淺談防雷接地對(duì)陰極保護(hù)的影響

肖　威

(貴州省安龍縣氣象局，貴州　安龍　562400)

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淺談防雷接地對(duì)陰極保護(hù)的影響

肖威

(貴州省安龍縣氣象局，貴州安龍562400)

防雷接地是由金屬導(dǎo)體在地下搭接而成的接地網(wǎng)絡(luò)，而陰極保護(hù)是防止建筑物地下金屬構(gòu)件腐蝕的有效措施。因此，陰極保護(hù)與防雷接地存在密切的關(guān)系。防雷接地設(shè)計(jì)應(yīng)考慮對(duì)陰極保護(hù)對(duì)其的影響，該文以石油天然氣管道和儲(chǔ)罐接地的防雷接地對(duì)陰極保護(hù)影響為例，進(jìn)行探討分析。

陰極保護(hù)；防雷接地；犧牲陽極保護(hù)法；外加電流保護(hù)法

1　引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)科技的發(fā)展，雷電災(zāi)害對(duì)社會(huì)影響日益嚴(yán)重日益。對(duì)于電力、石化等行業(yè)來說，科學(xué)合理的防雷措施是安全生產(chǎn)的重要保障，而防雷接地是防雷工程中的重要部分。另外，在天然氣站，加油加氣站，變電站地下往往有大量的金屬管道和金屬線路，為了防止腐蝕造成泄漏、漏電等事故的發(fā)生，都安裝了陰極保護(hù)裝置來作為防腐蝕措施。然而，防雷保護(hù)與陰極保護(hù)有著緊密的聯(lián)系，不合理的防雷工程設(shè)計(jì)會(huì)損壞原有的陰極保護(hù)裝置。而正確的陰極保護(hù)措施在防止其他金屬腐蝕的同時(shí)也能防止防雷接地網(wǎng)被腐蝕。本文主要用陰極保護(hù)在埋地石油儲(chǔ)罐和油氣管道的防雷接地上的應(yīng)用進(jìn)行分析。

2　防雷接地與陰極保護(hù)

2.1防雷接地

防雷接地就屬于外部防雷系統(tǒng)，即是將雷擊時(shí)所產(chǎn)生的雷電流通過埋在地下的導(dǎo)體向大地泄放，以避免雷電能量集中造成各種破壞。

接地裝置直接將與大地接觸的各種金屬構(gòu)件、金屬管道、鋼筋混凝土建(構(gòu))筑物等自然接地極。也可以采用專門用作接地的金屬線材、金屬網(wǎng)等人工接地極，大部分使用銅和熱鍍鋅的鋼材。

2.2陰極保護(hù)

陰極保護(hù)的基本原理就是給金屬補(bǔ)充大量的電子，使其處于陰極狀態(tài)，抑制腐蝕的發(fā)生。是防止電力設(shè)施、埋地運(yùn)輸管道和大型罐群等腐蝕的有力措施。根據(jù)不同方法陰極保護(hù)分為：犧牲陽極保護(hù)法和外加電流法兩種。

2.2.1犧牲陽極保護(hù)法是利用比被保護(hù)金屬還原性更強(qiáng)的金屬材料與被保護(hù)金屬連接。在土壤這個(gè)電解液中，還原性更強(qiáng)的金屬自身會(huì)不斷受到腐蝕，同時(shí)向被保護(hù)金屬輸送電子，通過犧牲該金屬而達(dá)到保護(hù)目標(biāo)金屬的目的。

犧牲陽極法簡單易行，不需要外部電源，隨管道一起施工安裝，工作量小，且在運(yùn)行過程中，維護(hù)簡單。但是驅(qū)動(dòng)電位低導(dǎo)致保護(hù)范圍小，陽極壽命有限，一般只有3～5 a，需人工定期更換。

2.2.2外加電流法通過外加電源設(shè)備對(duì)被保護(hù)金屬施加保護(hù)電流，提供足夠多的電子，使被保護(hù)金屬處于陰極狀態(tài)，從而達(dá)到防腐蝕的效果。

外加電流法驅(qū)動(dòng)電壓高輸出電流大，常用于長輸管線和區(qū)域性管網(wǎng)的保護(hù)，保護(hù)范圍廣，壽命長。但其實(shí)現(xiàn)需要依靠外部電源，且配專業(yè)人員進(jìn)行維護(hù)監(jiān)管。這種保護(hù)形式通常用于土壤電阻率較高或者規(guī)范較大的電力設(shè)施。

3　油氣輸送管道的陰極保護(hù)與防雷接地

3.1油氣輸送管道的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)

經(jīng)過上一章節(jié)可知，管道的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)通常使用兩種方式，即外加電流保護(hù)法和犧牲陽極保護(hù)法，由于油氣管道都具有范圍廣長度長的特點(diǎn)，所以采用外加電流保護(hù)法來進(jìn)行保護(hù)油氣管道是最好的選擇。一般的外加電流保護(hù)系統(tǒng)由提供保護(hù)電流的電源、參比電極、輔助陽極和連接電纜組成。具體設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1　油氣管道陰極保護(hù)設(shè)計(jì)圖Fig.1　The design of oil and gas pipelines on cathode protection

3.2油氣管道防雷接地對(duì)陰極保護(hù)的影響

油氣管道的防雷設(shè)計(jì)根據(jù)規(guī)范要求應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行電屏蔽保護(hù)。并且必須采用去耦合器來進(jìn)行屏蔽線與油氣管道的連接，因?yàn)槁竦赜蜌夤艿辣旧矶加兄鄳?yīng)的陰極保護(hù)設(shè)施，設(shè)計(jì)中所采用的外加電流保護(hù)法如果在遇到有屏蔽線的管道時(shí)，陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)電流就會(huì)通過屏蔽線迅速泄流到大地，這將使管道的陰極保護(hù)功能喪失，對(duì)管道的安全運(yùn)作產(chǎn)生威脅。如果在屏蔽線與油氣管道連接中間加入了去耦合器，就可以防止陰極保護(hù)的保護(hù)電流的流失。如圖2所示。

圖2　管道去耦合器示意圖Fig.2　The design of coupler on piping

為了防止雷電對(duì)油氣管道產(chǎn)生危害，一般在油氣管道都會(huì)安裝相應(yīng)的防雷接地設(shè)施。對(duì)于埋設(shè)在土壤中的油氣金屬管道，由于容易受到腐蝕。因此需要采用了外加電流保護(hù)法來進(jìn)行陰極保護(hù)。在實(shí)際工作生產(chǎn)中，如果防雷接地安裝不當(dāng)，則會(huì)導(dǎo)致陰極保護(hù)系統(tǒng)的保護(hù)電流通過防雷接地直接泄流到大地之中，造成油氣管道上的保護(hù)電流微乎其微，幾乎得不到保護(hù)，這將導(dǎo)致管道受到土壤的腐蝕，甚至穿孔，產(chǎn)生極大的安全隱患。

如果將防雷接地通過隔離器與管道相連接就可以有效解決問題。在防雷接地安裝過程中，為了隔絕防雷接地極對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)之間的影響，可在防雷接地極上安裝電火花間隙與管道相連。電火花間隙平時(shí)處于開路狀態(tài)，接地極將不影響油氣管道的陰極保護(hù)系統(tǒng)。當(dāng)油氣管道遭到雷擊時(shí)，間隙被擊穿，將管道上的過電壓迅速導(dǎo)入到大地中，使管道得到保護(hù)。

4　石油儲(chǔ)罐的防雷接地與陰極保護(hù)

4.1石油儲(chǔ)罐的防雷接地設(shè)計(jì)

石油儲(chǔ)罐的防雷設(shè)計(jì)應(yīng)該嚴(yán)格遵循GB50156《加油加氣站設(shè)計(jì)與施工規(guī)范》和GB50057《建筑物防雷設(shè)計(jì)規(guī)范》中儲(chǔ)罐的防雷設(shè)計(jì)，設(shè)置儲(chǔ)罐的接地點(diǎn)至少兩處以上，接地電阻不大于10 Ω，接地極與儲(chǔ)罐的銅芯連線橫截面>16 mm2，達(dá)到降低反擊電位和跨步電壓的要求。接地極材料一般選用鍍鋅扁鋼、鍍鋅角鋼或者石墨等構(gòu)成的接地網(wǎng)絡(luò)。

4.2石油儲(chǔ)罐的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)油罐為金屬罐體，由于儲(chǔ)罐的范圍一般較小，并且處于安全的考慮不適合外加電流在儲(chǔ)罐上，所以一般就選擇犧牲陽極保護(hù)法，在罐體的周圍安裝金屬陽極，如鎂，使電子通過土壤向罐體的底部流入，防止金屬原子失去電子而變成離子，從而達(dá)到罐底的防腐保護(hù)。如圖3所示。

圖3　石油儲(chǔ)罐的陰極保護(hù)示意圖Fig.3　The design of oil storage tanks on cathode protection

4.3石油儲(chǔ)罐防雷接地對(duì)陰極保護(hù)的影響

當(dāng)儲(chǔ)罐周圍防雷接地安裝方法不當(dāng)時(shí)，大部分電子卻會(huì)通過接地極流入儲(chǔ)罐底板，從而使陰極保護(hù)失去防腐蝕的作用。通過資料和實(shí)驗(yàn)對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)上的陽極檢測，會(huì)發(fā)現(xiàn)如果將陽極布置在儲(chǔ)罐周圍，大部分陰極保護(hù)電流是通過儲(chǔ)罐的防雷接地極流入儲(chǔ)罐的，而通過土壤進(jìn)入儲(chǔ)罐的電子幾乎不到十分之一，所以防雷接地嚴(yán)重的破壞了陰極保護(hù)裝置。

為了解決這種防雷接地的影響，可以采取以下的辦法：

一種方法是直接把陰極保護(hù)陽極當(dāng)成防雷接地極來安裝，達(dá)到“一極兩用”的效果，即在犧牲陽極的陰極保護(hù)中，把陽極的接地電阻做到防雷接地所要求的范圍之內(nèi)，并且把陽極連接線纜的截面積也做到大于防雷規(guī)范要求的值，從而達(dá)到陰極保護(hù)陽極和防雷接地極的雙重作用。

另一種方法多用于新建的石油儲(chǔ)罐，是在儲(chǔ)罐地下做一層防滲膜，這種方法多用于新建的石油儲(chǔ)罐，我們把陽極置于防滲膜里面，而把接地極安裝在防滲膜外面，把接地極與陰極保護(hù)的陽極分開，可以有效的阻止陰極保護(hù)電子向接地極流入，而且還起到了防止儲(chǔ)罐底滲漏的石油液體向地下滲漏而污染地下水。如圖4所示。

還有一種解決辦法是對(duì)于已經(jīng)建設(shè)好的石油儲(chǔ)蓄罐，在罐的防雷接地極與罐體之間的連接線上安裝壓敏電阻或者放電間隙，在平時(shí)情況下，壓敏電阻或者放電間隙是處于開路的狀態(tài)，阻斷了陰極保護(hù)的電子從陽極流入接地極，當(dāng)發(fā)生雷擊產(chǎn)生過電壓時(shí)，壓敏電阻阻值將會(huì)減小或放電間隙將會(huì)擊穿形成通路，將雷擊產(chǎn)生的過電流釋放到大地。

5　結(jié)論

①本文針對(duì)陰極保護(hù)的兩種方法，分別用油氣管道和儲(chǔ)罐兩個(gè)典型的例子分析了防雷接地給陰極保護(hù)裝置帶來的危害影響，并根據(jù)防雷接地與陰極保護(hù)裝置產(chǎn)生的負(fù)面影響，列舉出了多種不同的有效解決措施。

②本文可以加強(qiáng)處于防雷領(lǐng)域的工作人員對(duì)陰極保護(hù)的重視，在以后工作中不管是從事防雷工程設(shè)計(jì)，防雷圖紙審核還是防雷檢測都應(yīng)該注意防雷接地給陰極保護(hù)帶來的影響，特別是大型油氣管道設(shè)施，儲(chǔ)油罐和大型變電站等設(shè)施。

圖4　石油儲(chǔ)罐安裝防滲膜示意圖Fig.4　The design of oil storage tanks use impervious films

[1] 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督總局.中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)GB50057-2010[S].北京: 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部,2010-11.

[2] 熊道英.基于陰極保護(hù)的輸油埋地管道防腐技術(shù)問題探討[J].工業(yè)技術(shù),2006.

[3] 岳曉鈺,何振平.陰極保護(hù)技術(shù)在長輸管線工程中的應(yīng)用[J].中州煤炭,2006.

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[5] 馮驊,馬健.儲(chǔ)罐防雷接地對(duì)陰極保護(hù)效果的影響[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2007,26(1):51-52.

Influences of Grounding for Lightning on Cathode Protection

XIAO Wei

(Guizhou Anlong Meteorological Bureau, Anlong 562400, China)

Grounding for lightning is an earthing network which is connected by metallic conductors under the ground, while cathode protection is an effective measure to prevent buildings'underground metal components from erosion. Therefore, there exists a close relationship between cathode protection and grounding for lightnig. The design of grounding for lightning should take the influences of cathode protection on it into account. This thesis takes the influences of grounding for lightning in oil and gas pipelines and tank grounding on cathode protection as an example to conduct a discussion and analysis.

cathode protection; grounding for lightning; abandon-anode-protection technique; impressed current protection

1003-6598(2016)02-0081-04

2015-11-07

肖威(1992-)，男，助工，主要從事防雷減災(zāi)和縣級(jí)氣象綜合業(yè)務(wù)工作，E-mail:307813952@qq.com。

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