威立雅水務(wù)管網(wǎng)管理部（常州）管道陰極保護(hù)演示工程的設(shè)計(jì)

彭 程，李遠(yuǎn)海，彭鐵軍，唐 虹

（湖南省永順縣第一中學(xué)，湖南湘西 416700）

本項(xiàng)目為常州威立雅水務(wù)管網(wǎng)管理部地下管道陰極保護(hù)，目的是進(jìn)行陰極保護(hù)的演示實(shí)驗(yàn)，講授陰極保護(hù)的極化過(guò)程以及電位分布測(cè)量。本項(xiàng)目為地下管道陰極保護(hù)演示工程，管道保護(hù)面積小，長(zhǎng)度僅15m，管徑為Ф150mm，壁厚6mm，涂層為“三油兩布”，即三層環(huán)氧煤瀝青，兩層玻璃絲布，管道埋設(shè)在草坪下的土壤中，埋深1.1mm，土壤的腐蝕性較低?？刂齐娢灰笤?850mV（相對(duì)于飽和硫酸銅電極，下同）上下波動(dòng)且控制精度高。綜合考慮，本設(shè)計(jì)根據(jù)管道的埋設(shè)特征，土壤腐蝕環(huán)境調(diào)查測(cè)量，供電電源及演示效果等具體分析，兼顧技術(shù)和經(jīng)濟(jì)兩個(gè)指標(biāo)，選擇強(qiáng)制電流陰極保護(hù)中的淺埋陽(yáng)極地床技術(shù)。

1 執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)

本陰極保護(hù)技術(shù)方案設(shè)計(jì)依據(jù)GB/T 21246—2007《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法》、GB/T 21448—2008《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》、SY/T 0086—2003《陰極保護(hù)管道的電絕緣標(biāo)準(zhǔn)》、SYJ28—87《埋地鋼質(zhì)管道環(huán)氧煤瀝青防腐層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》、美NACE RP0169—96《埋地或水下金屬管道系統(tǒng)的外部腐蝕控制》、英BS7361—1991《陰極保護(hù)應(yīng)用原則和特殊考慮》、GB8491—87《高硅耐蝕鑄鐵件》。

2 保護(hù)管道的腐蝕環(huán)境調(diào)查

土壤是一個(gè)由氣、液、固三相物質(zhì)組成的復(fù)雜體系，其三相組成隨溫度、氣候、季節(jié)等因素的變化而改變，由此導(dǎo)致土壤的電阻率、氧化還原電位、pH值、含水率、透氣性等特性改變；同時(shí)土壤中伴有一系列微生物的新陳代謝活動(dòng)，這些都是引起管網(wǎng)腐蝕的因素。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量，土壤的氧化還原電位為486mV（相對(duì)氫標(biāo)準(zhǔn)電極），pH=8.4，土壤的自然電位為529～536mV，并且進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)取樣分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 土壤取樣分析結(jié)果

從現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的結(jié)果和取樣分析結(jié)果綜合來(lái)看，土壤的氧化還原電位都大于400mV，依據(jù)SY/T0087—95《鋼質(zhì)管道及儲(chǔ)罐腐蝕與防護(hù)調(diào)查方法標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，土壤的腐蝕性較小，土壤pH＞7，呈弱堿性，土壤腐蝕等級(jí)偏低，對(duì)金屬管道防護(hù)要求較低。土壤自然電位大于500mV，說(shuō)明土壤腐蝕性較低。土壤電阻率在15～50Ω·m，屬于腐蝕性中等的環(huán)境。綜合考慮各個(gè)因素，土壤的腐蝕性較低，屬于低腐蝕性環(huán)境。

3 技術(shù)要求

1）采用外加電流陰極保護(hù)，陰極保護(hù)的演示實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)。

2）要求能夠測(cè)量出極化電位。

3）要求沿線測(cè)量保護(hù)電位（至少3個(gè)點(diǎn)），并能顯示出電位變化梯度。

4 陰極保護(hù)方案設(shè)計(jì)

4.1 電流密度取值

由于管道所處的土壤環(huán)境腐蝕性較低，并且外防腐涂層為“三油兩布”，除了人為剝開(kāi)的破損點(diǎn)，涂層的破損率很低，故保護(hù)電流密度取1mA/m2（I0）。

4.2 保護(hù)電流的計(jì)算

保護(hù)面積：S=π ·D·L=3.14×0.15×15=7.07m2

保護(hù)電流：I=I0×S=1×7.07=7.07mA

4.3 陽(yáng)極選型

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)考察并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行比較與分析，具有管道保護(hù)面積小，管道埋設(shè)淺，管道涂層較好，土壤腐蝕性弱等特點(diǎn)。兼顧技術(shù)質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)，選取常用的輔助陽(yáng)極，高硅鑄鐵陽(yáng)極一支。

陽(yáng)極規(guī)格：棒狀陽(yáng)極，凈重1.5kg/支，尺寸：Ф25mm×300mm，消耗率，0.2kg/（A·a），工作電流密度10A/m2。

4.4 陽(yáng)極壽命計(jì)算

T為陽(yáng)極使用壽命，a；G為陽(yáng)極總重量，1.5kg；g為陽(yáng)極消耗率，0.2kg/（A·a）；I為陽(yáng)極工作電流，7.07mA；K為陽(yáng)極利用系數(shù)，取0.7～0.85。

代入數(shù)據(jù)得到：T=742a。

4.5 整流器設(shè)計(jì)

（1）陽(yáng)極接地電阻計(jì)算

本設(shè)計(jì)中陽(yáng)極垂直于管道埋設(shè)，土壤的平均電阻率取20Ω · m，對(duì)于單支立式陽(yáng)極的接地電阻，根據(jù)GB/T21448—2008《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中立式輔助陽(yáng)極接地電阻RV1公式計(jì)算：

式中：PV1為單只立式輔助陽(yáng)極接地電阻，單位為Ω；ρ為土壤平均電阻率，單位為Ω · m，這里取20Ω · m；La為輔助陽(yáng)極長(zhǎng)度（含填料），單位為m，這里為0.3m；Da為輔助陽(yáng)極直徑（含填料），單位為m，這里為0.025m；t為輔助陽(yáng)極埋深（填料頂部距地表面），單位為m，這里取0.5m。

代入數(shù)據(jù)后計(jì)算得到：RV1=36.2Ω

本設(shè)計(jì)中由于管道僅15m，附近沒(méi)有其他構(gòu)筑物的影響，由于電纜短，電纜直徑比較粗，所以電纜電阻忽略不計(jì)，即回路電阻RT=36.2Ω，根據(jù)歐姆定律，總的回路電壓ET為：

I=保護(hù)總電流，7.07mA

根據(jù)計(jì)算，整流器的輸出很低，故選用高精度整流器，選2A/15V。

整流器規(guī)格如下：

輸入電壓：AC220V±10%單相或AC380V±10%三相，50Hz±1Hz；輸出電壓：15V；輸出電流：2A；電壓調(diào)整率≤5×10-3+10mV；電流調(diào)整率≤1mA；周?chē)c隨機(jī)漂移VP-P≤10mV；指示：電壓和電流表各一個(gè)，精度為2.5級(jí)或3位半數(shù)字電壓表和電流表和電流表各一個(gè)，電壓表精度±1%+2個(gè)字，電流表精度±2%+2個(gè)字；使用環(huán)境：-15～40℃，相對(duì)濕度＜90%。

4.6 電纜選型

（1）陽(yáng)極供電電纜

陽(yáng)極供電電纜的長(zhǎng)度預(yù)計(jì)50m，根據(jù)電纜流過(guò)的最大電流及其長(zhǎng)度，而且一般要求電纜上的壓降不大于2V，初步計(jì)算結(jié)果要求供電電纜截面積為16mm2，鎧裝。

（2）陰極電纜

陰極電纜由管道連至整流器，選用截面積為16mm2的電纜，鎧裝。

（3）參比電極電纜

在測(cè)試樁附近埋設(shè)一只參比電極，選用截面積為2.5mm2的電纜，電纜引致測(cè)試樁。

（4）零位電纜（測(cè)試電纜）

在參比電極附近從管道上引出測(cè)量線，選用截面積為10mm2的電纜，電纜引致測(cè)試樁。

4.7 管道絕緣設(shè)計(jì)

該工程中實(shí)驗(yàn)管道為現(xiàn)場(chǎng)管網(wǎng)中一根，且管道之間有法蘭連接，沒(méi)有進(jìn)行絕緣處理，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，其他管道不在試驗(yàn)范圍內(nèi)，即不需要施加電流保護(hù)，為保證陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)效果，必須在管道兩端進(jìn)行絕緣處理。

5 系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中陽(yáng)極垂直于管道安裝，距管道0.4m，埋深0.5m，陽(yáng)極電纜與管道之間的連接采用鋁熱焊焊接。

6 陰極保護(hù)系統(tǒng)的測(cè)量

6.1 測(cè)試樁

在實(shí)際的陰極保護(hù)工程中，在沿管線每1000m距離處，分別設(shè)置陰極保護(hù)系統(tǒng)測(cè)試樁，以便通過(guò)定期測(cè)量陰極保護(hù)有關(guān)數(shù)據(jù)，了解和評(píng)定陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行狀況并及時(shí)對(duì)管道保護(hù)進(jìn)行評(píng)價(jià)。由于管道很短，故只需設(shè)置一個(gè)測(cè)試樁，安置在管道的北端，測(cè)試樁附近埋一只參比電極，并從管道上引出測(cè)量線，利用測(cè)量線和參比電極進(jìn)行自然電位和保護(hù)電位測(cè)量。

6.2 電位測(cè)量

由于管道埋設(shè)在土壤中，埋深很淺，只有1.1m，故可以利用測(cè)量線和便攜參比電極按照一定距離（例如：2m）測(cè)量管道沿線的自然電位和保護(hù)電位，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)制作自然電位和保護(hù)電位分布圖，由圖可以看出電位變化梯度情況。

6.3 參比電極

在管道深度處安裝1只長(zhǎng)效參比電極，將可以準(zhǔn)確和可靠的測(cè)量極化電位，自然電位和保護(hù)電位，選用Cu/CuSO4參比電極。另外準(zhǔn)備2只便攜參比電極，專用于電位測(cè)量。

7 系統(tǒng)報(bào)價(jià)

7.1 陰極保護(hù)材料、設(shè)備

按設(shè)計(jì)方案本項(xiàng)目配備主要材料設(shè)備

7.2 陰極保護(hù)系統(tǒng)造價(jià)

按設(shè)計(jì)方案本項(xiàng)目造價(jià)采用預(yù)算相關(guān)定額《建設(shè)工程工程量清單計(jì)價(jià)規(guī)范》、《上海市建設(shè)工程工程量清單計(jì)價(jià)指引》。