沿海吹填土地質(zhì)內(nèi)電氣接地網(wǎng)陰極保護(hù)的選取與應(yīng)用

閆冰

(河南第一火電建設(shè)公司，河南 鄭州 450001)

0 引言

華潤唐山曹妃甸燃煤供熱電廠(以下簡稱曹妃甸電廠)位于唐山市南堡開發(fā)區(qū)曹妃甸島海域，地質(zhì)特征為沙質(zhì)海灘，建設(shè)用地由沙質(zhì)吹填土形成，廠區(qū)屬濱海淺灘吹填造地地質(zhì)，土壤具有極強(qiáng)的腐蝕性。曹妃甸電廠有2臺300MW燃煤供熱機(jī)組，廠區(qū)地質(zhì)特征為沙質(zhì)海灘，對鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性，采用鎂合金犧牲陽極進(jìn)行陰極保護(hù)是防止全廠電氣接地網(wǎng)地下部分腐蝕的有效方法。它是通過向被保護(hù)的金屬結(jié)構(gòu)物表面通入足夠的陰極極化電流，使金屬的電位向負(fù)方向移動，使之在電解質(zhì)中難于失去電子，從而使金屬的電化學(xué)腐蝕得到有效抑制。在該工程中鎂合金犧牲陽極的有效使用，在電氣接地網(wǎng)得到保護(hù)的同時，對臨近金屬結(jié)構(gòu)的影響極小，運(yùn)行成本低且安裝、施工簡便。

1 場地巖土工程特性

1．1 地層巖性

曹妃甸電廠廠區(qū)及其附近地層情況見表1。廠區(qū)表層及其附近已完成吹填造地，人工吹填大面積粉、細(xì)沙層，吹填厚度為4～6m。該區(qū)域地下水為海水，地下水位的變化受潮汐的影響，變化幅度為1．0～2．0m。在4個試驗(yàn)區(qū)中，除其中1區(qū)水位埋深大于1．7m且水位較穩(wěn)定外，其他3個區(qū)的水位埋深較淺或接近地表。其中1區(qū)在地表下0．5～0．7m。

1．2 地下水及水、土腐蝕性評價

1．2．1 地下水及其腐蝕性評價

地下水水質(zhì)試驗(yàn)分析結(jié)果見表2，水中Cl－的質(zhì)量濃度為19036．7～21518．2mg/L的質(zhì)量濃度為1579．6～1 736．1mg/L，pH 值為 6．45～6．50。因此，依據(jù)GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》第12．2．1～12．2．5 條及表 12．2．1～12．2．5 的相關(guān)規(guī)定，按Ⅱ類環(huán)境考慮，綜合判定該場地的地下水對混凝土結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性，混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋在長期浸水狀態(tài)下具有弱腐蝕性及在干濕交替狀態(tài)下具有強(qiáng)腐蝕性，地下水對鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性。

表1 廠區(qū)及其附近地層情況

1．2．2 地基土腐蝕性評價

根據(jù)河北電力勘測設(shè)計研究院《華潤電力曹妃甸電廠初步設(shè)計階段廠址區(qū)巖土工程勘測報告》，為查明廠址區(qū)場地土的腐蝕性，勘測中對場地的土質(zhì)進(jìn)行了易溶鹽含量分析，結(jié)果見表3。由表3可知，土中的質(zhì)量濃度為415．68～653．76 mg/L，Cl－+的質(zhì)量濃度為3 511．23～5287．91mg/kg。因此，依據(jù) GB 50021—2001《巖土工程勘察規(guī)范》中第 12．2．1～12．2．5 條及表12．2．1～12．2．5 的相關(guān)規(guī)定，綜合判定廠址區(qū)場地土壤對混凝土結(jié)構(gòu)無腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具有中等腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具有中等腐蝕性。

2 接地網(wǎng)陰極保護(hù)設(shè)計

2．1 保護(hù)范圍

該期工程全廠室外接地網(wǎng)及接地體:50mm×8 mm鍍鋅扁鋼水平接地極9590m;80mm×8mm鍍鋅扁鋼水平接地極800m;長1．5m，直徑50mm鍍鋅鋼管垂直接地極1054根。

表2 地下水水質(zhì)分析

表3 場地土腐蝕性分析

2．2 選用保護(hù)方式

陰極保護(hù)是防止地下金屬結(jié)構(gòu)物腐蝕比較有效的方法。可分為犧牲陽極和外加電流2種保護(hù)方式，不管保護(hù)電流是通過被保護(hù)金屬同犧牲陽極相連產(chǎn)生，還是采用外加電源供給，效果都是一樣的。根據(jù)曹妃甸電廠的土質(zhì)情況，該工程接地網(wǎng)陰極保護(hù)的方式采用的是犧牲陽極法。

2．3 土壤電阻率評價

采用“溫納四極法”實(shí)測的土壤電阻率見表4，土壤電阻率與土壤腐蝕性能見表5。

表4 采用“溫納四極法”實(shí)測的土壤電阻率(觀測日期:2007－05－23—25)

表5 土壤電阻率與土壤腐蝕性 Ω·M

根據(jù)實(shí)測的土壤電阻率結(jié)果(表4)對照土壤電阻率與土壤腐蝕性評價標(biāo)準(zhǔn)(表5)可以看出:幾乎所有位置的土壤均屬于極強(qiáng)腐蝕等級，即土壤有極強(qiáng)的腐蝕性，它與地貌上屬濱海淺灘情況有關(guān)。

2．4 主要技術(shù)指標(biāo)

(1)實(shí)施陰極保護(hù)后，被保護(hù)的接地網(wǎng)各點(diǎn)電位應(yīng)低于－0．85V(相對于Cu/CuSO4參比電極)，或與對地電位之差達(dá)到－0．30V以上。

(2)陽極設(shè)計使用壽命大于30年。

2．5 確定最小保護(hù)電流密度

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測土壤腐蝕性數(shù)據(jù)，考慮有關(guān)資料的經(jīng)驗(yàn)值和若干犧牲陽極保護(hù)工程實(shí)踐，確定最小保護(hù)電流密度為25mA/m2。

2．6 確定犧牲陽極材料

在上述如此低的土壤電阻率場地中，選擇鋅合金陽極也許適合該場地情況，在交流電壓干擾的情況下，陽極有時會發(fā)生極性逆轉(zhuǎn)，相比之下，鋅陽極抗干擾能力比較強(qiáng)，但鋅陽極電流效率低，市場價格高。最后經(jīng)業(yè)主方認(rèn)可，確定采用鎂合金犧牲陽極，鎂合金陽極具有密度小、電位低和對鋼的驅(qū)動電壓大的特點(diǎn)，另外，犧牲陽極使用鎂合金材料也符合GB/T 21448—2008《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》的要求。

2．7 設(shè)計計算

2．7．1 被保護(hù)接地網(wǎng)面積

曹妃甸電廠一期2×300MW供熱機(jī)組全廠防雷接地網(wǎng)需要進(jìn)行保護(hù)的總面積為1300．162m2。2．7．2 電流密度

目前，關(guān)于接地極最小保護(hù)電流密度的選取，尚無標(biāo)準(zhǔn)可查。據(jù)有關(guān)資料報道，可供參考的最小保護(hù)電流密度為:裸管，一般中性土壤為 5～15 mA/m2，透氣性中性土壤為20～30mA/m2，濕潤土壤為25～60mA/m2;鋼管接地極，無覆蓋層為10～100mA/m2;裸露鋼樁碼頭海泥為15～30mA/m2。綜合考慮以上各推薦數(shù)據(jù)，結(jié)合以往實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，確定最小保護(hù)電流密度為25mA/m2。

2．7．3 保護(hù)電流式中:SZ為場地總面積，m2;IX為最小保護(hù)電流密度，mA/m2。

2．7．4 需要陽極總量

式中:Y為犧牲陽極的使用壽命，30 a;T為時間換算系數(shù)，8 760 h/a;Q為犧牲陽極實(shí)際電容量，1 100(A·h)/kg;P為犧牲陽極利用系數(shù)，一般取0．85。

2．7．5 陽極數(shù)量

2．7．6 犧牲陽極壽命

式中:C為犧牲陽極的截面周長，mm;D為犧牲陽極的當(dāng)量直徑，mm。

陽極接地電阻

式中:ρ為土壤電阻率，取4Ω·m;l為犧牲陽極的長度，mm。

接地極接地電阻。按陽極間距14．5m計算，則陰極接地電阻為式中:R為回路總電阻(埋地水平帶形，長2L，截面

式中:If為陽極輸出電流，A;Ec為陰極開路電位，V;Ea為陽極開路電位，V;ec為陰極極化電位，V;ea為陽極極化電位，V;Ra為陽極接地電阻，Ω;Rc為陰極過渡電阻，Ω;Rw為回路導(dǎo)線電阻，Ω，可忽略不計;ΔE為陽極有效電位差，V;取自然電位對地負(fù)向變化 0．3V 的1．5 倍。

式中:Y為犧牲陽極使用壽命，a;m為單支犧牲陽極質(zhì)量，kg;Q為犧牲陽極實(shí)際電容量，(A·h)/kg;Im為每塊犧牲陽極平均發(fā)生電流;K為犧牲陽極利用系數(shù)，0．85;Y=30．4 a。

對于陽極壽命選用30 a設(shè)計年限，由于地下金屬構(gòu)件的自然腐蝕年限一般為5 a，加上陰極保護(hù)的設(shè)計年限使金屬構(gòu)件的壽命可達(dá)35 a，符合并大于華潤曹妃甸電廠電氣接地網(wǎng)要求達(dá)到的30 a設(shè)計壽命。

3 犧牲陽極埋設(shè)

陽極間距14．5～15．0m，考慮廠區(qū)接地極全部為海中取出的海土，土壤電阻率很低，可不用填包料，其他同常規(guī)。

4 保護(hù)效果測試

曹妃甸電廠陰極保護(hù)系統(tǒng)2008年10月6日安裝完畢，系統(tǒng)運(yùn)行后進(jìn)行測試 ，測試時間為2008年11月26日，使用Cu/CuSO4參比電極，結(jié)果見表6。

表6 保護(hù)效果測試 V

5 結(jié)論

由于該區(qū)域場地由海底沙質(zhì)土吹填形成，應(yīng)屬于濱海淺灘地質(zhì)。從實(shí)測的土壤電阻率可以看出，該廠區(qū)內(nèi)土壤電阻率極低，造成土壤中電壓降(IR降)也極低，因此，陰極保護(hù)中瞬時斷電電位非常接近于保護(hù)電位，其保護(hù)中各項(xiàng)參數(shù)也要好于大部分內(nèi)陸地區(qū)。從實(shí)際運(yùn)行的結(jié)果來看，曹妃甸電廠接地網(wǎng)的陰極保護(hù)系統(tǒng)安裝后，保護(hù)參數(shù)經(jīng)檢測符合設(shè)計要求，接地網(wǎng)的保護(hù)電位達(dá)到了設(shè)計要求和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，取得了較好的防腐效果。曹妃甸電廠接地網(wǎng)的陰極保護(hù)系統(tǒng)投資節(jié)省且維護(hù)、檢修也較方便。因此，選取和應(yīng)用鎂合金犧牲陽極對于環(huán)渤海地區(qū)同類地質(zhì)電氣接地網(wǎng)的陰極保護(hù)是一種較好的解決方案。

［1］建研地基基礎(chǔ)工程有限責(zé)任公司．首鋼京唐鋼鐵聯(lián)合有限責(zé)任公司鋼鐵廠地基處理試驗(yàn)報告［R］．北京:中國建筑科學(xué)研究院地基基礎(chǔ)研究所，2006．

［2］周全成．華潤電力曹妃甸電廠初步設(shè)計階段廠址區(qū)巖土工程勘測報告［R］．石家莊:河北電力勘測設(shè)計研究院，2006．

［3］胡士信．陰極保護(hù)工程手冊［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003．