专利名称：地下管道系统用阴极保护装置施工方法
技术领域：
本发明涉及地下管道防护技术领域科学，特别提供了一种地下管道系统用阴极保护装置施工方法。
背景技术：
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现有技术中，采用大口径钢质输水管线具有安全、可靠及建设周期短的优点，是目前输水工程中比较常用方法。该工艺主要是通过工作竖井间操作进行管道顶进埋设，除工作竖井外其它管线途径地面不进行地面挖掘，采用传统的腐蚀防护工艺已很难彻底解决顶管管道耐久性问题，给管道的耐久性设计和施工工艺带来新的难题。从目前已建的顶管管线情况来看，这主要存在防腐涂层性能与该施工工艺匹配问题，焊接部位补口匹配问题，中继间涂层保护问题，及阴极保护设计与施工工艺问题等。关于大口径钢质顶管管道耐久性的应用已经成为以更值得亟待解决的技术难题。由于大中城市扩建或新建输水管线工程中，通常埋设管线的土壤中或地面上已建有城市基础设施或建筑物，采用开放式挖掘埋设大口径管线会破坏这些已建城市基础设施，如路面、绿化带、构筑物等，这给埋设管线施工带来困难，也使施工成本大幅度的提高，并对城市居民的正常生活带来影响。近年来非开挖埋设管线技术的进步和完善使人看到了解决问题的希望，目前非开放式埋设管线的方法主要有盾构法、定向钻法、顶管施工法，其中顶管施工工艺适合大口径钢质管线施工，综合成本低，施工效率高，对城市设施和居民生活影响最小。如果陆域输水管线埋地较深，以直径3. 6米顶管管线为例，埋设深度均在10米以上，上海岩土工程勘察设计研究院的调查报告中指出，当土壤深度大于10米时，土壤电阻率大多小于10Ω ·Π1。如果地下水位较高(例如沿途多处有河渠)，预计此类土壤环境对钢质管线有较强的的腐蚀破坏。另外，对某些特殊地段管线的腐蚀也应格外关注，例如有磁悬浮列车通过之处，设置有交流变电站之处。这些地点也都可能会对管线带来较大的杂散电流引起的电化学腐蚀。顶管施工过程中管段间连接焊缝以及采用中继间技术推进管道的焊接部位的腐蚀防护也需格外关注。总之，地下施工钢顶管的腐蚀问题不容忽视，为保障该工程耐久性，必须对钢顶管采取相应的腐蚀防护措施。而且，如果钢顶管埋设深，必然造成维修困难，更不可能中途更换管道，因此这类钢顶管的腐蚀防护措施务必可靠，即耐久性要求极高。但是，由于该管线距离长、埋设深且要求非开挖施工，其腐蚀防护面临诸多亟待解决的问题。1、现有技术中，埋地钢顶管腐蚀防护方法简介如下钢顶管在土壤中的腐蚀是由于钢材的某一部分在其与土壤环境所形成的电池中处于阳极地位，电位较低，因电子流失造成腐蚀，见
图18。为了抑制腐蚀，人们采用以下几种防护方法I)预留腐蚀余量采用厚壁的大口径钢管，依靠钢材自身的腐蚀余量达到设计寿命要求，这种方法需要花费很多钢铁资源，而且制造和安装费用较高，施工周期长，需要专业性强的制管装备，这对于大口径的钢顶管来讲还存在力学方面的诸多问题。另外，仅留有腐蚀余量的钢顶管在土壤腐蚀环境可能会由于局部腐蚀和应力腐蚀而产生不可预见性的破坏。同时，目前我国也很少具备大批量生产大口径超厚壁钢管能力。2)耐腐蚀合金钢近50年来材料学家研制了多种耐腐蚀的低碳合金钢和不锈钢，包括10CrMoAl、304、316L和00Cr26Ni7Mo2Ti等，虽然其腐蚀速率较普通碳钢低2倍多，但焊接工艺复杂，易在焊接部位和热影响区产生严重的点蚀、电偶腐蚀、应力腐蚀等，从而降低了使用的结构整体的安全性，而且造价也较高。3)保护涂层或有机保护衬套防腐自从18世纪中叶欧洲采用煤焦油、亚麻油作为金属的防腐蚀方法以来，防护涂层得到蓬勃发展，已成为金属材料最广泛的防腐措施，防腐蚀覆盖层已经形成了有机涂料、水泥砂浆、磁漆和金属覆盖层4大体系。涂层防腐蚀方法总体来说，施工简单，适用于所有的腐蚀环境，但它作为独立的保护手段，需要具备在整个服役过程中对环境无害、完整无缺的特点。这需要在预制、安装、搬运以及后续的运行中不出 现明显破损，否则会加剧局部区域的腐蚀。衬套防腐主要将橡胶、玻璃钢、聚乙烯等材料作为衬套，在局部进行特别加强保护的方法。4)阴极保护方法自从1836年英国的戴维首次将铸铁连接在船体的黄铜上对其进行阴极保护以来，该方法得到广泛推广，在埋地管道的防护中更是不可缺少。阴极保护的原理是采取人为的手段使钢材电位降低，从而抑制钢的腐蚀。这一点从钢材的电位-PH图可以看出，在钢材的电位低于某一值时，钢材处于不腐蚀状态，见图23。尤其在钢的电位低于-O. 85V(相对于饱和铜/硫酸铜参比电极，简称CSE)后，钢的腐蚀可以忽略，因此-O. 85V/CSE也成为钢材阴极保护的电位准则，在阴极保护工程中被广泛采纳。要达到这样的目的采取的方法是将电子从外部朝钢材流动，从而降低钢材的腐蚀速度，如图24、25所示。根据降低钢结构电位的手段不同，阴极保护手段分为外加电流(图24)和牺牲阳极(图25)两种方法,两者的对比见下表I。表I两种阴极保护方式的优缺点
权利要求
1.地下管道系统用阴极保护装置施工方法，其特征在于所述地下管道系统用阴极保护装置施工方法依次满足下述要求①首先从地下管道(I)外部上方的地表(101)向地下管道(I)的方向钻孔，孔直径10 1200mm,该孔直达地下管道(I)的外壁但不应破坏地下管道(I);各孔沿地下管道(I)在其正上方布置，各孔之间的间距为100-500m;②然后向上述过程钻出的孔内安装中空的外护管(2)，并使外护管(2)的前端接触到地下管道(I)外壁并由外护管(2)和地下管道(I)外壁共同构成相对封闭的管状空腔；外护管(2)具体为钢管或塑料管；其规格为内腔直径50-200_;外护管(2)内部可能填充有一些泥沙(102)内容物；③下防水套管(5):将防水套管(5)放入外护管(2)内，并使固定布置在防水套管(5)前端的馈电连接头(402 )与地下管道(I)外壁紧密接触且不移动，然后进行焊接操作；所述馈电连接头(402 )设置在整个防水套管(5 )最前段，馈电连接头(402 )前端设置有封闭的内腔，其前端厚度为O. 2-8mm;馈电连接头(402)封闭内腔的前端面为锥面，锥面的横截面随距离馈电连接头(402)的前端面的减小而减小；馈电连接头(402)上预先固定有馈电电缆(401)；④遥控焊接使用焊接装置将防水套管(5)前端的馈电连接头(402)与地下管道(I)的金属部分焊接在一起形成电连接关系；⑤牺牲阳极(7)施工预先在地下管道(I)附近打孔，埋入牺牲阳极(7 )，并通过馈电装置(4)将其与地下管道(I)形成电连接，并最终构成地下管道阴极保护系统；牺牲阳极(7) 的布置间距为50 - 500米；成对布置或者单一布置。
2.按照权利要求1所述地下管道系统用阴极保护装置施工方法，其特征在于从地下管道(I)外部上方的地表向地下管道(I)的方向钻孔的过程满足下述要求孔深10 50 米，对应的孔直径为50 250mm，各孔之间的间距为150_300m ；在地下管道(I)正上方钻孔，孔轴线方向与地下管线横截面几何中心尽量靠近甚至与其重合；钻孔方法首先在非开挖施工管道上方，确定进行地表钻孔的点，然后进行钻孔操作； 打孔要求在与地下管道(I)垂直方向上，该点应在在竖直方向的正上方。
3.按照权利要求1所述地下管道系统用阴极保护装置施工方法，其特征在于向孔内输入并安装外护管(2)的过程满足下述要求将外护管(2)送入孔中直至外护管(2)的前端到达并接触到地下管道(I)外壁；外护管(2)的直径尺寸从100 150mm ;外护管(2)为钢管或塑料管，接触地下管道(I)的外护管(2)的管端固定设置有用于缓冲保护地下管道(I)外壁的绝缘密封垫；外护管(2)为分段结构，各段之间为螺纹联接结构；整体装配后的外护管(2)外表面涂覆有防护涂层。
4.按照权利要求1所述地下管道系统用阴极保护装置施工方法，其特征在于遥控焊接的过程中满足下述要求使用焊枪(6)和预先固定在馈电连接头(402)上的馈电电缆(401)构成电连接回路以便进行遥控焊接操作，将馈电连接头(402 )与地下管道(I)焊接在一起构成电连接关系；焊接的过程满足下述要求首先将已经装夹焊条的焊枪(6)送入防水套管(5)内部并使其前端的焊条端部靠近馈电连接头(402)的内腔前端，然后开始焊接，以便将馈电连接头(402)与地下管道(I)的金属部分焊接在一起形成电连接关系；焊接后的馈电电缆(401)的外部一直延伸到地表；馈电电缆(401)延伸到地表的实际长度应该大于等于110%用于放置外护管(2)的孔的深度。
5.按照权利要求1所述地下管道系统用阴极保护装置施工方法，其特征在于牺牲阳极(7)满足下述要求牺牲阳极材料层(701)具体由多种材料选择镁阳极，锌阳极， 铝-锌-铟系合金牺牲阳极，锌一铝一镉合金牺牲阳极。
6.按照权利要求1-5其中之一所述地下管道系统用阴极保护装置施工方法，其特征在于在安装外护管(2)之后和放入防水套管(5)之前还依次进行下述处理过程①清井清井时，从外护管(2)中心腔中将遥控的清理设备送入到井底以便清理位于外护管(2)内部靠近地下管道(I)外壁处的杂物；清井要求是将影响焊接效果的泥沙(102)和污水等清除出外护管(2)，同时用清水或者空气填充该处待焊接部位附近的空间；清井具体采用高压水或高压空气作为工作介质；具体的清井方法满足下述要求之一或其组合其一，如果地下管道(I)附近的土壤流动性差，采用的清井处理办法是略微提起外护管(2)，提高的高度要求为10 100mm，将压缩空气或高压水借助于清井管(103)从外护管(2)上端输入并送至井底以便加入压缩空气或高压水，需要压力在2个大气压以上，最终将泥沙(102)从井底顶出；然后在保持压力的同时，放回外护管(2)使之与地下管道(I) 外壁接触直至外护管(2)与地下管道(I)紧密接触，以便形成相对封闭的腔室且能保证外护管(2)内的清洁以利于后续的焊接过程进行；其二，如果由井底清除淤泥不易，则在保证外护管(2)与地下管道(I)之间尽可能紧密接触的同时，将压缩空气或高压水通过深入到外护管(2)内部的清井管(103)在井底输出压缩空气或高压水将淤泥从外护管(2)内部向上顶出并最终由井口顶出；压缩空气或高压水需要的压力要求在2个大气压以上，外护管(2)与地下管道(I)外壁始终紧密接触形成上部开口的腔室利于清井并在清井后能够阻挡污物进入外护管(2)内；②焊点检查在清井之后对馈电装置(4)与地下管道(I)之间将要进行焊接的焊点进行预先检查，具体检查内容是包括被保护的地下管道(I)处的水平情况和馈电点处的泥沙残余量。
7.按照权利要求1-5其中之一所述地下管道系统用阴极保护装置施工方法，其特征在于在遥控焊接之后检查是否满足电阻率和焊接强度；具体检查的合格要求是电阻率要求在O. 1-0. 01欧姆；焊接强度要求使用50-200kg的外力牵拉馈电电缆(401)，要求不会破坏馈电连接头(402)与地下管道(I)的焊接质量。
8.按照权利要求1-5其中之一所述地下管道系统用阴极保护装置施工方法，其特征在于在遥控焊接并合格后，还要求进行下述两种操作①卸出防水套管(5):焊后检测合格后，卸出防水套管(5)除了馈电连接头(402)和馈电电缆(401)之外的其余部分；要求保留最前段已经焊接连接在地下管道(I)上的的馈电连接头(402)及预先固定在其上的馈电电缆(401)，馈电电缆(401)的上端露出地面以便之后的应用；②灌浆(混凝土)卸出防水套管(5)后，使用灌浆装置(8)在馈电连接头(402)处加入保护填料以保护馈电连接头(402)。
9.按照权利要求7所述地下管道系统用阴极保护装置施工方法，其特征在于在灌浆之后，将馈电电缆(401)引入设置在地表附近的控制箱中；然后进行下述两种操作的一种 其一，将防护管(2)向上提起一段距离10-50cm，以便周围的泥沙土壤和馈电连接头(402) 能直接接触；其二，直接卸除防护管(2)。
全文摘要
地下管道系统用阴极保护装置施工方法，依次满足下述要求①首先从地下管道(1)外部上方的地表(101)向下钻孔；②向钻出的孔内安装中空的外护管(2)使外护管(2)前端接触到地下管道(1)外壁；③下防水套管(5)并使固定布置在防水套管(5)前端的馈电连接头(402)与地下管道(1)外壁紧密接触且不移动，然后进行焊接操作；④将防水套管(5)前端的馈电连接头(402)与地下管道(1)的金属部分焊接在一起；⑤牺牲阳极(7)施工。本发明技术全面，效果显著，便于施工操作；本发明是一个系统工程，涉及的内容较多；技术成熟度较高，具有可预期的极为巨大的经济价值和社会价值。
文档编号C23F13/02GK102995026SQ20121040871
公开日2013年3月27日 申请日期2012年10月23日 优先权日2011年10月24日
发明者魏英华, 李京, 刘阳, 赵海涛, 马跃, 陆卫中, 史杰智, 李晓东, 高英, 张立新 申请人:中国科学院金属研究所