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管道外加電流陰極保護方案
管道外加電流陰極保護
設計方案
上海xxx設計研究總院 二〇一二年十二月三日
一、概述
管道由1條DN1428低碳鋼焊接管組成，總長約1.5Km,采用頂管和開挖排管相結合的施工方法進行敷設。
根據類似工程數據，管道埋設深度土層的平均土壤電阻率5～10Ω·m。
全部鋼管外防腐均采用熔融環氧粉末防腐涂層。頂管連接焊縫處采用專用液態環氧樹脂補口涂料涂封。 二、設計方案
本工程敷設的管道口徑較大、埋設深度深、采用頂管方法敷設在中繼間切割及密封焊接會造成該處管道外涂層損傷。因此管道陰極保護選用外加電流方法。
管道設計采用獨立的外加電流陰極保護系統。清水管道在兩端各設計1個陰極保護站。每個陰極保護站在距管道30～50m處設計1座深井陽極、在靠近排氣管處埋設1支長效硫酸銅參比電極、在陰極保護站設計安裝1臺直流電源。
中間流量井1處需采用電纜跨接確保管道良好電連續連接。
本工程頂管施工完成后大部分工作井不拆除，由于其混凝土井壁、井底會對外加電流產生屏蔽使井內浸在水中或土中的管道無法獲得有效保護，為此在每個井內設計安裝埋設2支鎂合金犧牲陽極對井內管道實施陰極保護。 三、設計依據的標準及規范
1、 GB/T21448-2008埋地鋼質管道陰極保護技術規范。 2、 GB/T21246-2007埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法。 3、 SY/T0086-95陰極保護管道的電絕緣標準。 4、 SYJ4006-90長輸管道陰極保護施工及驗收規范 四、設計指標
1、陰極保護設計使用壽命20年。有效保護期間管道極化電位應滿足以下第2或3條要求。
2、施加陰極保護后，管道陰極極化電位為-0.85~1.25V（相對于CSE電極），應考慮排除IR降。
3、在陰極保護極化形成或衰減時，測取被保護管道表面與土壤接觸、穩定的參比電極之間的陰極極化電位差不應小于100mV。
4、當土壤或水中存在硫酸鹽還原菌，且硫酸離子含量超過0.5%時，通電保護電位應達到-0.95V或更負（相對于CSE電極）。 五、技術設計 5.1、設計參數 管道自然電位：-0.55V 最小保護電位：-0.85V 最大保護電位：-1.25V
管道金屬電阻率（普碳鋼）：0.135Ω·mm2/m 平均保護電流密度：0.002A/m2 平均土壤電阻率：10Ω·m 鋼管外徑×壁厚：1428×14mm 5.2、設計計算
5.2.1單位長度管道縱向電阻計算： R0?
?T
??(D??)??
,
式中：R0——單位長度管道縱向電阻（Ω/m） ρT——管道金屬電阻率（Ω·mm2/m） D’——管道外徑（mm） δ ——管道壁厚 (mm) 將有關計算參數代入上式后：
R0 =0.135/[3.14×(1428-14)×14]=2.172×10-6 5.2.2最大保護距離計算 2L0?
8?VL
??D0?Js?R0
式中：2L0——兩側保護長度或兩站最大間距（m）
VL——最大保護電位與最小保護電位之差（V）（取0.4V） D0——管道外徑（m） JS——保護電流密度（A/m2）
R0——單位長度管道縱向電阻（Ω/m）
7.5——衰減系數 將有關參數代入上式后：
2L0 =[8×0.4÷（3.14×1.428×0.002×2.172×10）]
=12.82km
計算結果表明，兩站最大保護距離12.82Km大于清水管道長度1.5Km。在管道2端設計陰極保護站能滿足保護要求。 5.2.3管道連接和絕緣
保護管道與非保護地下金屬結構應無金屬連接或搭接。 5.2.4保護電流計算
I0 = D0×π×L×JS
式中：I0——管段保護電流（A） L——管道長度（m） 將有關數據代入后：
I0 = 1.428×3.14×12300×0.002
=110A
DN1428清水管保護電流110A。考慮排氣管和排水井管保護電流，設計計算總保護電流為112A。
5.2.5深井陽極接地電阻計算 RV?
-6
?
?a2?L
?ln
2???Ld
式中：RV — 深井陽極接地電阻 （Ω）
L — 陽極長度，（含填料）（m）取24m d — 陽極直徑，（含填料）（m）取0.35m
ρa — 陽極埋點平均土壤電阻率，（Ω.m）取10Ω.m 將有關數據代入后：
Rv=(10/2×3.14×24)×ln(2×24/0.35) =0.327Ω
5.2.6 回路總阻抗計算
Rz=Rc+Rl+Rg 式中：Rz —回路總阻抗（Ω）
Rc —陰極過度電阻（Ω）本工程為0.5Ω，
Rl —電纜總電阻（Ω）本工程（0.2Km/16 mm2×1 單芯電纜1.16Ω/Km取電纜長度100m）為0.232Ω
Rg —輔助陽極接地電阻（Ω）本工程按0.327Ω 經計算：Rz=1.06Ω 5.2.7直流電源設計計算
Vo=2+1/2I0×Rz 式中：Vo — 電源輸出電壓（V）
I0— 保護電流（A）取110A 2 — 陽極反電壓（V）
經計算：V0=60V
清水管道設計選用輸出75V/75A直流電源。設備輸入電源為三相四線380V; 50HZ; 12KVA交流電源。 5.2.8直流電源選型
用于外加電流陰極保護的直流電源可采用手動調節的可調式整流器，也可采用自動跟蹤調節的恒電位儀。手動調節的可調式整流器具有結構簡單，環境適應好，可靠性高，維護簡單等優點。適用于被保護結構周圍介質變化較小不需要進行頻繁調節以及對可靠性要求高和設備維修不方便的場合，例如地下管道、儲罐的外加電流陰極保護系統。 恒電位儀通常用于被保護結構周圍介質變化較大，需連續進行跟蹤調節的場合。如船舶船體、大型海水泵的陰極保護系統。恒電位儀的優點是，可自動跟蹤系統變化條件快速調節輸出使被保護金屬結構始終處于設定的保護范圍內。恒電位儀由于結構相對復雜，元器件較多，且電子元件易受環境因素、老化以及強電磁沖擊干擾造成失效，因此性相對可調式整流電源其可靠較低、維護維修技術要求及成本較高。
根據本工程情況，管道位于地面下4～6m深處土壤介質基本穩定，不需要頻繁調節。因此，外加電流陰極保護系統的直流電源設計選用可調式整流器。
可調式整流器箱體結構為室內安裝型，可安裝在單獨陰極保護間內也可安裝在電氣控制室。采用單獨設計的陰極保護間時，建筑面積應≥16m2；通風良好。電源電纜截面積
應≥6mm2。電源配電箱應安裝有防雷及漏電保護裝置。 5.2.9犧牲陽極設計
每個工作井內設計埋設2支22Kg鎂合金犧牲陽極。犧牲陽極電纜與排氣管或排水管連接。 六、施工設計 6.1、主系統部分
外加電流陰極保護主系統由電源設備、輔助陽極地床、參比電極及連接電纜組成。 陰極保護站內安裝1套獨立的電源配電箱為直流電源及日常維修提供電源。直流電源輸入為三相50Hz 380V/20KVA交流電。
1. 輔助陽極采用深井式地床，地床位于距管道垂直距離30～50米處。陽極井深≥70米，井內安裝埋設12支組裝式金屬氧化物陽極及導氣管。
2. 深井地床地表砌筑井座井蓋用以保護導氣管。
3. 深井地床附近安裝1個陽極接線箱，12根陽極電纜在接線箱內并聯后由陽極匯流電纜引到直流電源。
4. 在站內距排氣管0.2m處埋設1支長效硫酸銅參比電極，埋設深度為地面以下1.5m。
5. 電纜應按國家標準圖集D164的要求鋪沙蓋電纜蓋板敷設，埋設深度不小于0.8m。 6. 電纜選型為：
陽極電纜 YJV220.5KV/1×14mm2 陽極匯流電纜 VV220.5KV/1×25 mm2 陰極電纜 VV220.5KV/1×25 mm2 參比電極電纜 VV-0.5KV/2×10 mm2 電源線 RVV-0.5KV/3×6 +1×4mm2 6.2、輔助部分
陰極保護輔助部分主要包括：測試樁的安裝，部分絕緣裝置的跨接等。 1. 測試樁的安裝
為便于及時掌握陰極保護設施的運行情況，大約間隔1Km安裝1個測試樁。測試樁規格為Φ108×4×2900mm。
每支測試樁附近管道上方埋設1支長效硫酸銅參比電極，埋設深度為地面以下1.5m，
參比電極電纜引入測試樁。
測試樁內的測量零電纜可焊接在排氣管或排水井管上，焊點必須按規定的方法密封。 2. 跨接
為了確保陰極保護管道的電性連接，管道中間的絕緣接頭和螺栓連接的法蘭應采用跨接電纜連接。跨接電纜型號為VV22-0.5KV/1×25mm2，管道與電纜的連接采用鋁熱焊方法焊接，焊點必須按規定的方法密封。
絕緣接頭2側焊接的跨接電纜引入接線樁，在樁內連接；螺栓連接的法蘭2側直接用電纜跨接。 七、施工技術要求
1．直流電源的安裝應嚴格按說明書進行。電纜與設備的連接應先連接銅鼻子，然后再與設備相應的接線柱連接，并保證電氣連接良好。
2．陽極井的具體位置由設計人員根據設計及現場實際情況確定。輔助陽極安裝施工應注意保護好陽極及電纜，特別應注意防止破壞電纜外皮。
3．陽極接頭的密封質量決定了陽極地床的使用壽命，故焊點的密封應嚴格按有關工藝進行并嚴格檢驗。
4．電纜敷設上方間隔50米應埋設1個水泥電纜標志。
5．采用鋁熱焊時，不允許1個焊點焊兩根電纜，焊點必須按規定的方法密封。 6．施工過程中，應及時測量并記錄有關數據。
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