威立雅水务管网管理部（常州）管道阴极保护演示工程的设计

2020-03-04李远海彭铁军

化工设计通讯 2020年1期

彭程，李远海，彭铁军，唐虹

（湖南省永顺县第一中学，湖南湘西 416700）

本项目为常州威立雅水务管网管理部地下管道阴极保护，目的是进行阴极保护的演示实验，讲授阴极保护的极化过程以及电位分布测量。本项目为地下管道阴极保护演示工程，管道保护面积小，长度仅15m，管径为Ф150mm，壁厚6mm，涂层为“三油两布”，即三层环氧煤沥青，两层玻璃丝布，管道埋设在草坪下的土壤中，埋深1.1mm，土壤的腐蚀性较低。控制电位要求在-850mV（相对于饱和硫酸铜电极，下同）上下波动且控制精度高。综合考虑，本设计根据管道的埋设特征，土壤腐蚀环境调查测量，供电电源及演示效果等具体分析，兼顾技术和经济两个指标，选择强制电流阴极保护中的浅埋阳极地床技术。

1 执行标准

本阴极保护技术方案设计依据GB/T 21246—2007《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》、GB/T 21448—2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》、SY/T 0086—2003《阴极保护管道的电绝缘标准》、SYJ28—87《埋地钢质管道环氧煤沥青防腐层技术标准》、美NACE RP0169—96《埋地或水下金属管道系统的外部腐蚀控制》、英BS7361—1991《阴极保护应用原则和特殊考虑》、GB8491—87《高硅耐蚀铸铁件》。

2 保护管道的腐蚀环境调查

土壤是一个由气、液、固三相物质组成的复杂体系，其三相组成随温度、气候、季节等因素的变化而改变，由此导致土壤的电阻率、氧化还原电位、pH值、含水率、透气性等特性改变；同时土壤中伴有一系列微生物的新陈代谢活动，这些都是引起管网腐蚀的因素。根据现场的测量，土壤的氧化还原电位为486mV（相对氢标准电极），pH=8.4，土壤的自然电位为529～536mV，并且进行了现场取样分析，分析结果见表1。

表1 土壤取样分析结果

从现场测量的结果和取样分析结果综合来看，土壤的氧化还原电位都大于400mV，依据SY/T0087—95《钢质管道及储罐腐蚀与防护调查方法标准》的规定，土壤的腐蚀性较小，土壤pH＞7，呈弱碱性，土壤腐蚀等级偏低，对金属管道防护要求较低。土壤自然电位大于500mV，说明土壤腐蚀性较低。土壤电阻率在15～50Ω·m，属于腐蚀性中等的环境。综合考虑各个因素，土壤的腐蚀性较低，属于低腐蚀性环境。

3 技术要求

1）采用外加电流阴极保护，阴极保护的演示实验装置设计。

2）要求能够测量出极化电位。

3）要求沿线测量保护电位（至少3个点），并能显示出电位变化梯度。

4 阴极保护方案设计

4.1 电流密度取值

由于管道所处的土壤环境腐蚀性较低，并且外防腐涂层为“三油两布”，除了人为剥开的破损点，涂层的破损率很低，故保护电流密度取1mA/m2（I0）。

4.2 保护电流的计算

保护面积：S=π ·D·L=3.14×0.15×15=7.07m2

保护电流：I=I0×S=1×7.07=7.07mA

4.3 阳极选型

根据现场考察并对现场测试数据进行比较与分析，具有管道保护面积小，管道埋设浅，管道涂层较好，土壤腐蚀性弱等特点。兼顾技术质量与经济，选取常用的辅助阳极，高硅铸铁阳极一支。

阳极规格：棒状阳极，净重1.5kg/支，尺寸：Ф25mm×300mm，消耗率，0.2kg/（A·a），工作电流密度10A/m2。

4.4 阳极寿命计算

T为阳极使用寿命，a；G为阳极总重量，1.5kg；g为阳极消耗率，0.2kg/（A·a）；I为阳极工作电流，7.07mA；K为阳极利用系数，取0.7～0.85。

代入数据得到：T=742a。

4.5 整流器设计

（1）阳极接地电阻计算

本设计中阳极垂直于管道埋设，土壤的平均电阻率取20Ω · m，对于单支立式阳极的接地电阻，根据GB/T21448—2008《埋地钢质管道阴极保护技术规范》中立式辅助阳极接地电阻RV1公式计算：

式中：PV1为单只立式辅助阳极接地电阻，单位为Ω；ρ为土壤平均电阻率，单位为Ω · m，这里取20Ω · m；La为辅助阳极长度（含填料），单位为m，这里为0.3m；Da为辅助阳极直径（含填料），单位为m，这里为0.025m；t为辅助阳极埋深（填料顶部距地表面），单位为m，这里取0.5m。

代入数据后计算得到：RV1=36.2Ω

本设计中由于管道仅15m，附近没有其他构筑物的影响，由于电缆短，电缆直径比较粗，所以电缆电阻忽略不计，即回路电阻RT=36.2Ω，根据欧姆定律，总的回路电压ET为：

I=保护总电流，7.07mA

根据计算，整流器的输出很低，故选用高精度整流器，选2A/15V。

整流器规格如下：

输入电压：AC220V±10%单相或AC380V±10%三相，50Hz±1Hz；输出电压：15V；输出电流：2A；电压调整率≤5×10-3+10mV；电流调整率≤1mA；周围与随机漂移VP-P≤10mV；指示：电压和电流表各一个，精度为2.5级或3位半数字电压表和电流表和电流表各一个，电压表精度±1%+2个字，电流表精度±2%+2个字；使用环境：-15～40℃，相对湿度＜90%。

4.6 电缆选型

（1）阳极供电电缆

阳极供电电缆的长度预计50m，根据电缆流过的最大电流及其长度，而且一般要求电缆上的压降不大于2V，初步计算结果要求供电电缆截面积为16mm2，铠装。

（2）阴极电缆

阴极电缆由管道连至整流器，选用截面积为16mm2的电缆，铠装。

（3）参比电极电缆

在测试桩附近埋设一只参比电极，选用截面积为2.5mm2的电缆，电缆引致测试桩。

（4）零位电缆（测试电缆）

在参比电极附近从管道上引出测量线，选用截面积为10mm2的电缆，电缆引致测试桩。

4.7 管道绝缘设计

该工程中实验管道为现场管网中一根，且管道之间有法兰连接，没有进行绝缘处理，根据设计要求，其他管道不在试验范围内，即不需要施加电流保护，为保证阴极保护系统保护效果，必须在管道两端进行绝缘处理。

5 系统安装设计

本设计中阳极垂直于管道安装，距管道0.4m，埋深0.5m，阳极电缆与管道之间的连接采用铝热焊焊接。

6 阴极保护系统的测量

6.1 测试桩

在实际的阴极保护工程中，在沿管线每1000m距离处，分别设置阴极保护系统测试桩，以便通过定期测量阴极保护有关数据，了解和评定阴极保护系统的运行状况并及时对管道保护进行评价。由于管道很短，故只需设置一个测试桩，安置在管道的北端，测试桩附近埋一只参比电极，并从管道上引出测量线，利用测量线和参比电极进行自然电位和保护电位测量。