管道外加电流阴极保护方案

管道外加电流阴极保护

设计案

上海xxx设计研究总院

二〇一二年十二月三日一、概述

管道由1条DN1428低碳钢焊接管组成，总长约1.5Km,采用顶管和开挖排管相结合的施工法进行敷设。

根据类似工程数据，管道埋设深度土层的平均土壤电阻率5～10Ω·m。

全部钢管外防腐均采用熔融环氧粉末防腐涂层。顶管连接焊缝处采用专用液态环氧树脂补口涂料涂封。

二、设计案

本工程敷设的管道口径较大、埋设深度深、采用顶管法敷设在中继间切割及密封焊接会造成该处管道外涂层损伤。因此管道阴极保护选用外加电流法。

管道设计采用独立的外加电流阴极保护系统。清水管道在两端各设计1个阴极保护站。每个阴极保护站在距管道30～50m处设计1座深井阳极、在靠近排气管处埋设1支长效硫酸铜参比电极、在阴极保护站设计安装1台直流电源。

中间流量井1处需采用电缆跨接确保管道良好电连续连接。

本工程顶管施工完成后大部分工作井不拆除，由于其混凝土井壁、井底会对外加电流产生屏蔽使井浸在水中或土中的管道无法获得有效保护，为此在每个井设计安装埋设2支镁合金牺牲阳极对井管道实施阴极保护。

三、设计依据的标准及规

1、GB/T21448-2008埋地钢质管道阴极保护技术规。

2、GB/T21246-2007埋地钢质管道阴极保护参数测量法。

3、SY/T0086-95阴极保护管道的电绝缘标准。

4、SYJ4006-90长输管道阴极保护施工及验收规

四、设计指标

1、阴极保护设计使用寿命20年。有效保护期间管道极化电位应满足以下第2或3条要求。

2、施加阴极保护后，管道阴极极化电位为-0.85~1.25V （相对于CSE 电极），应考虑排除IR 降。

3、在阴极保护极化形成或衰减时，测取被保护管道表面与土壤接触、稳定的参比电极之间的阴极极化电位差不应小于100mV 。

4、当土壤或水中存在硫酸盐还原菌，且硫酸离子含量超过0.5%时，通电保护电位应达到-0.95V 或更负（相对于CSE 电极）。

五、技术设计

5.1、设计参数

管道自然电位：-0.55V

最小保护电位：-0.85V

最大保护电位：-1.25V

管道金属电阻率（普碳钢）：0.135Ω·mm 2/m

平均保护电流密度：0.002A/m 2

平均土壤电阻率：10Ω·m

钢管外径×壁厚：1428×14mm

5.2、设计计算

5.2.1单位长度管道纵向电阻计算：

δδπρ⨯-⨯=)(,0D R T

式中：R 0——单位长度管道纵向电阻（Ω/m ）

ρT ——管道金属电阻率（Ω·mm 2/m ）

D ’——管道外径（mm ）

δ ——管道壁厚 (mm)

将有关计算参数代入上式后：

R 0 =0./[3.14×(1428-14)×14]=2.172×10-6

5.2.2最大保护距离计算

0082R J D V L s L ⨯⨯⨯⨯=π 式中：2L 0——两侧保护长度或两站最大间距（m ）

V L ——最大保护电位与最小保护电位之差（V ）（取0.4V ）

D 0——管道外径（m ）

J S ——保护电流密度（A/m 2）

R 0——单位长度管道纵向电阻（Ω/m ）

7.5——衰减系数

将有关参数代入上式后：

2L 0 =[8×0.4÷（3.14×1.428×0.002×2.172×10-6）]½

=12.82km

计算结果表明，两站最大保护距离12.82Km 大于清水管道长度1.5Km 。在管道2端设计阴极保护站能满足保护要求。

5.2.3管道连接和绝缘

保护管道与非保护地下金属结构应无金属连接或搭接。

5.2.4保护电流计算

I 0 = D 0×π×L ×J S

式中：I 0——管段保护电流（A ）

L ——管道长度（m ）

将有关数据代入后：

I 0 = 1.428×3.14×12300×0.002

=110A

DN1428清水管保护电流110A 。考虑排气管和排水井管保护电流，设计计算总保护电流为112A 。

5.2.5深井阳极接地电阻计算

d

L L R a V ⨯⨯⨯⨯=2ln 2πρ 式中：R V — 深井阳极接地电阻 （Ω）

L — 阳极长度，（含填料）（m ）取24m

d — 阳极直径，（含填料）（m ）取0.35m

ρa — 阳极埋点平均土壤电阻率，（Ω.m ）取10Ω.m

将有关数据代入后：

R v =(10/2×3.14×24)×ln(2×24/0.35)

=0.327Ω

5.2.6 回路总阻抗计算

R z =R c +R l +R g

式中：R z —回路总阻抗（Ω）

R c —阴极过度电阻（Ω）本工程为0.5Ω，

R l—电缆总电阻（Ω）本工程（0.2Km/16 mm2×1 单芯电缆1.16Ω/Km取电缆长度100m）为0.232Ω

R g —辅助阳极接地电阻（Ω）本工程按0.327Ω

经计算：R z=1.06Ω

5.2.7直流电源设计计算

V o=2+1/2I0×R z

式中：V o—电源输出电压（V）

I0—保护电流（A）取110A

2 —阳极反电压（V）

经计算：V0=60V

清水管道设计选用输出75V/75A直流电源。设备输入电源为三相四线380V; 50HZ; 12KVA交流电源。

5.2.8直流电源选型

用于外加电流阴极保护的直流电源可采用手动调节的可调式整流器，也可采用自动跟踪调节的恒电位仪。手动调节的可调式整流器具有结构简单，环境适应好，可靠性高，维护简单等优点。适用于被保护结构围介质变化较小不需要进行频繁调节以及对可靠性要求高和设备维修不便的场合，例如地下管道、储罐的外加电流阴极保护系统。

恒电位仪通常用于被保护结构围介质变化较大，需连续进行跟踪调节的场合。如船舶船体、大型海水泵的阴极保护系统。恒电位仪的优点是，可自动跟踪系统变化条件快速调节输出使被保护金属结构始终处于设定的保护围。恒电位仪由于结构相对复杂，元器件较多，且电子元件易受环境因素、老化以及强电磁冲击干扰造成失效，因此性相对可