管道工程强制电流阴极保护设计方案教学提纲.docx
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管道工程强制电流阴极保护设计方案教学提纲
管道工程
强制电流阴极保护
设计方案
新疆奥睿博节能科技发展有限公司
强制电流阴极保护设计方案
1、概述
本工程总长度为58.7km，管道管径多数为D89mm，防腐层为黄夹克防腐层。
由于管道所经地多为盐碱地，土壤电阻率较大，易选用外加电流阴极保护方式，对管道进行保护，达到延长使用寿命的目的。
2、设计方案
管道设计采用独立的外加电流阴极保护系统。
设计1座阴极保护站。
阴极保护站设计1处浅埋阳极地床、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。
3、设计依据标准
《埋地钢质管道阴极保护技术规范》GB/T21448-2008
《阴极保护管道的电绝缘标准》SY/T0086-2003
《钢质管道外腐蚀控制规范》GB/T21447-2008
《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》GB/T21246-2007
《镁合金牺牲阳极》GB/T17731-2015
《锌-铝-镉合金牺牲阳极》GB/T4950-2002
《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》SY/T0017-2006
《埋地钢质管道交流排流保护技术标准》GB/T50698-2011
4、设计指标
1、阴极保护设计使用寿命15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）。
5、系统设计及安装
5.1阴极保护设计参数
（1）管道总长度:
约58.7km
（2）绝缘层:
黄夹克防腐层
（3）管道总表面积:
约16404m2
（4）阴极保护系统设计寿命：
30年
（5）土壤平均电阻率:
200Ω·m（0～2米深土壤层）
（6）管道保护电位:
≤-0.85V（CSE）
5.2阴极保护系统的设计计算
5.2.1保护电流密度的选取
根据管道外防腐层绝缘电阻和阴极保护电流密度的对应关系（见表1），选择本项目中的最小阴极保护电流密度为0.5mA/m2。
表1电流密度和防腐层绝缘电阻的对应关系
防腐层绝缘电阻（Ω·m2）
1×104
3000
1000
300
100
30
保护电流密度（mA/m2）
0.03
0.10
0.30
1.00
3.00
10.00
5.2.2管道保护长度的计算
式中：
P－单侧保护管道长度，m
－极限保护电位与保护电位之差，0.35V
－管道外径，0.089m
－保护电流密度，0.5×10-3A/m2
－管道线电阻Ω/m
其中：
－钢管电阻率Ω·mm2/m
－管道外径m
－管道壁厚mm
本方案中：
=0.135Ω·mm2/m
=0.089m
=0.5×10-3A/m2
=0.35V（-1.20V～-0.85V）
=4.5mm
计算得：
＝0.91×10-5Ω/m
＝46925m
Lp=23.5km
阴极站管道保护长度达到23.5km，可对阴极站至其它方向延长线的部分管道进行保护，当所保护管线实际所需的阴极保护电流密度＜0.5mA/m2时，阴极站的单边保护长度将大于计算值23.5km，反之则小于计算值23.5km。
5.2.3阴极保护总电流的计算
阴极保护总保护电流需要量计算如下：
I总=i×S=0.5×16404=8202mA=8.2A（其中S=16404m2）
5.2.4辅助阳极数量的选取
本方案辅助阳极选用高硅铸铁阳极，规格75*1500mm，因为工作电流密度大，每年的消耗率低。
辅助阳极的经济数量按如下公式确定：
[A-1]
式中：
－辅助阳极的经济数量
－总保护电流（A）（
＝8.2A）
－土壤电阻率（m·Ω）（
＝200Ω·m）
故可得:
＝13.9支
由于管道沿线的土壤电阻率的波动范围较大，并且部分管道处于盐碱地段，为了留有一定的设计余量，所以将阴极保护系统的辅助阳极设计数量选择为20支，采用浅埋式阳极地床，因此每个阴极站的单支阳极平均输出电流是：
I输=IA/
=8.2/20=0.41A
5.2.5辅助阳极重量及规格的选取
辅助阳极重量：
式中：
－辅助阳极总重量，kg
－辅助阳极消耗率，kg/（A·a）
－辅助阳极工作电流，A
－辅助阳极设计寿命，a
－辅助阳极利用系数，取0.70～0.85
其中：
＝0.5kg/（A·a）
＝30a
＝0.7
＝8.2A
计算得
＝144.7kg；
选取高硅铸铁阳极作辅助阳极，其规格为Φ75×1500mm，该阳极在土壤及淡水环境中的最大额定输出电流为≤50A/㎡,即2.5A/支。
本项目阴极保护站设计计算阴极保护系统的单支阳极输出电流分别是0.41A，远远小于最大额定输出电流2.5A，而该阳极在推荐的电流密度下（≤50A/㎡,土壤及淡水环境），可保证其使用寿命大于30年。
硅铸铁阳极化学成分见表1:
表1高硅铸铁阳极化学成分（%）
类型
主要化学成分
杂质含量
Si
Mn
C
Cr
Fe
P
S
普通
14.25～15.25
0.5-1.5
≤1.4
-
余量
≤0.25
≤0.1
加铬
14.25～15.25
≤0.5
≤1.4
4～5
余量
≤0.25
≤0.1
高硅铸铁阳极的允许电流密度为50A/m2，消耗率应小0.5kg/（A·a）,其规格见表2:
表2常用高硅铸铁阳极规格
序号
阳极规格
阳极引出导线规格
直径（mm）
长度（mm）
截面积（mm2）
长度（mm）
1
50
1500
10
≥1500
2
75
1500
10
≥1500
3
100
1500
10
≥1500
5.2.6制电流阴极保护系统的电源功率计算
考虑实际中阳极地床接地电阻、防腐层绝缘电阻及回路电阻的变化,可选用的恒电位仪规格为40V，30A。
5.3阴极站的设置
根据管道分布的实际环境及现场勘测的结果，本项目设计1座阴极站位于拟建门站内，在阳极地床附件建设阴极保护控制间（阴极保护控制间面积≥10平方米，阴极保护控制间要求通风良好），便于恒电位仪的维护管理及长时间安全稳定运行。
5.4阳极床分布位置设计
在本项目设计中，在阴极站设置一处浅埋阳极地床。
阳极地床需位于管道一侧的空地，阳极地床位置与管道的距离根据场地条件尽可能远。
在阴极通电点上部设置标示桩，这些标识桩的设置是为了保障阴极保护系统安全运行，为以后对阴极保护系统进行管理提供充足的信息。
5.5参比电极的选择及阴极保护电位监控设计
参比电极是恒电位仪的监控信号源，可以将阴极保护的电位信息传送给恒电位仪，恒电位仪再做出相应的输出调节，从而达到监测阴极保护效果的目的。
长效饱和Cu/CuSO4参比电极在土壤中使用时具有稳定，寿命长等优点，因此，本设计选用长效饱和Cu/CuSO4参比电极作为阴极保护系统通电点的控制参比电极，同时用于土壤中的管道的电位监测，汇流点的参比电极提供管道的阴极保护给恒电位仪。
5.6阴极保护系统的组成
在本方案中，每座阴极站有以下四个主要组成部分：
1）提供保护电流的站内设备（1套恒电位仪，一用一备一体化机）；
2）阳极地床（1处浅埋阳极，1根测试桩）
3）通电点（阴极保护通电点及参比电极的设置，包括1支长效参比电极，1支通电点标示桩）；
4）阴极保护电源与管道之间的阴极汇流电缆，以及阴极保护电源与阳极地床测试桩之间的阳极主电缆（包含阳极电缆标示桩、阴极电缆标志桩及转角桩）。
6、阴极保护系统仪器和材料
6.1阳极地床
阳极地床是构成阴极保护回路的主要装置，长期埋在地下与土壤电解质接触，处于电解状态。
本设计选用高硅铸铁阳极，共20支高硅铸铁阳极。
6.2阴极保护电缆
本工程中根据不同的连接位置和用途选择不同横截面积的电缆进行连接。
阴极保护系统的阳极主电缆、阴极主电缆和参比电缆均选用铠装电缆，电缆选用情况及数量根据现场情况待定。
6.3阴极保护恒电位仪
6.3.1环境条件
工作温度：
－15℃～＋45℃；
储存环境温度：
－40℃～＋55℃；
相对湿度：
20％～90％RH；
大气压力：
86KPa～106Kpa；
使用电源：
交流单相AC220V±10％ 50Hz±10％；
绝缘电阻：
仪器的电源进线相对机壳的绝缘电阻不小于10MΩ。
抗电强度：
仪器的电源进线对机壳能承受1500V（有效值），50Hz的试验电压，历时1min不出现闪络和击穿。
仪器额定输出电压和输出电流系列
额定输出电压：
40V；
额定输出电流：
30A；
输出电压、输出电流范围：
输出电压的可调范围不窄于1%额定输出电压，输出电流的可调范围不窄于1%额定输出电流。
额定输出值可根据用户要求而定。
软启动：
仪器具有软启动功能；开机时，输出电流缓漫增加，直至达到预控值，无冲击电流现象。
6.3.2运行模式
手动调节运行模式、恒电位运行模式、恒电流运行模式。
手动调节运行模式：
手动连续可调。
恒电位运行模式：
恒电位控制范围可在0.000mV～－3000mV范围内连续可调。
恒电位精度：
不大于5mV。
保护电位漂移：
仪器在额定状态下连续工作24h，保护电位值变化不大于5mV。
当参比电极失效或仪器内部自控线路损坏等原因使仪器不能恒电位时，仪器自动切换至恒电流工作状态。
可手动调节输出的恒电流值。
恒电流设定范围：
恒电流方式工作时，控制电流可在1%～100%额定输出的范围内连续可调。
恒流精度优于2﹪。
参比输入阻抗：
输入阻抗大于1MΩ
电位误差报警功能：
当保护电位偏离控制电位30mV～100mV时，仪器能声光报警。
负载特性：
当负载变化时（最小值不小于1/3RdN），保护电位值的变化小于5mV，RdN为额定负载电阻。
过流保护
当输出电流为102％～110％额定输出电流值时，仪器自动进入限流工作状态，并发出声光报警。
当过流时间超过20秒后，仪器自动切换至恒电流工作状态。
仪器在电源输入端和输出端装有熔断器，当出现输出过载或短路时，切断电源。
断电测试功能
具有手动控制和远程控制两种控制阴极保护工作状态的功能，即连续供电工作状态和测试期间间歇供电（通12S，断3S）工作状态。
手动断电测试，通过开关选择，仪器进入间歇供电测试状态，通12秒、断3秒。
在测试期内，输出电流中断3S不报警，从断转通状态时不得出现电流冲击现象。
测试功能
仪表采用精度为±0.5％的数字表，可分别测量输出电压、输出电流、管地（保护）电位。
可监测交流输入电压。
6.3.3防雷保护
仪器的输入、输出端装有防雷击保护电路，并符合IEC1024的规定。
7.3.4参比信号抗干扰能力
抗交流干扰特性：
在“参比电极”端子与“零位接阴”端子之间加入50Hz、30V干扰电压，保护电位值的变化不大于5mV。
抗瞬间干扰：
参比输入端瞬间承受1000V过电后，仪器仍能正常工作。
7.3.5电源输入特性
电网电压在AC220V±10％ 50Hz±10％范围内变化，保护电位值的变化小于5mV。
7、施工设计
7.1、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50Hz380V/20KVA交流电。
7.1.1辅助阳极采用深井式地床，地床位于距管道垂直距离≥70米处。
阳极井深≥40米，井内安装埋设12支组装式金属氧化物阳极及导气管。
7.1.2深井地床地表砌筑井座井盖用以保护导气管。
7.1.3.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。
7.1.4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。
7.1.5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。
7.1.6电缆选型为
阳极电缆YJV220.5KV/1×16mm2
阳极汇流电缆VV220.5KV/1×25mm2
阴极电缆VV220.5KV/1×16mm2
参比电极电缆VV-0.5KV/2×10mm2
电源线RVV-0.5KV/3×6+1×4mm2
7.2、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。
7.2.1.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。
7.2.2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。
8、施工技术要求
8.1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。
8.2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。
8.3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。
8.4电缆敷设上方间隔50米应埋设1个水泥电缆标志。
8.5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。
8.6施工过程中，应及时测量并记录有关数据。
9、工程验收
根据有关标准所规定准则作为阴极保护工程验收合格标准，即阴极保护装置投入运行，测量（测试桩处）保护电位值应在-0.85V至-1.20V之间（相对饱和Cu/CuSO4参比电极，并消除IR降）。
10、效果监测
阴极保护装置投入运行后,利用测试桩，应每半年（或一年）监测保护电位和阳极组输出电流,并作相应的记录。
对于保护电位和阳极组输出电流不符合标准和本设计要求，应请有关专业技术人员调查解决。
附录一：
阴极保护材料表
序号
材料名称
规格
单位
数量
备注
1
恒电位仪
40V/30A
台
2
一用一备机型，具有远传
2
高硅铸铁阳极
阳极体规格Φ75*1500mm
支
20
3
阳极测试桩
支
1
4
长效参比电极
Cu/CuSO4
支
2
含1米长电缆及填包料
5
测试电缆
ZR-VV221×10mm2
米
6
参比电极电缆
ZR-VV221×2.5mm2
米
7
阳极主电缆
ZR-VV221×25mm2
米
8
阴极主电缆
ZR-VV221×25mm2
米
9
零位接阴电缆
ZR-VV221×10mm2
米
11
辅材
套
1
防腐等材料、铜鼻子
升级会员 