Effect of Sodium Based Bentonite Waterproof Blanket on Cathodic Protection of Wrapped Buried Pipelines
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摘要:
针刺覆膜法钠基膨润土防水毯具有永久性的防水效果,可减少油气泄漏对环境造成的污染,常应用于穿越环境保护区的管道,但其对所包裹管道的阴极保护影响尚不明确。开展了不同包裹形式下防水毯对管道阴极保护影响的模拟试验,并进行实际应用与效果检测,根据检测结果,分析了防水毯对其包裹管道阴极保护屏蔽的关键影响因素。结果表明：防水毯面电阻率很高,为9.1×105 Ω·m2,绝缘性强；防渗垫开口结构不存在阴极保护屏蔽,可为防水毯包裹埋地管道阴极保护提供参考。
Abstract:The needle punched laminated sodium based bentonite waterproof blanket has a permanent waterproof blanket effect, which can reduce the pollution caused by oil and gas leaks to the environment. It is often used for pipelines crossing environmental protection areas, but its impact on the cathodic protection of the wrapped pipelines is not yet clear. Simulation experiments were conducted on the impact of waterproof blankets on pipeline cathodic protection under different wrapping forms, and practical application and effect testing were carried out. Based on the test results, the key influencing factors of waterproof blankets on the shielding of pipeline cathodic protection were analyzed. The results show that the surface resistivity of waterproof blankets was very high(9.1 × 105 Ω· m2), and had strong insulation properties. The anti-seepage pad opening structure did not have cathodic protection shielding, which could provide reference for cathodic protection of buried pipelines wrapped in waterproof blankets.
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钠基膨润土防水毯（GCL）是一种新型土工合成材料,主要分为针刺法钠基膨润土防水毯、针刺覆膜法钠基膨润土防水毯和胶黏法钠基膨润土防水毯[1-2]。适用于地铁、隧道、人工湖、垃圾填埋场、机场、水利、路桥、建筑等领域的防水[3-4]。其中,针刺法钠基膨润土防水毯（GCL-NP）是由两层土工布包裹钠基膨润土颗粒针刺而成的毯状材料,如图1（a）所示；针刺覆膜法钠基膨润土防水毯（GCL-OF）是在针刺法钠基膨润土防水毯的非织造土工布外表面上复合一层高密度聚乙烯薄膜,如图1（b）所示；胶黏法钠基膨润土防水毯（GCL-AH）是用胶黏剂把膨润土颗粒黏结到高密度聚乙烯板上,压缩生产的一种钠基膨润土防水毯,如图1（c）所示[5-6]。
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图 1 钠基膨润土防水毯的结构示意Figure 1. Structural schematic of sodium based bentonite waterproof blanket针刺覆膜法钠基膨润土防水毯是由天然矿物质蒙脱土和少量特殊无机添加剂混合后,通过特殊的生产工艺,在工厂控制条件下生产成的“毯”式防水毯衬产品,其使用寿命长,具有永久性的防水防水毯效果,可减少油气泄漏对环境造成的污染,常应用于穿越环境保护区的管道,但其对所包裹管道的阴极保护影响尚不明确[7-9]。
为了明确针刺覆膜法钠基膨润土防水毯对其包裹埋地管道阴极保护的影响,笔者开展了不同包裹形式下防水毯对管道阴极保护影响的模拟试验,并优选最优包裹方式进行实际应用与效果检测,根据检测结果,分析了防水毯对其包裹管道阴极保护屏蔽的关键影响因素,得出了开口尺寸的推荐公式,并通过现场应用证明了公式的有效性,以期为防水毯包裹埋地管道阴极保护提供参考。
1. 检测方法
1.1 防水毯面电阻率检测
如图2所示,防水毯面电阻率检测装置由两根内径9 cm的塑料管、防水毯、土壤模拟液、聚乙烯冷缠带、两根钢管及直流电源组成。两根塑料管对接,对接处采用防水毯隔断并用聚乙烯冷缠带黏接密封,两根塑料管内部灌注土壤模拟液,液面高度8 cm,土壤模拟液中浸泡面积约为60.8 cm2。采用两根钢管分别插入两根塑料管内部土壤模拟液内,利用直流电源输出电压,并测量回路电流。试验期间调节输出电压分别为5,15,30,45,60 V。
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图 2 防水毯面电阻率测试装置示意Figure 2. Schematic diagram of resistivity test device for waterproof blanket1.2 防水毯屏蔽效果检测
1.2.1 密封防水毯的屏蔽效果实验室检测
为评估密封防水毯屏蔽效果,设计模拟试验进行相关测试分析。模拟试验装置由两部分组成,一部分为带有防水毯的阴极保护电路,另一部分为无防水毯阴极保护电路,两部分共用阴极保护直流电源与阳极,利用电流表记录两回路电流,利用UDL2数据记录仪实现流向钢管阴极保护电流的通断（极化2 h后,9 s通1 s断）并采集钢管通断电电位,采用万用表分别记录两种回路下钢管的通断电电位,并采用电流表记录两回路电流,见图3。三组模拟试验参数分别为：（1）两钢管直径10 mm,防水毯毯筒ϕ260 mm×500 mm,输出电压1 V；（2）两钢管直径50 mm,防水毯毯筒ϕ500 mm×500 mm,输出电压4 V；（3）两钢管直径50 mm,两钢管直径75 mm,防水毯毯箱1 000 mm×500 mm×500 mm,输出电压3 V。
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图 3 防水毯屏蔽效果测试示意（密封）Figure 3. Schematic diagram of the shielding effect test of the waterproof blanket (sealing)1.2.2 开口防水毯的屏蔽效果实验室检测
为评估开口防水毯屏蔽效果,设计模拟试验进行相关测试分析。模拟试验装置与1.2.1节的相似,实验室制作上方开口防水毯包裹结构,尺寸1 000 mm×500 mm×500 mm,内部由木架固定,两端部由木板及聚乙烯冷缠带绝缘密封,三侧面为针刺覆膜法钠基膨润土防水毯,如图4所示。钢管直径分别为55 mm和75 mm,长度900 mm,两头黏弹体冷缠带封堵50 mm,实际裸露长度800 mm,两根钢管搭接,钢管轴心距防水毯箱底部200 mm。通过调整防水毯箱顶部覆土厚度模拟现场防水毯与混凝土盖板间隙变化,覆土厚度分别为0,50,100,200,300,400 mm,此外对无防水毯情况下的也进行了试验,输出电压持续为3 V。
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图 4 防水毯毯屏蔽效果测试示意（开口）Figure 4. Schematic diagram of waterproof blanket blanket shielding effect test (opening)1.3 防水毯的屏蔽效果现场检测
开启线路阴极保护并调整输出,分别进行两种状态下防水毯段（6.7 km）及其上下游各2 km管道密间隔电位测试,密间隔间距约10 m,对比保护效果变化,分析46#阀室阴极保护站对防水毯段管道的保护作用。两种状态分别为：①46#阀室阴保站恒位-1 900 mV（相对于Cu/CuSO4参比电极,下同）运行；②46#阀室阴保站恒位-1 400 mV运行。
2. 结果与讨论
2.1 钠基膨润土防水毯面电阻率
由表1和图5可见：回路电流与输出电压呈线性关系,表明回路电阻稳定,回路电阻约为（1.5~1.7）×108 Ω,回路电阻主要由防水毯毯面电阻决定,计算得防水毯面电阻率为9.1×105 Ω·m2,面电阻率很高,这可能与其外部高密度聚乙烯（HDPE）薄膜有关（如图6所示）,其电绝缘性高[9]。
表 1 不同输出电压下的回路电流及回路电阻Table 1. Loop current and loop resistance at different output voltages输出电压/V 回路电流/μA 回路电阻/Ω 5 0.3 1.7×108 15 1.0 1.5×108 30 1.9 1.6×108 45 2.8 1.6×108 60 4.0 1.5×108 2.2 钠基膨润土防水毯屏蔽效果的实验室评价结果
2.2.1 密封防水毯对其包裹管道阴极保护屏蔽规律
由表2和图7可见,无防水毯包裹钢管的通电电位明显负于断电电位,具有明显的IR降（IR降为472~974 mV）；有防水毯密封包裹钢管的通电电位与断电电位相等,IR降为0,即不存在阴极保护电流流入钢管,阴极保护电流被完全屏蔽。由表2还可见：三组试验中,有防水毯密封包裹下钢管的试验回路电流均为0,这与前述分析结果一致,这是由于防水毯面电阻率过大。
表 2 密封防水毯对其包裹管道阴极保护的屏蔽作用Table 2. The shielding effect of sealed waterproof blanket on the cathodic protection of the wrapped pipeline模拟试验条件 状态 通电电位/-mV 断电电位/-mV 回路电流/mA I-两钢管直径10 mm,防水毯毯筒ϕ260 mm×500 mm,输出电压1 V 无防水毯包裹 1 366 867 2.8 有防水毯密封包裹 648 648 0 II-两钢管直径50 mm,防水毯毯筒ϕ500 mm×500 mm,输出电压4 V 无防水毯包裹 1 836 862 21.8 有防水毯密封包裹 532 532 0 III-两钢管直径75 mm,防水毯毯箱1 000 mm×500 mm×500 mm,输出电压3 V 无防水毯包裹 1 443 971 57.2 有防水毯密封包裹 742 742 0 ![]()
图 7 有无防水毯包裹下钢管的IR降Figure 7. IR reduction of steel pipes with or without waterproof blanket wrapping2.2.2 开口防水毯对其包裹管道阴极保护屏蔽规律
由表3及图9可见：开口防水毯无覆土相当于防水毯密封,因而通电电位与断电电位相等,IR降为0,回路电阻为0,这也验证了开口防水毯其他部位的密封性良好；开口防水毯覆土厚度模拟防水毯不同尺寸的开口程度,随着覆土厚度增加,管道通电电位与断电电位逐渐负向偏移,IR降绝对值逐渐增大,回路电流逐渐增长,表明防水毯开口尺寸越大其对阴极保护的屏蔽效果越小。
表 3 开口防水毯对其包裹管道阴极保护的屏蔽作用Table 3. The shielding effect of open waterproof blanket on the cathodic protection of the wrapped pipeline状态 通电电位/-mV 断电电位/-mV 回路电流/mA 无防水毯 1 443 971 57.2 开口防水毯无覆土 742 742 0 开口防水毯覆土50 mm 1 262 824 30.1 开口防水毯覆土100 mm 1 561 834 37 开口防水毯覆土200 mm 1 653 839 38.9 开口防水毯覆土300 mm 1 739 842 39.8 开口防水毯覆土400 mm 1 827 847 40.2 ![]()
图 8 无防水毯及开口防水毯不同覆土厚度下钢管IR降及回路电流Figure 8. IR drop and circuit current of steel pipes under different soil cover thicknesses without waterproof blanket and open waterproof blanket![]()
图 9 46#阀室阴保站恒位-1 900 mVcse运行管道密间隔电位测试结果Figure 9. Test results of the closely spaced potential of the pipeline running at a constant level of -1 900 mV in the cathodic protection station of valve room 46#2.3 开口防水毯屏蔽的现场检测结果
某现场管道,防水毯内管道管径为508 mm与711 mm,均采用3PE防腐蚀层,防腐蚀层电阻率取100 000 Ω·m2,根据现场测试结果取平均土壤电阻率为81 Ω·m,现场设计防水毯开口部位土壤厚度为0.25 m,土壤宽度为1.5 m。
46 #阀室-1 900 mV运行条件
46#阀室阴保站恒电位-1 900 mV运行时,防水毯段及其上下游各2 km管道密间隔电位测试结果如图9所示,可以看出,防水毯段管道（增1~增8段）通电电位为-1 036~-1 690 mV,平均值为-1 489 mV,断电电位为-853~-1 230 mV,平均值为-1 005 mV。非防水毯段通电电位为-941~-1 735 mV,平均值为-1 504.9 mV,断电电位为-642~-1 294 mV,平均值为-1 023 mV。防水毯段与非防水毯段管道的通电电位平均值、断电电位平均值相近,无明显差异。
46 #阀室-1 400 mV运行条件
由图10可见,防水毯段管道（增1~增8段）通电电位为-1 071~-1 541 mV,平均值为-1 369 mV,断电电位为-743~-1 195 mV,平均值为-976 mV。非防水毯段通电电位为-1 168~-1 333 mV,平均值为-1 245 mV,断电电位为-766~-1 103 mV,平均值为-949 mV。防水毯段与非防水毯段管道的通电电位平均值、断电电位平均值相近,无明显差异。
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图 10 46#阀室阴保站恒位-1 400 mV运行管道密间隔电位测试结果Figure 10. Test results of the closely spaced potential of the pipeline running at a constant level of -1 400 mV in the cathodic protection station of valve room 46#由图11和表4可见：增大线路阴极保护输出,改迁段管道通电电位和断电电位平均值均负向偏移,46#阀室线路阴保可为改迁防水毯段提供阴极保护。此外,47#阀室部位通电电位与断电电位明显偏正,经查47#阀室存在漏电,47#阀室附近管道电位偏正与47#阀室漏电有关,经查47#阀室因加装监测装置期间存在漏电,阴极保护电流流失。
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图 11 -1 900 mV与-1 400 mV阴保条件下管道密间隔电位对比Figure 11. Comparison of pipeline close interval potential under negative protection conditions of -1 900 mV and -1 400 mV阴保输出 -1 400 mV -1 900 mV 通电电位/mV 断电电位/mV 通电电位/mV 断电电位/mV 最大值 -1 071 -743 -1 036 -853 最小值 -1 541 -1 195 -1 690 -1 230 平均值 -1 369 -976 -1 489 -1 005 3. 结论
（1）防水毯面电阻率为9.1×105 Ω·m2,其面电阻率很高,绝缘性强；
（2）防渗垫开口结构不存在阴极保护屏蔽,可为防水毯包裹埋地管道阴极保护提供参考。
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图 1 钠基膨润土防水毯的结构示意
Figure 1. Structural schematic of sodium based bentonite waterproof blanket
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图 2 防水毯面电阻率测试装置示意
Figure 2. Schematic diagram of resistivity test device for waterproof blanket
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图 3 防水毯屏蔽效果测试示意（密封）
Figure 3. Schematic diagram of the shielding effect test of the waterproof blanket (sealing)
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图 4 防水毯毯屏蔽效果测试示意（开口）
Figure 4. Schematic diagram of waterproof blanket blanket shielding effect test (opening)
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图 7 有无防水毯包裹下钢管的IR降
Figure 7. IR reduction of steel pipes with or without waterproof blanket wrapping
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图 8 无防水毯及开口防水毯不同覆土厚度下钢管IR降及回路电流
Figure 8. IR drop and circuit current of steel pipes under different soil cover thicknesses without waterproof blanket and open waterproof blanket
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图 9 46#阀室阴保站恒位-1 900 mVcse运行管道密间隔电位测试结果
Figure 9. Test results of the closely spaced potential of the pipeline running at a constant level of -1 900 mV in the cathodic protection station of valve room 46#
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图 10 46#阀室阴保站恒位-1 400 mV运行管道密间隔电位测试结果
Figure 10. Test results of the closely spaced potential of the pipeline running at a constant level of -1 400 mV in the cathodic protection station of valve room 46#
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图 11 -1 900 mV与-1 400 mV阴保条件下管道密间隔电位对比
Figure 11. Comparison of pipeline close interval potential under negative protection conditions of -1 900 mV and -1 400 mV
表 1 不同输出电压下的回路电流及回路电阻
Table 1 Loop current and loop resistance at different output voltages
输出电压/V 回路电流/μA 回路电阻/Ω 5 0.3 1.7×108 15 1.0 1.5×108 30 1.9 1.6×108 45 2.8 1.6×108 60 4.0 1.5×108 
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表 2 密封防水毯对其包裹管道阴极保护的屏蔽作用
Table 2 The shielding effect of sealed waterproof blanket on the cathodic protection of the wrapped pipeline
模拟试验条件 状态 通电电位/-mV 断电电位/-mV 回路电流/mA I-两钢管直径10 mm,防水毯毯筒ϕ260 mm×500 mm,输出电压1 V 无防水毯包裹 1 366 867 2.8 有防水毯密封包裹 648 648 0 II-两钢管直径50 mm,防水毯毯筒ϕ500 mm×500 mm,输出电压4 V 无防水毯包裹 1 836 862 21.8 有防水毯密封包裹 532 532 0 III-两钢管直径75 mm,防水毯毯箱1 000 mm×500 mm×500 mm,输出电压3 V 无防水毯包裹 1 443 971 57.2 有防水毯密封包裹 742 742 0
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表 3 开口防水毯对其包裹管道阴极保护的屏蔽作用
Table 3 The shielding effect of open waterproof blanket on the cathodic protection of the wrapped pipeline
状态 通电电位/-mV 断电电位/-mV 回路电流/mA 无防水毯 1 443 971 57.2 开口防水毯无覆土 742 742 0 开口防水毯覆土50 mm 1 262 824 30.1 开口防水毯覆土100 mm 1 561 834 37 开口防水毯覆土200 mm 1 653 839 38.9 开口防水毯覆土300 mm 1 739 842 39.8 开口防水毯覆土400 mm 1 827 847 40.2
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阴保输出 -1 400 mV -1 900 mV 通电电位/mV 断电电位/mV 通电电位/mV 断电电位/mV 最大值 -1 071 -743 -1 036 -853 最小值 -1 541 -1 195 -1 690 -1 230 平均值 -1 369 -976 -1 489 -1 005
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