4第二部分 牺牲阳极法阴极保护设计

23:582012/6/251/60X.Z.Lin第二部分牺牲阳极法阴极保护设计牺牲阳极法阴极保护设计23:582012/6/252/60X.Z.Lin埋地管道牺牲阳极法阴极保护系统埋地管道牺牲阳极法阴极保护系统23:582012/6/253/60X.Z.Lin主要步骤1.牺牲阳极材料选择2.牺牲阳极形状、规格选择3.牺牲阳极工艺计算4.牺牲阳极地床设计5.其他辅助设施6.施工要求7.维护管理23:582012/6/254/60X.Z.Lin1、阳极材料选择1、阳极材料选择1.1可供选择的主要阳极材料镁及其合金锌及其合金铝合金23:582012/6/255/60X.Z.Lin镁及其合金阳极23:582012/6/256/60X.Z.Lin锌及其合金阳极23:582012/6/257/60X.Z.Lin铝合金阳极23:582012/6/258/60X.Z.Lin1.2阳极材料选择23:582012/6/259/60X.Z.Lin土壤电阻率（Ω·m）可选阳极种类60～100纯镁系镁阳极40～60镁锰系镁阳极10～40镁铝锌锰系镁阳极10锌合金或铝锌铟系合金阳极阳极材料选择经验23:582012/6/2510/60X.Z.Lin2、阳极形状、规格选择2、阳极形状、规格选择形状：根据被保护对象、环境的具体情况选择阳极形状，土壤中多用棒形阳极（截面有梯形、D形、矩形等），其它形状阳极多用于特殊场合。规格：主要根据土壤电阻率和绝缘层电阻率凭经验选择，本设计可先根据土壤电阻率初选，然后进行后续设计并检验初选是否合适，若不合适可重选。注：对阳极单支等间距分布，可根据阳极消耗来初选阳极规格。23:582012/6/2511/60X.Z.Lin2.1阳极规格初选参考方法（一）——引自《埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范》，SY/T0019-9723:582012/6/2512/60X.Z.Lin土壤电阻率（Ω·m）腐蚀性简单判断可选用的阳极规格50~100腐蚀性弱4kg或8kg20~50腐蚀性中等8kg或11kg10~20腐蚀性强11kg或14kg10腐蚀性极强14kg或22kg——引自《管道防腐蚀手册》参考方法（二）23:582012/6/2513/60X.Z.Lin梯形截面镁合金阳极规格2.2常用阳极形状、规格23:582012/6/2514/60X.Z.Lin23:582012/6/2515/60X.Z.Lin23:582012/6/2516/60X.Z.Lin阳极其他形状23:582012/6/2517/60X.Z.Lin3、阳极工艺计算3、阳极工艺计算3.1概述（1）计算目的：确定阳极需求量与工作寿命（定期更换阳极的时间）（2）设计思路：要实现阴极保护，关键是给被保护物提供稳定、足够而又恰当的阴极保护电流，而所需电流是由牺牲阳极自身发生腐蚀反应来提供的，所以牺牲阳极的设计是关键，而且其设计显然也应该从电流入手。（3）牺牲阳极的埋设方式1）单支等间距分布：单支阳极平均等间距分布在管道两侧或单侧，每个阳极相当于一个阳极站。2）集中成组分布：阳极集中成组（每组内常有2~10支阳极，并联），多组形成一个阳极地床（阳极站）23:582012/6/2518/60X.Z.Lin管道阳极△L2组间距dC地床间距△L1组内阳极间距管道阳极△L阳极间距牺牲阳极单支等间距分布示意图牺牲阳极集中成组分布示意图23:582012/6/2519/60X.Z.Lin（4）两种埋设方式优缺点比较缺点：电流电位分布不均匀，呈较明显的电位梯度分布，易出现汇流点过保护或部分区段保护不足的问题。优点：施工量较小，定期更换阳极方便，设计时可不考虑管道寿命，而以保护效果为依据进行设计，并确定定期更换时间。优点：电流电位分布均匀，保护均匀稳定。缺点：施工量大，定期更换阳极困难（几乎无法全部更换），设计时应以管道设计寿命为依据，不考虑定期更换问题来设计。单支等间距分布：集中成组分布：23:582012/6/2520/60X.Z.Lin3.2牺牲阳极单支等间距分布管道阳极△L阳极间距23:582012/6/2521/60X.Z.Lin未知，需计算（1）根据阳极设计寿命计算选取阳极及其规格初选阳极及其规格；由设计寿命可计算单支阳极质量：asaITKaW1式中：a——安全系数（与阳极形状及使用条件有关，常取1.1~1.25）Ka——阳极消耗率（kg/(A.a)）Ts——阳极设计寿命（a）Ia——单支阳极输出电流（A）判断：将求得阳极质量与该规格阳极标准质量比较，看所选阳极是否合适，若不合适，重选阳极，重新计算。23:582012/6/2522/60X.Z.Lin关键(进一步计算)（2）单支阳极输出电流很小，常忽略或用近似经验值（回路附加电阻）0.12Ω代替12.0aRE)(通电点保EEEa（E保(通电点)=-1.15V）23:582012/6/2523/60X.Z.Lin（3）计算阳极接地电阻Ra单支水平式有填料单支立式有填料23:582012/6/2524/60X.Z.Lin小结至此，已计算选出较合适的牺牲阳极及其规格，并计算出它的单支阳极输出电流，如果再计算出整个管道进行阴极保护所需的保护电流，就可进一步得到所需阳极总数。23:582012/6/2525/60X.Z.Lin（4）保护电流总需求量：式中：IA——整个管道所需保护电流（A）Dg外——管道外径（m）Lg——管道总长度（m）Js——管道所需的昀小保护电流密度（A/m2）ggssALDJSJI外表23:582012/6/2526/60X.Z.LinJs的选取Js的选取是设计的关键，其影响因素很多（包括：管道防腐绝缘层的材质，施工质量以及土壤参数等），因此，理论计算很难（误差大），实际工程中常常根据经验选取，有条件时，可用实验测定。本次设计，根据经验，参照绝缘层电阻率与Js的关系，由下表选取，处于两值之间的用插值法求取。23:582012/6/2527/60X.Z.Lin（5）牺牲阳极总支数23:582012/6/2528/60X.Z.Lin（6）校核阴极保护的有效性与合理性前面设计（计算阳极总支数）过程中，是从电流的角度进行的，当NT支阳极等间距分布时，是否能使管道刚好达到所需的保护程度（电位都处于保护电位范围内）即：须从电位的角度出发校核其有效性与合理性。思路：比较两牺牲阳极间的昀大保护长度与两阳极实际间距的大小关系。23:582012/6/2529/60X.Z.Lin牺牲阳极法阴极保护电流电位分布23:582012/6/2530/60X.Z.Lin23:582012/6/2531/60X.Z.Linminmaxmax1EEcharL（6.1）两牺牲阳极间的昀大保护长度管道自然保EEEmaxmax管道自然保EEEminmin备注：反双曲余弦函数1ln2xxchxary式中：Emax——保护所需的管道昀大极化值[即：通电点处，管道所需的昀大保护电位与管道自然电位的差值]（V）Emin——保护所需的管道昀小极化值[即：两阳极之间中点处，管道所需要的昀小保护电位与管道自然电位的差值]（V）α——衰减系数（表征：电流在管道中纵向流动时的损耗情况）23:582012/6/2532/60X.Z.LinGR（6.2）衰减系数：式中：R’——单位长度管道纵向电阻（Ω/m）G’——单位长度管道对地散流电阻（Ω.m））内外22(4ggggglDDSlRRρg——管材电阻率（Ωmm2/m）S——管道横截面积（mm2）Dg内，Dg外——管道内外径（mm）外gppplDPlRGρp——管道覆盖层面电阻（Ωm2）P——管道覆盖层周长Dg外——管道外径（m）23:582012/6/2533/60X.Z.Lin（6.3）牺牲阳极实际间距：NLLg式中：Lg——管道总长N——阳极总数阴极保护有效且合理；阴极保护无效（在两阳极之间有一段管道达不到所需的昀小保护电位，不能获得完全保护）；解决办法：以Lmax代替△L，重新计算阳极总支数。阴极保护有效但不是很合理（不经济，整个管道均处在较高极化电位范围内，阳极站过多，浪费！而且，由于输出电流过高，汇流点可能过保护）更小规格的牺牲阳极阳极集中成组埋设解决办法：设法使△L↑N↓Ia↑Ra↓选用接地电阻更小的牺牲阳极△LLmax——△LLmax——△LLmax——（6.4）校核23:582012/6/2534/60X.Z.Lin3.2牺牲阳极集中成组分布集中成组埋设的主要作用：降低阳极的接地电阻，提高阳极电流的输出能力；方便施工和阳极定期更换。管道阳极△L2组间距dC地床间距△L1组内阳极间距23:582012/6/2535/60X.Z.Lin（1）阳极组接地电阻baZNRR式中：RZ——多支阳极并联后阳极组总接地电阻（Ω）Ra——单支阳极接地电阻（Ω）Nb——组内并联阳极支数（常取2~10）η——修正系数：由于阳极之间有屏蔽作用，所以多支阳极并联后的总接地电阻将大于理论值（Ra/Nb），故应在理论值后乘一个大于1的修正系数η，η与并联支数和阳极间距有关（查下表7-2-2或下图1）23:582012/6/2536/60X.Z.Lin图1牺牲阳极组接地电阻修正系数η表7-2-2（见参数表）23:582012/6/2537/60X.Z.Lin（2）并联阳极组的输出电流12.0ZZREI式中：IZ——每个并联阳极组的输出电流（A）RZ——多支阳极并联后阳极组总接地电阻（Ω）△E——阳极有效电位差（V）23:582012/6/2538/60X.Z.Lin（3）阳极地床间距minmaxmax1EEarchL（3.1）两阳极地床间的昀大保护长度显然，阳极地床间距dC应略小于Lmax，实际工程设计中，应结合具体地理环境条件进行选取（各地床间距不一定完全相等，但都应略小于Lmax）一个阳极组提供的电流是有限的，但多个阳极组形成一个阳极地床，所能提供的电流可通过改变阳极组数来任意调节的，也就是说，从电流的角度来看，阳极地床间距无法确定（可以任意长）。但是，从管道阴极保护时电位分布我们知道：阳极地床间距是有昀大值限制的。因此，我们可据此确定地床间距。23:582012/6/2539/60X.Z.Lin在本设计中，假设地床平均分布，即：先根据管道总长（Lg）和Lmax确定阳极地床数（NC），然后计算实际的地床间距dC。（3.2）阳极地床数：1maxLLNgC（即Lg/Lmax向上取整）（3.3）阳极地床间距：CgCNLd23:582012/6/2540/60X.Z.Lin（4）每个阳极地床所需提供的保护电流式中：IC——每个阳极地床所需提供的保护电流（A）Dg外——管道外径（m）dC——两相邻地床间距（m）Js——管道所需的昀小保护电流密度（A/m2）CgssCdDJSJI外表23:582012/6/2541/60X.Z.Lin（5）每个地床所需的并联阳极组数ZCZIIfN式中：NZ——并联阳极组数IC——每个阳极地床所需提供的保护电流（A）IZ——每个并联阳极组的输出电流（A）f——备用系数（常取2~3）23:582012/6/2542/60X.Z.Lin（6）阳极总数bZCNNNN式中：NC——阳极地床数NZ——并联阳极组数Nb——组内并联阳极支数（常取2~10）23:582012/6/2543/60X.Z.Lin（7）阳极工作寿命ZagIKWT式中：Tg——阳极工作寿命（a）β——阳极利用系数（常取0.7~0.85）W——并联阳极组的阳极质量（kg）Ka——阳极消耗率（kg/(A.a)）IZ——并联阳极组的输出电流（A）23:582012/6/2544/60X.Z.Lin4、阳极地床设计4、阳极地床设计4.1阳极地床构造为保证牺牲阳极在土壤中性能稳定，阳极四周要填充适当的化学填包料。（1）填包料作用改善了阳极的工作环境（变阳极与土壤相邻为阳极与填料相邻）