沿海吹填土地质内电气接地网阴极保护的选取与应用

闫冰

(河南第一火电建设公司，河南 郑州 450001)

0 引言

华润唐山曹妃甸燃煤供热电厂(以下简称曹妃甸电厂)位于唐山市南堡开发区曹妃甸岛海域，地质特征为沙质海滩，建设用地由沙质吹填土形成，厂区属滨海浅滩吹填造地地质，土壤具有极强的腐蚀性。曹妃甸电厂有2台300MW燃煤供热机组，厂区地质特征为沙质海滩，对钢结构具有中等腐蚀性，采用镁合金牺牲阳极进行阴极保护是防止全厂电气接地网地下部分腐蚀的有效方法。它是通过向被保护的金属结构物表面通入足够的阴极极化电流，使金属的电位向负方向移动，使之在电解质中难于失去电子，从而使金属的电化学腐蚀得到有效抑制。在该工程中镁合金牺牲阳极的有效使用，在电气接地网得到保护的同时，对临近金属结构的影响极小，运行成本低且安装、施工简便。

1 场地岩土工程特性

1．1 地层岩性

曹妃甸电厂厂区及其附近地层情况见表1。厂区表层及其附近已完成吹填造地，人工吹填大面积粉、细沙层，吹填厚度为4～6m。该区域地下水为海水，地下水位的变化受潮汐的影响，变化幅度为1．0～2．0m。在4个试验区中，除其中1区水位埋深大于1．7m且水位较稳定外，其他3个区的水位埋深较浅或接近地表。其中1区在地表下0．5～0．7m。

1．2 地下水及水、土腐蚀性评价

1．2．1 地下水及其腐蚀性评价

地下水水质试验分析结果见表2，水中Cl－的质量浓度为19036．7～21518．2mg/L的质量浓度为1579．6～1 736．1mg/L，pH 值为 6．45～6．50。因此，依据GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》第12．2．1～12．2．5 条及表 12．2．1～12．2．5 的相关规定，按Ⅱ类环境考虑，综合判定该场地的地下水对混凝土结构具有中等腐蚀性，混凝土结构中的钢筋在长期浸水状态下具有弱腐蚀性及在干湿交替状态下具有强腐蚀性，地下水对钢结构具有中等腐蚀性。

表1 厂区及其附近地层情况

1．2．2 地基土腐蚀性评价

根据河北电力勘测设计研究院《华润电力曹妃甸电厂初步设计阶段厂址区岩土工程勘测报告》，为查明厂址区场地土的腐蚀性，勘测中对场地的土质进行了易溶盐含量分析，结果见表3。由表3可知，土中的质量浓度为415．68～653．76 mg/L，Cl－+的质量浓度为3 511．23～5287．91mg/kg。因此，依据 GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》中第 12．2．1～12．2．5 条及表12．2．1～12．2．5 的相关规定，综合判定厂址区场地土壤对混凝土结构无腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具有中等腐蚀性，对钢结构具有中等腐蚀性。

2 接地网阴极保护设计

2．1 保护范围

该期工程全厂室外接地网及接地体:50mm×8 mm镀锌扁钢水平接地极9590m;80mm×8mm镀锌扁钢水平接地极800m;长1．5m，直径50mm镀锌钢管垂直接地极1054根。

表2 地下水水质分析

表3 场地土腐蚀性分析

2．2 选用保护方式

阴极保护是防止地下金属结构物腐蚀比较有效的方法。可分为牺牲阳极和外加电流2种保护方式，不管保护电流是通过被保护金属同牺牲阳极相连产生，还是采用外加电源供给，效果都是一样的。根据曹妃甸电厂的土质情况，该工程接地网阴极保护的方式采用的是牺牲阳极法。

2．3 土壤电阻率评价

采用“温纳四极法”实测的土壤电阻率见表4，土壤电阻率与土壤腐蚀性能见表5。

表4 采用“温纳四极法”实测的土壤电阻率(观测日期:2007－05－23—25)

表5 土壤电阻率与土壤腐蚀性 Ω·M

根据实测的土壤电阻率结果(表4)对照土壤电阻率与土壤腐蚀性评价标准(表5)可以看出:几乎所有位置的土壤均属于极强腐蚀等级，即土壤有极强的腐蚀性，它与地貌上属滨海浅滩情况有关。

2．4 主要技术指标

(1)实施阴极保护后，被保护的接地网各点电位应低于－0．85V(相对于Cu/CuSO4参比电极)，或与对地电位之差达到－0．30V以上。

(2)阳极设计使用寿命大于30年。

2．5 确定最小保护电流密度

根据现场实测土壤腐蚀性数据，考虑有关资料的经验值和若干牺牲阳极保护工程实践，确定最小保护电流密度为25mA/m2。

2．6 确定牺牲阳极材料

在上述如此低的土壤电阻率场地中，选择锌合金阳极也许适合该场地情况，在交流电压干扰的情况下，阳极有时会发生极性逆转，相比之下，锌阳极抗干扰能力比较强，但锌阳极电流效率低，市场价格高。最后经业主方认可，确定采用镁合金牺牲阳极，镁合金阳极具有密度小、电位低和对钢的驱动电压大的特点，另外，牺牲阳极使用镁合金材料也符合GB/T 21448—2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》的要求。

2．7 设计计算

2．7．1 被保护接地网面积

曹妃甸电厂一期2×300MW供热机组全厂防雷接地网需要进行保护的总面积为1300．162m2。2．7．2 电流密度

目前，关于接地极最小保护电流密度的选取，尚无标准可查。据有关资料报道，可供参考的最小保护电流密度为:裸管，一般中性土壤为 5～15 mA/m2，透气性中性土壤为20～30mA/m2，湿润土壤为25～60mA/m2;钢管接地极，无覆盖层为10～100mA/m2;裸露钢桩码头海泥为15～30mA/m2。综合考虑以上各推荐数据，结合以往实际工程经验，确定最小保护电流密度为25mA/m2。

2．7．3 保护电流式中:SZ为场地总面积，m2;IX为最小保护电流密度，mA/m2。

2．7．4 需要阳极总量

式中:Y为牺牲阳极的使用寿命，30 a;T为时间换算系数，8 760 h/a;Q为牺牲阳极实际电容量，1 100(A·h)/kg;P为牺牲阳极利用系数，一般取0．85。

2．7．5 阳极数量

2．7．6 牺牲阳极寿命

式中:C为牺牲阳极的截面周长，mm;D为牺牲阳极的当量直径，mm。

阳极接地电阻

式中:ρ为土壤电阻率，取4Ω·m;l为牺牲阳极的长度，mm。

接地极接地电阻。按阳极间距14．5m计算，则阴极接地电阻为式中:R为回路总电阻(埋地水平带形，长2L，截面

式中:If为阳极输出电流，A;Ec为阴极开路电位，V;Ea为阳极开路电位，V;ec为阴极极化电位，V;ea为阳极极化电位，V;Ra为阳极接地电阻，Ω;Rc为阴极过渡电阻，Ω;Rw为回路导线电阻，Ω，可忽略不计;ΔE为阳极有效电位差，V;取自然电位对地负向变化 0．3V 的1．5 倍。

式中:Y为牺牲阳极使用寿命，a;m为单支牺牲阳极质量，kg;Q为牺牲阳极实际电容量，(A·h)/kg;Im为每块牺牲阳极平均发生电流;K为牺牲阳极利用系数，0．85;Y=30．4 a。

对于阳极寿命选用30 a设计年限，由于地下金属构件的自然腐蚀年限一般为5 a，加上阴极保护的设计年限使金属构件的寿命可达35 a，符合并大于华润曹妃甸电厂电气接地网要求达到的30 a设计寿命。

3 牺牲阳极埋设

阳极间距14．5～15．0m，考虑厂区接地极全部为海中取出的海土，土壤电阻率很低，可不用填包料，其他同常规。

4 保护效果测试

曹妃甸电厂阴极保护系统2008年10月6日安装完毕，系统运行后进行测试 ，测试时间为2008年11月26日，使用Cu/CuSO4参比电极，结果见表6。

表6 保护效果测试 V

5 结论

由于该区域场地由海底沙质土吹填形成，应属于滨海浅滩地质。从实测的土壤电阻率可以看出，该厂区内土壤电阻率极低，造成土壤中电压降(IR降)也极低，因此，阴极保护中瞬时断电电位非常接近于保护电位，其保护中各项参数也要好于大部分内陆地区。从实际运行的结果来看，曹妃甸电厂接地网的阴极保护系统安装后，保护参数经检测符合设计要求，接地网的保护电位达到了设计要求和标准规定，取得了较好的防腐效果。曹妃甸电厂接地网的阴极保护系统投资节省且维护、检修也较方便。因此，选取和应用镁合金牺牲阳极对于环渤海地区同类地质电气接地网的阴极保护是一种较好的解决方案。

［1］建研地基基础工程有限责任公司．首钢京唐钢铁联合有限责任公司钢铁厂地基处理试验报告［R］．北京:中国建筑科学研究院地基基础研究所，2006．

［2］周全成．华润电力曹妃甸电厂初步设计阶段厂址区岩土工程勘测报告［R］．石家庄:河北电力勘测设计研究院，2006．

［3］胡士信．阴极保护工程手册［M］．北京:化学工业出版社，2003．