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管道外加电流阴极保护方案
管道外加电流阴极保护
设计方案
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方法进行敷设。
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、设计方案
本工程敷设的管道口径较大、埋设深度深、采用顶管方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方法。
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内浸在水中或土中的管道无法获得有效保护，为此在每个井内设计安装埋设2支镁合金牺牲阳极对井内管道实施阴极保护。 三、设计依据的标准及规范
1、 GB/T21448-2008埋地钢质管道阴极保护技术规范。 2、 GB/T21246-2007埋地钢质管道阴极保护参数测量方法。 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范 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·mm2/m 平均保护电流密度：0.002A/m2 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： R0?
?T
??(D??)??
,
式中：R0——单位长度管道纵向电阻（Ω/m） ρT——管道金属电阻率（Ω·mm2/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：
R0 =0.135/[3.14×(1428-14)×14]=2.172×10-6 5.2.2最大保护距离计算 2L0?
8?VL
??D0?Js?R0
式中：2L0——两侧保护长度或两站最大间距（m）
VL——最大保护电位与最小保护电位之差（V）（取0.4V） D0——管道外径（m） JS——保护电流密度（A/m2）
R0——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：
2L0 =[8×0.4÷（3.14×1.428×0.002×2.172×10）]
=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
I0 = D0×π×L×JS
式中：I0——管段保护电流（A） L——管道长度（m） 将有关数据代入后：
I0 = 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 RV?
-6
?
?a2?L
?ln
2???Ld
式中：RV — 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：
Rv=(10/2×3.14×24)×ln(2×24/0.35) =0.327Ω
5.2.6 回路总阻抗计算
Rz=Rc+Rl+Rg 式中：Rz —回路总阻抗（Ω）
Rc —阴极过度电阻（Ω）本工程为0.5Ω，
Rl —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
Rg —辅助阳极接地电阻（Ω）本工程按0.327Ω 经计算：Rz=1.06Ω 5.2.7直流电源设计计算
Vo=2+1/2I0×Rz 式中：Vo — 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。适用于被保护结构周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方便的场合，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周围介质变化较大，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范围内。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，因此性相对可调式整流电源其可靠较低、维护维修技术要求及成本较高。
根据本工程情况，管道位于地面下4～6m深处土壤介质基本稳定，不需要频繁调节。因此，外加电流阴极保护系统的直流电源设计选用可调式整流器。
可调式整流器箱体结构为室内安装型，可安装在单独阴极保护间内也可安装在电气控制室。采用单独设计的阴极保护间时，建筑面积应≥16m2；通风良好。电源电缆截面积
应≥6mm2。电源配电箱应安装有防雷及漏电保护装置。 5.2.9牺牲阳极设计
每个工作井内设计埋设2支22Kg镁合金牺牲阳极。牺牲阳极电缆与排气管或排水管连接。 六、施工设计 6.1、主系统部分
外加电流阴极保护主系统由电源设备、辅助阳极地床、参比电极及连接电缆组成。 阴极保护站内安装1套独立的电源配电箱为直流电源及日常维修提供电源。直流电源输入为三相50Hz 380V/20KVA交流电。
1. 辅助阳极采用深井式地床，地床位于距管道垂直距离30～50米处。阳极井深≥70米，井内安装埋设12支组装式金属氧化物阳极及导气管。
2. 深井地床地表砌筑井座井盖用以保护导气管。
3. 深井地床附近安装1个阳极接线箱，12根阳极电缆在接线箱内并联后由阳极汇流电缆引到直流电源。
4. 在站内距排气管0.2m处埋设1支长效硫酸铜参比电极，埋设深度为地面以下1.5m。
5. 电缆应按国家标准图集D164的要求铺沙盖电缆盖板敷设，埋设深度不小于0.8m。 6. 电缆选型为：
阳极电缆 YJV220.5KV/1×14mm2 阳极汇流电缆 VV220.5KV/1×25 mm2 阴极电缆 VV220.5KV/1×25 mm2 参比电极电缆 VV-0.5KV/2×10 mm2 电源线 RVV-0.5KV/3×6 +1×4mm2 6.2、辅助部分
阴极保护辅助部分主要包括：测试桩的安装，部分绝缘装置的跨接等。 1. 测试桩的安装
为便于及时掌握阴极保护设施的运行情况，大约间隔1Km安装1个测试桩。测试桩规格为Φ108×4×2900mm。
每支测试桩附近管道上方埋设1支长效硫酸铜参比电极，埋设深度为地面以下1.5m，
参比电极电缆引入测试桩。
测试桩内的测量零电缆可焊接在排气管或排水井管上，焊点必须按规定的方法密封。 2. 跨接
为了确保阴极保护管道的电性连接，管道中间的绝缘接头和螺栓连接的法兰应采用跨接电缆连接。跨接电缆型号为VV22-0.5KV/1×25mm2，管道与电缆的连接采用铝热焊方法焊接，焊点必须按规定的方法密封。
绝缘接头2侧焊接的跨接电缆引入接线桩，在桩内连接；螺栓连接的法兰2侧直接用电缆跨接。 七、施工技术要求
1．直流电源的安装应严格按说明书进行。电缆与设备的连接应先连接铜鼻子，然后再与设备相应的接线柱连接，并保证电气连接良好。
2．阳极井的具体位置由设计人员根据设计及现场实际情况确定。辅助阳极安装施工应注意保护好阳极及电缆，特别应注意防止破坏电缆外皮。
3．阳极接头的密封质量决定了阳极地床的使用寿命，故焊点的密封应严格按有关工艺进行并严格检验。
4．电缆敷设上方间隔50米应埋设1个水泥电缆标志。
5．采用铝热焊时，不允许1个焊点焊两根电缆，焊点必须按规定的方法密封。 6．施工过程中，应及时测量并记录有关数据。
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