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外加电流阴极保护辅助阳极的选择及计算

       辅助阳极又称阳极接地装置,阳极地床。它是外加电流阴极保护中不可缺少的重要组成部分,辅助阳极的好坏决定了阴极保护系统的使用寿命和保护距离,也决定了外加电流阴极保护系统的保护效果,如果处置不当,则阴极保护系统无法正常运行,甚至还坏对其他进出产生杂散电流干饶。恒电位仪通过辅助阳极把保护电流送入土壤,经土壤流入被保护的管道,使管道表面进行阴极极化(防止电化学腐蚀)电流再由管道流入恒电位仪负极形成一个回路,这一回路形成了一个电解池,管道为负极处于还原环境中,防止腐蚀;而辅助阳极进行氧化反应,遭受腐蚀,也可能是周围电解质被氧化。

  阴保站的电能60%消耗在阳极接地电阻上,故阳极材料的选择和埋设方式、场所的选择,对减小电阻节约电能是至关重要的。阳极材料必须有良好的导电性能,在与土壤或地下水接触时有稳定的接地电阻,即使在高电流密度下,其表面的极化较小;化学稳定性好,在恶劣环境中腐蚀率小;有一定的机械强度并便于加工和安装;价格低来源方便。

  一般来说,阳极埋设地区的土壤越潮湿,土壤电阻率越低,阳极埋设越深,阳极床的接地电阻越小。有时,当土壤和阳极床的地质结构不能满足阳极接地电阻的要求时,会采用在阳极地床的回填区域添加一些极化剂,以增加土壤导电性能,减少地床接地电阻。

  1、辅助阳极埋设位置的选择

  辅助阳极与管道距离愈远电流分布愈均匀,但过远会增加引线上的电压降和投资。从实测数据来看辅助阳极距汇流点200米以内时,对电流分布影响较大,远于300米后影响就不大了。故在长输管道的干线上阳极一般设在距管道300~500米之间为宜。管道较短或油气管道较密集的地区,采用50~300米之间是合适的。花格线设计是450m,对于土壤电阻率很大的地区是否过远,是值得研究的问题。因此对处于特殊地形、环境的管道,辅助阳极的距离和埋设方式应根据现场情况慎重选定。

  在阴保站址选定的同时,应在予选站址与管道的一侧选择阳极安装的位置,其原则是:

  (1)地下水位较高或潮湿低洼处;

  (2)土层厚,无块石,便于施工;

  (3)土壤电阻率一般应小于50欧姆米,特殊地区也应小于100欧姆米

  (4)对邻近的地下金属构筑物干扰小,阳极地床与被保护管道之间不得有其它金属管道。

  (5)考虑阳极附近地域近期发展规划及管道发展规划以避免建后可能出现的搬迁。

  (6)阳极地床位置与管道汇流点距离适当

  (7)地面金属构筑物较多,用地狭窄时,可采用深井阳极,以减小对其它金属构物的干扰又节约用地。

  阳极接地电阻约占直流回路电阻60%左右,大部分能量损失是由它造成的,因此合理选择阳极地床位置,降低接地电阻是十分重要的工作。

  2、辅助阳极的结构

  2.1 浅埋式地床结构

  将电极埋入距地表1~5米的土层中,这是管道阴极保护一般选用的阳极埋设形式。浅埋式阳极又可分为立式,水平式两种,对于高硅铸铁阳极可能两种联合称为联合式阳极。

  (1)立式阳极

  由一根或多根垂直埋入地中的阳极排列构成,电极间用电缆联接。其优点有:

  a.全年接地电阻变化不大;

  b.当阳极尺寸相同时,立式地床的接地电阻较水平式小。

  (2)水平式阳极

  将阳极以水平方向埋入一定深度的地层中,其优点有:

  a.安装土石方量较小,易于施工;

  b.容易检查地床各部分的工作情况。

  (3)联合式阳极

  指采用钢铁材料制成地床,它由上端联接着水平干线的一排立式阳极所组成。

  2.2 深埋式阳极(深井阳极)

  当阳极地床周围存在干扰、屏蔽、地床位置受到限制,或者在地下管网密集区进行区域性阴极保护时,使用深埋式阳极,可获得浅埋式阳极所不能得到的保护效果。深埋式地床根据埋设深度不同可分为浅深井(20~40米)、中深井(50~100米)和深井(>100米)三种。

  深埋式阳极地床的特点是接地电阻小,对周围干扰小,消耗功率低,电流分布比较理想。它的缺点是施工复杂技术要求高,单井造价贵。尤其是深度超过100米的深阳极,施工需要大钻机,这就限制了它的应用。

  3、阳极地床填料的应用

  石墨阳极无论采用浅埋或深埋都必须添加回填料。高硅铁阳极一般需要添加回填料,但在特殊地质可能不使用回填料,如沼泽、流砂层地区等。柔性阳极本身带有填包料。网状阳极在罐底使用时,一般不需要添加填包料。对于深井阳极形式,无论是使用高硅铸铁阳极还是金属氧化物阳极,都必须设计应用填包料。

  (1)阳极地床填料的功能

  1)增大阳极与土壤的接触,从而降低地床接地电阻;

  2)将阳极电极反应转移到填料与土壤之间进行,延长阳极的使用寿命;

  3)填料可以消除气体堵塞。

  (2)对填料的要求

  1)填料颗粒必须是导电体,以保证阳极与土壤之间良好的导电性。

  2)填料应成本低,来源广,具有较连续的接触表面。

  常用的回填料是焦炭粒,也可采用石墨加上石灰充填,以保持阳极周围呈碱性。通常用的焦炭粒性能规格见下表。

  阳极地床回填用焦炭粒性能规格 表1

  确保阳极与回填料良好的电接触,填料必须在阳极周围夯实。否则会使一部分电流从阳极直接流向土壤而缩短阳极使用寿命。

  在粘土地区,若阳极地床通过电流太大,可采用电极带孔的硬塑料管,由填料层直接通地面,及时地将阳极周围产生的气体排出地面。对于较干燥地区可向地床注水降低接地电阻。

  (3)回填料的重量

  可用下述简单方法估计填料的容积:阳极地床孔径为阳极直径的三倍。且在电极上下各填300毫米填料。对粒径为15mm,比重为0。6吨/米3的焦炭粒来说,每支ф100×1500阳极的参考用量为200公斤。

  4、阳极数量与接地电阻

  阳极数量与接地电阻成反比关系。在一定范围内增加阳极支数会起到降低接地电阻的作用。但是由于阳极间的屏蔽效应,往往增加较多支的阳极,而降低电阻却很少。所以对于阳极数量的选择是一个经济效益问题。在确定阳极数量时需要考虑主要因素为:

  1、要使阳极输出的电流在阳极材料允许的电流额度内,以保证阳极地床的使用寿命。

  2、在经济合理的前提下,阳极接地电阻应尽量做到最小,以降低电能耗量。即对接地电阻规定一个合适的数值。目前接地电阻一般不大于1欧左右,在特殊地区可根据现场情况选定。

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