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直埋蒸汽管犧牲陽極保護有關問題的討論

蒸汽管道直埋，我國始于90年代初期，隨著國民經濟的高速發(fā)展和城市規(guī)劃建設的要求，原蒸汽管道架空敷設，不少地方都改為直埋，許多城市的經濟開發(fā)區(qū)甚至不允許蒸汽管道架空敷設，否則規(guī)劃部門不予批準；經過國內科研所、生產廠家的開發(fā)和研究，直埋蒸汽管道技術已取得了較大的發(fā)展，并于2005年7月15日頒發(fā)了行業(yè)標準《城鎮(zhèn)供熱直埋蒸汽管道技術規(guī)程》（ＣＪＪ104-2005）

蒸汽直埋管道主要結構型式，一直有“南北之爭”，在南方地區(qū)，多采用“鋼套管”結構，由于地下水位淺，所以“外套鋼管”的防腐措施是否得當，直接影響蒸汽管道的安全運行，嚴重時甚至造成全部保溫和防腐的失效 ，管線報廢。

如“×××熱電廠”南線供熱管網(wǎng)直埋蒸汽管道由于外套鋼管防腐的失效排潮管處大量漏汽，導致該段管線停產維修，嚴重影響了生產。

目前國內外套管的防腐采用的幾種涂料：

1. 環(huán)氧瀝青煤      
2. 燒結環(huán)氧粉末
3. 聚乙烯三層結構
4. 聚脲 

然而直埋管道在運輸和安裝過程中不可避免地造成外套管防腐層小面積的損壞 ，從而導致外套管防腐層的破壞，而在防腐層外再設置陰極保護，陰極保護與管道本身的防腐層互相補充，防腐層的存在可大大減少陰極保護的消耗電流；而陰極保護可以彌補防腐層完整性方面的不足，從而在安全性和經濟性達到    的結合，是目前*的較佳的防腐方案。

外套管采用陰極保護，陰極保護在金屬防腐蝕工藝中，是電化學方法的一種，同其它防腐工藝不同的是，它通過給被保護金屬補充大量的電子，使被保護金屬整體處于電子過剩的狀態(tài)，金屬表面各點達到同一負電位，金屬原子不易失去電子而變成離子溶入溶液；有兩種辦法可以實現(xiàn)該要求：即犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護。原則上這兩種方法均使用，但從經濟上考慮對于新建管道的覆蓋層電阻小于10000Ω·m²和土壤電阻率大于100Ω·m時，不宜采用犧牲陽極陰極保護。

在工程設計中，犧牲陽極陰極保護應從以下幾個方面著手：

1. 陽極種類的選擇

通常根據(jù)土壤電阻率選取犧牲陽極的種類,根據(jù)保護電流的大小選取陽極的規(guī)格；

在土壤中推薦的犧牲陽極種類應用選擇見下表，關于土壤電阻率可按《交流電流裝置的接地》DL/T621—1997附錄E表F₁中介紹的方法測試，亦可采用四極法測試，四極法測試方法如下：

• 在測量區(qū)域沿直線等距離插入四根金屬電極，電極彼此相距５ｍ，Ｓ為測量深度，插入地表深度為１/20S為宜；
• 將儀表穩(wěn)定平放地面，調整儀表指針在標準黑線上；
• 打開Ｃ２和Ｐ２連接片，四根導線分別接到相應的電極上；
• 倍率開關置于×１0檔，轉動手搖發(fā)電機（120轉／分）同時旋轉測量標度盤旋鈕，使指針對準標準黑線，如小于１，倍率減小一檔（倍率在三檔×１0，×１，×０.1）一直得到準確值．Ｒ＝倍率檔值×測量標度盤讀數(shù)。
• 計算

　　　　ρ＝２πSR

        ---ρ為Ｓｍ深土壤的電阻率

埋地犧牲陽極必須采用化學填料包，而填料包的配方與“土壤電阻率”有直接關系，所以“土壤電阻率”的測取至關重要。

土壤中犧牲陽極種類應用選擇

2．陰極保護的主要參數(shù)

1）自然電位：

自然電位是金屬埋入土壤后，在無外界電流影響下的對地電位即陰極開路電位E_c。自然電位隨著金屬結構材質、表面狀況、土質狀況、土壤的含水量等因素不同而不同，一般有涂層埋地管道的自然電位在-0.4--0.7Vcse之間，在雨季土壤濕潤時，自然電位會偏低，一般取平均值-0.55Vcse；

2）小保護電位

金屬達到*保護所需要的低電位值，一般認為，金屬在電解質溶液中，極化電位達到陽極區(qū)的開路電位(Ea)時，就達到了*保護。

3）大保護電位

保護電位是有限度的，過高的保護電位會造成管道防腐層漏點大量析出氫氣，造成涂層與管道脫離，即陰極剝離，不僅使防腐層失效，而且電能大量消耗，還可導致金屬材料產生氫脆進而發(fā)生氫脆斷裂，所以必須將電位控制在比析出氫電位稍高的電位值，此電位稱為大保護電位即陽極極化電位（ea），超過大保護電位時稱為“過保護”。

4）瞬時斷電電位

在斷掉被保護結構的外加電源或犧牲陽極0.2-0.5秒之內讀取結構對地電位，由于此時沒有外加電流從介質中流向被保護結構，所以所測電位為結構的實際極化電位即陰極極化電位（ec），不含IR降（介質中的電壓降）；

5）小保護電流密度

使金屬腐蝕下降到低程度或停止時所需要的保護電流密度，其常用單位為mA/m²表示，處于土壤中的裸露金屬，小保護電流密度一般取10mA/ m²。

1. 保護準則

1）相對于飽和銅/硫酸銅參比電極的管道陰極極化電位至少為850mV；

2）管道表面與接觸電解質的穩(wěn)定飽和銅/硫酸銅參比電極的管道陰極極化電位差小為100mV；

犧牲陽極的埋設有立式和臥式兩種，埋設位置分軸向和徑向。且必須埋設在冰凍線以下。

工程實例：“×××熱電廠”供熱管網(wǎng)直埋管道L=12km,φ529×9,外套管φ1020×10, 聚脲防腐層，處于土壤電阻率 ρ=50Ω·m的環(huán)境中，設計壽命15年,計算犧牲陽極的大小及支數(shù) 。

選取梯形截面鎂陽極，規(guī)格號為“-4 ”, 鎂重11.34Kg, 其尺寸為E=700mm, A=90mm,B=110mm,C=88mm,其陽極等效直徑d=C/π=0.12m,C為周長（m）, 填料包直徑為D=0.17m, 埋地陽極水平放置,經測量其電阻率為40Ω·m， 陽極中心至地面的距離約2m, 犧牲陽極的連接電纜按采用銅芯電纜:VV-1KV/1×10mm², 電纜長度為4m。

1. 被保護面積: A=π·D·L=3.14×1.020×12×10³=38433.6m²
2. 所需陰極保護電流 I_A= A·Id·(1-E)=38433.6×10×(1-0.99)=3.843A

式中A---被保護面積，m²

Id---小保護電流密度，一般取10mA/ m²

   E---涂層效率，一般取(98-99)%, 聚脲涂層取99%；其余涂層取98%；

3.單支陽極接地電阻按下式計算：

 R_H=(ρ/2πL) ×｛Ln(2L/D)+ Ln(L/2t)+(ρa/ρ)×(LnD/d)｝

式中R_H ---水平式陽極接地電阻，Ω

ρ ---土壤電阻率，Ω·m

ρa---填料包電阻率，Ω·m ,

L  ---陽極長度，m

D ---填料包直徑,m

    T ---陽極中心至地面距離，m

R_H=(50/2×3.14×0.7) ×｛Ln(2×0.7/0.17)+ Ln(0.7/2×2)+（40/50）×Ln(0.17/0.12) ｝=8.05Ω

4. 單支陽極輸出電流按下式計算：

Ia=ΔE/R=｛(-0.55+0.85)-(1.56-1.7) ｝/8.173=0.054A

式中Ia ---陽極輸出電流，A

ΔE---陽極有效電位差，V

R ---回路總電阻=（陽極接地電阻Ra= R_H+陰極過渡電阻Rc+回路導線電阻Rw），Ω,一般管道的自然電位為-0.55V,極化電位為-1.0V,由上可知管線所需保護電流為7.626A，則陰極過渡電阻為 (1.0-0.55)/3.843=0.117Ω； Ra= R_H=8.05Ω；

回路導線電阻Rw=0.006Ω; R=8.173Ω

  所需陽極數(shù)量N=(f ·I_A)/Ia=2.5×3.843/0.054=177.9支，取178支。

式中f為備用系數(shù)，取2-3倍，本例f取2。

將178支陽極沿管道每隔73米處埋設一支，然后與管道連接。在布置犧牲陽極時，注意陽極與管道之間不應有金屬構筑物。陽極埋設位置在一般情況下距管道外壁3-5m,小不宜小于0.3m, 埋設深度以陽極頂部距地面不小于1m。

  犧牲陽極保護系統(tǒng)的維護很簡單，經常檢查陽極的輸出電流，陽極消耗盡后，應及時更換。