋電連接頭(402)與地下管道(I)的金屬部分焊接在一起形成電連接關系；⑤犧牲陽極(7)施工預先在地下管道(I)附近打孔，埋入犧牲陽極(7 )，并通過饋電裝置(4)將其與地下管道(I)形成電連接，并最終構成地下管道陰極保護系統；犧牲陽極(7) 的布置間距為50 - 500米；成對布置或者單一布置。
2.按照權利要求1所述地下管道系統用陰極保護裝置施工方法，其特征在于從地下管道(I)外部上方的地表向地下管道(I)的方向鉆孔的過程滿足下述要求孔深10 50 米，對應的孔直徑為50 250mm，各孔之間的間距為150_300m ；在地下管道(I)正上方鉆孔，孔軸線方向與地下管線橫截面幾何中心盡量靠近甚至與其重合；鉆孔方法首先在非開挖施工管道上方，確定進行地表鉆孔的點，然后進行鉆孔操作； 打孔要求在與地下管道(I)垂直方向上，該點應在在豎直方向的正上方。
3.按照權利要求1所述地下管道系統用陰極保護裝置施工方法，其特征在于向孔內輸入并安裝外護管(2)的過程滿足下述要求將外護管(2)送入孔中直至外護管(2)的前端到達并接觸到地下管道(I)外壁；外護管(2)的直徑尺寸從100 150mm ;外護管(2)為鋼管或塑料管，接觸地下管道(I)的外護管(2)的管端固定設置有用于緩沖保護地下管道(I)外壁的絕緣密封墊；外護管(2)為分段結構，各段之間為螺紋聯接結構；整體裝配后的外護管(2)外表面涂覆有防護涂層。
4.按照權利要求1所述地下管道系統用陰極保護裝置施工方法，其特征在于遙控焊接的過程中滿足下述要求使用焊槍(6)和預先固定在饋電連接頭(402)上的饋電電纜(401)構成電連接回路以便進行遙控焊接操作，將饋電連接頭(402 )與地下管道(I)焊接在一起構成電連接關系；焊接的過程滿足下述要求首先將已經裝夾焊條的焊槍(6)送入防水套管(5)內部并使其前端的焊條端部靠近饋電連接頭(402)的內腔前端，然后開始焊接，以便將饋電連接頭(402)與地下管道(I)的金屬部分焊接在一起形成電連接關系；焊接后的饋電電纜(401)的外部一直延伸到地表；饋電電纜(401)延伸到地表的實際長度應該大于等于110%用于放置外護管(2)的孔的深度。
5.按照權利要求1所述地下管道系統用陰極保護裝置施工方法，其特征在于犧牲陽極(7)滿足下述要求犧牲陽極材料層(701)具體由多種材料選擇鎂陽極，鋅陽極， 鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極，鋅一鋁一鎘合金犧牲陽極。
6.按照權利要求1-5其中之一所述地下管道系統用陰極保護裝置施工方法，其特征在于在安裝外護管(2)之后和放入防水套管(5)之前還依次進行下述處理過程①清井清井時，從外護管(2)中心腔中將遙控的清理設備送入到井底以便清理位于外護管(2)內部靠近地下管道(I)外壁處的雜物；清井要求是將影響焊接效果的泥沙(102)和污水等清除出外護管(2)，同時用清水或者空氣填充該處待焊接部位附近的空間；清井具體采用高壓水或高壓空氣作為工作介質；具體的清井方法滿足下述要求之一或其組合其一，如果地下管道(I)附近的土壤流動性差，采用的清井處理辦法是略微提起外護管(2)，提高的高度要求為10 100mm，將壓縮空氣或高壓水借助于清井管(103)從外護管(2)上端輸入并送至井底以便加入壓縮空氣或高壓水，需要壓力在2個大氣壓以上，最終將泥沙(102)從井底頂出；然后在保持壓力的同時，放回外護管(2)使之與地下管道(I) 外壁接觸直至外護管(2)與地下管道(I)緊密接觸，以便形成相對封閉的腔室且能保證外護管(2)內的清潔以利于后續的焊接過程進行；其二，如果由井底清除淤泥不易，則在保證外護管(2)與地下管道(I)之間盡可能緊密接觸的同時，將壓縮空氣或高壓水通過深入到外護管(2)內部的清井管(103)在井底輸出壓縮空氣或高壓水將淤泥從外護管(2)內部向上頂出并最終由井口頂出；壓縮空氣或高壓水需要的壓力要求在2個大氣壓以上，外護管(2)與地下管道(I)外壁始終緊密接觸形成上部開口的腔室利于清井并在清井后能夠阻擋污物進入外護管(2)內；②焊點檢查在清井之后對饋電裝置(4)與地下管道(I)之間將要進行焊接的焊點進行預先檢查，具體檢查內容是包括被保護的地下管道(I)處的水平情況和饋電點處的泥沙殘余量。
7.按照權利要求1-5其中之一所述地下管道系統用陰極保護裝置施工方法，其特征在于在遙控焊接之后檢查是否滿足電阻率和焊接強度；具體檢查的合格要求是電阻率要求在O. 1-0. 01歐姆；焊接強度要求使用50-200kg的外力牽拉饋電電纜(401)，要求不會破壞饋電連接頭(402)與地下管道(I)的焊接質量。
8.按照權利要求1-5其中之一所述地下管道系統用陰極保護裝置施工方法，其特征在于在遙控焊接并合格后，還要求進行下述兩種操作①卸出防水套管(5):焊后檢測合格后，卸出防水套管(5)除了饋電連接頭(402)和饋電電纜(401)之外的其余部分；要求保留最前段已經焊接連接在地下管道(I)上的的饋電連接頭(402)及預先固定在其上的饋電電纜(401)，饋電電纜(401)的上端露出地面以便之后的應用；②灌漿(混凝土)卸出防水套管(5)后，使用灌漿裝置(8)在饋電連接頭(402)處加入保護填料以保護饋電連接頭(402)。
9.按照權利要求7所述地下管道系統用陰極保護裝置施工方法，其特征在于在灌漿之后，將饋電電纜(401)引入設置在地表附近的控制箱中；然后進行下述兩種操作的一種 其一，將防護管(2)向上提起一段距離10-50cm，以便周圍的泥沙土壤和饋電連接頭(402) 能直接接觸；其二，直接卸除防護管(2)。
全文摘要
地下管道系統用陰極保護裝置施工方法，依次滿足下述要求①首先從地下管道(1)外部上方的地表(101)向下鉆孔；②向鉆出的孔內安裝中空的外護管(2)使外護管(2)前端接觸到地下管道(1)外壁；③下防水套管(5)并使固定布置在防水套管(5)前端的饋電連接頭(402)與地下管道(1)外壁緊密接觸且不移動，然后進行焊接操作；④將防水套管(5)前端的饋電連接頭(402)與地下管道(1)的金屬部分焊接在一起；⑤犧牲陽極(7)施工。本發明技術全面，效果顯著，便于施工操作；本發明是一個系統工程，涉及的內容較多；技術成熟度較高，具有可預期的極為巨大的經濟價值和社會價值。
文檔編號C23F13/02GK102995026SQ20121040871
公開日2013年3月27日 申請日期2012年10月23日 優先權日2011年10月24日
發明者魏英華, 李京, 劉陽, 趙海濤, 馬躍, 陸衛中, 史杰智, 李曉東, 高英, 張立新 申請人:中國科學院金屬研究所