管道外加電流陰極保護(hù)方案

管道外加電流陰極保護(hù)

設(shè)計方案

上海xxx設(shè)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(jié)合的施工方法進(jìn)行敷設(shè)。

根據(jù)類似工程數(shù)據(jù)，管道埋設(shè)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(huán)氧粉末防腐涂層。頂管連接焊縫處采用專用液態(tài)環(huán)氧樹脂補(bǔ)口涂料涂封。 二、設(shè)計方案

本工程敷設(shè)的管道口徑較大、埋設(shè)深度深、采用頂管方法敷設(shè)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(hù)選用外加電流方法。

管道設(shè)計采用獨(dú)立的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)。清水管道在兩端各設(shè)計1個陰極保護(hù)站。每個陰極保護(hù)站在距管道30～50m處設(shè)計1座深井陽極、在靠近排氣管處埋設(shè)1支長效硫酸銅參比電極、在陰極保護(hù)站設(shè)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(xù)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(chǎn)生屏蔽使井內(nèi)浸在水中或土中的管道無法獲得有效保護(hù)，為此在每個井內(nèi)設(shè)計安裝埋設(shè)2支鎂合金犧牲陽極對井內(nèi)管道實(shí)施陰極保護(hù)。 三、設(shè)計依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范

1、 GB/T21448-2008埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范。 2、 GB/T21246-2007埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測量方法。 3、 SY/T0086-95陰極保護(hù)管道的電絕緣標(biāo)準(zhǔn)。 4、 SYJ4006-90長輸管道陰極保護(hù)施工及驗收規(guī)范 四、設(shè)計指標(biāo)

1、陰極保護(hù)設(shè)計使用壽命20年。有效保護(hù)期間管道極化電位應(yīng)滿足以下第2或3條要求。

2、施加陰極保護(hù)后，管道陰極極化電位為-0.85~1.25V（相對于CSE電極），應(yīng)考慮排除IR降。

3、在陰極保護(hù)極化形成或衰減時，測取被保護(hù)管道表面與土壤接觸、穩(wěn)定的參比電極之間的陰極極化電位差不應(yīng)小于100mV。

4、當(dāng)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(hù)電位應(yīng)達(dá)到-0.95V或更負(fù)（相對于CSE電極）。 五、技術(shù)設(shè)計 5.1、設(shè)計參數(shù) 管道自然電位：-0.55V 最小保護(hù)電位：-0.85V 最大保護(hù)電位：-1.25V

管道金屬電阻率（普碳鋼）：0.135Ω·mm2/m 平均保護(hù)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(shè)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(guān)計算參數(shù)代入上式后：

R0 =0.135/[3.14×(1428-14)×14]=2.172×10-6 5.2.2最大保護(hù)距離計算 2L0?

8?VL

??D0?Js?R0

式中：2L0——兩側(cè)保護(hù)長度或兩站最大間距（m）

VL——最大保護(hù)電位與最小保護(hù)電位之差（V）（取0.4V） D0——管道外徑（m） JS——保護(hù)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(shù) 將有關(guān)參數(shù)代入上式后：

2L0 =[8×0.4÷（3.14×1.428×0.002×2.172×10）]

=12.82km

計算結(jié)果表明，兩站最大保護(hù)距離12.82Km大于清水管道長度1.5Km。在管道2端設(shè)計陰極保護(hù)站能滿足保護(hù)要求。 5.2.3管道連接和絕緣

保護(hù)管道與非保護(hù)地下金屬結(jié)構(gòu)應(yīng)無金屬連接或搭接。 5.2.4保護(hù)電流計算

I0 = D0×π×L×JS

式中：I0——管段保護(hù)電流（A） L——管道長度（m） 將有關(guān)數(shù)據(jù)代入后：

I0 = 1.428×3.14×12300×0.002

=110A

DN1428清水管保護(hù)電流110A�？紤]排氣管和排水井管保護(hù)電流，設(shè)計計算總保護(hù)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(bǔ) — 陽極埋點(diǎn)平均土壤電阻率，（Ω.m）取10Ω.m 將有關(guān)數(shù)據(jù)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(jīng)計算：Rz=1.06Ω 5.2.7直流電源設(shè)計計算

Vo=2+1/2I0×Rz 式中：Vo — 電源輸出電壓（V）

I0— 保護(hù)電流（A）取110A 2 — 陽極反電壓（V）

經(jīng)計算：V0=60V

清水管道設(shè)計選用輸出75V/75A直流電源。設(shè)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(hù)的直流電源可采用手動調(diào)節(jié)的可調(diào)式整流器，也可采用自動跟蹤調(diào)節(jié)的恒電位儀。手動調(diào)節(jié)的可調(diào)式整流器具有結(jié)構(gòu)簡單，環(huán)境適應(yīng)好，可靠性高，維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)。適用于被保護(hù)結(jié)構(gòu)周圍介質(zhì)變化較小不需要進(jìn)行頻繁調(diào)節(jié)以及對可靠性要求高和設(shè)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(hù)系統(tǒng)。 恒電位儀通常用于被保護(hù)結(jié)構(gòu)周圍介質(zhì)變化較大，需連續(xù)進(jìn)行跟蹤調(diào)節(jié)的場合。如船舶船體、大型海水泵的陰極保護(hù)系統(tǒng)。恒電位儀的優(yōu)點(diǎn)是，可自動跟蹤系統(tǒng)變化條件快速調(diào)節(jié)輸出使被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)始終處于設(shè)定的保護(hù)范圍內(nèi)。恒電位儀由于結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，元器件較多，且電子元件易受環(huán)境因素、老化以及強(qiáng)電磁沖擊干擾造成失效，因此性相對可調(diào)式整流電源其可靠較低、維護(hù)維修技術(shù)要求及成本較高。

根據(jù)本工程情況，管道位于地面下4～6m深處土壤介質(zhì)基本穩(wěn)定，不需要頻繁調(diào)節(jié)。因此，外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的直流電源設(shè)計選用可調(diào)式整流器。

可調(diào)式整流器箱體結(jié)構(gòu)為室內(nèi)安裝型，可安裝在單獨(dú)陰極保護(hù)間內(nèi)也可安裝在電氣控制室。采用單獨(dú)設(shè)計的陰極保護(hù)間時，建筑面積應(yīng)≥16m2；通風(fēng)良好。電源電纜截面積

應(yīng)≥6mm2。電源配電箱應(yīng)安裝有防雷及漏電保護(hù)裝置。 5.2.9犧牲陽極設(shè)計

每個工作井內(nèi)設(shè)計埋設(shè)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(shè)計 6.1、主系統(tǒng)部分

外加電流陰極保護(hù)主系統(tǒng)由電源設(shè)備、輔助陽極地床、參比電極及連接電纜組成。 陰極保護(hù)站內(nèi)安裝1套獨(dú)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(nèi)安裝埋設(shè)12支組裝式金屬氧化物陽極及導(dǎo)氣管。

2. 深井地床地表砌筑井座井蓋用以保護(hù)導(dǎo)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(nèi)并聯(lián)后由陽極匯流電纜引到直流電源。

4. 在站內(nèi)距排氣管0.2m處埋設(shè)1支長效硫酸銅參比電極，埋設(shè)深度為地面以下1.5m。

5. 電纜應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)圖集D164的要求鋪沙蓋電纜蓋板敷設(shè)，埋設(shè)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(hù)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(hù)設(shè)施的運(yùn)行情況，大約間隔1Km安裝1個測試樁。測試樁規(guī)格為Φ108×4×2900mm。

每支測試樁附近管道上方埋設(shè)1支長效硫酸銅參比電極，埋設(shè)深度為地面以下1.5m，

參比電極電纜引入測試樁。

測試樁內(nèi)的測量零電纜可焊接在排氣管或排水井管上，焊點(diǎn)必須按規(guī)定的方法密封。 2. 跨接

為了確保陰極保護(hù)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(yīng)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(diǎn)必須按規(guī)定的方法密封。

絕緣接頭2側(cè)焊接的跨接電纜引入接線樁，在樁內(nèi)連接；螺栓連接的法蘭2側(cè)直接用電纜跨接。 七、施工技術(shù)要求

1．直流電源的安裝應(yīng)嚴(yán)格按說明書進(jìn)行。電纜與設(shè)備的連接應(yīng)先連接銅鼻子，然后再與設(shè)備相應(yīng)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(shè)計人員根據(jù)設(shè)計及現(xiàn)場實(shí)際情況確定。輔助陽極安裝施工應(yīng)注意保護(hù)好陽極及電纜，特別應(yīng)注意防止破壞電纜外皮。

3．陽極接頭的密封質(zhì)量決定了陽極地床的使用壽命，故焊點(diǎn)的密封應(yīng)嚴(yán)格按有關(guān)工藝進(jìn)行并嚴(yán)格檢驗。

4．電纜敷設(shè)上方間隔50米應(yīng)埋設(shè)1個水泥電纜標(biāo)志。

5．采用鋁熱焊時，不允許1個焊點(diǎn)焊兩根電纜，焊點(diǎn)必須按規(guī)定的方法密封。 6．施工過程中，應(yīng)及時測量并記錄有關(guān)數(shù)據(jù)。

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