牺牲阳极阴极保护接地电阻改善方案
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牺牲阳极法阴极保护的设计计算
实施阴极保护的金属集购物上的点位和电流分布函数是复杂的,它不仅与被保护金属结构物材料、牺牲阳极材料、环境介质条件直接相关,而且还与结构物的几何构型密切有关。从原理上考虑,牺牲样激发和外加电流阴极保护的点位、电流分布的计算式基本相同的,它们都是保护电流在复杂电阻体系上产生的电压降结果。绵延分布的管线是几何构型最简单的一种结构物,它是一维延伸的,在数学上容易处理。许多复杂几何构型物往往可以看作为若干一维节段的组合和叠加。所以,阴极保护的设计计算常以埋地管线作为计算对象。
牺牲阳极法阴极保护的设计计算一般包括以下几个步骤。
⑴确定最小保护电流密度i
对被保护结构物的最小保护电流密度确定,首选亏电实验值。可在现场安装一临时店员和接地极进行馈电试验,再根据达到保护电位时所对应的极化电流强度,推算出最小保护电流密度的取值范围。若无馈电实验值,一般可根据文献资料和经验选取。也可采用下式进行理论计算:
I=△EO/RU
式中i—保护电流密度,mA/m2
△E—最小保护电位对结构物自腐蚀电位的负偏移值(极化电位,mV),△EO通常取300mV,它是最小保护电位-850mV (SCE)与钢铁在普通土壤中自腐蚀电位【一般为-550 mV(SCE)】的差值;
R—结构物表面防腐层的楼电阻率,Ω•m2。
保护电流密度是阴极保护实践和设计十分重要的参数。但它受到被保护结构物/环境介质体系许多因素的影响,如结构物材料种类,防腐层质量,介质的性质、组成、分布和变化,甚至温度、气候或微生物存在与活动等。它的数值往往变化很大,即使在阴极保护运行过程中也是变化的。因此,要求准确的计算几乎是不可能的,但它仍是一个重要的参数值。对此,馈电试验或经验选取则是很有效的。
⑵计算所需总保护电流强度I
根据被保护结构物的几何尺寸计算出需被被保护的总面积S(m),就可由保护电流密度i按下式计算所需总保护电流强度It(A):
It=S•i
对于埋地管道则为:
It=πDL•i
式中D—被保护管道外径,m;
L—管道长度,m。
⑶计算牺牲阳极接界电阻Ra
牺牲阳极的接界电阻是决定牺牲阳极输出电流的关键影响因素之一。它可通过实验测量或计算获得。经过一系列推导可获得接界电阻的计算公式,文献资料报道的阳极接界电阻的计算公式很多,现推荐以下一些计算公式:
①在土壤环境中的牺牲阳极接界电阻,即接地电阻的计算公式
a. 单支立式圆柱形牺牲阳极无填料(即填包料,下同)时,阳极接地电阻的计算公式为:
RV1=p/2πL(In2L/d+1/2ln〔4t+L〕/〔4t-L〕)
b. 单支立式圆柱形牺牲阳极有填料时,阳极接地电阻的计算公式为:
RV2= p/2πLa(In2La/D+1/2ln〔4t+L〕/〔4t-L〕+pa/p×In×D/d)
c. 但是水平式圆柱形牺牲阳极有填料时,阳极接地电阻的计算公式为:
Rh= p/2πLa(In2La/D+In×La/2t+pa/p×In×D/d)
以上三式中,La>>d,t>>La/4。
式中R和R—分别为立式和水平式的阳极接地电阻(R无填料,Rv2有填料),Ω;
p和pa—分别为土壤和阳极填料的电阻率,Ω•m;
L和L—分别为阳极和阳极填料柱的长度,m;
d和D—分别为阳极和填料的直径,m;
t—阳极中心至地表面的距离,m。
对土壤中金属结构物进行牺牲阳极保护时,为提供足够的保护电流及施工安装方面的考虑,常采用多支阳极并联安装方式。对一个阳极组的总接地电阻R(Ω)可按下式计算:
Rt=η×R/n
式中n—并联阳极支书;
η—并联阳极修正系数。
多支阳极并联的总结地电阻一般比里理论计算值大,这时阳极直接按屏蔽作用的结果。可按照实际情况根据阳极之间的距离、并联支数及阳极长度在图4-23中火表4-29中选取修正系数η。
②在水环境中的牺牲阳极接界电阻,即接水电阻的计算公式
长条形阳极的接水电阻R(Ω)计算公式为:
Ra= p/2Πl(In×4L/r-1)
式中L—阳极的长度,cm;
P—水介质的电阻率,Ω•cm;
R—阳极的等效半径,cm,S=(长+宽)/2,长≥2×宽。
b. 板状阳极的接水电阻RA(Ω)计算公式为:
RA=p/2S
c.镯式阳极的接水电阻RA(Ω)计算公式为:
RA=0.315p/
A为阳极横截面积,cm2。
式中,S为阳极两边的平均长度,cm;且式中,A为阳极表面积,cm。
⑷计算单支阳极的输出电流I
对牺牲阳极-土壤-被保护结构物(阴极)构成的点回路,根据欧姆定律可按下式计算单支阳极的输出电流Ia:
Ia=(EC-ΔEC)-(Ea+ΔEa)/Ra+Rc+Rw≈ΔE/Ra
式中 Ia—单支阳极输出电流,A;
Ec和Ea—分别为阴极和阳极的开路电位,V;
△Ec和△Ea—分别为阴极和阳极的极化电位值,v;
Rc和Ra—分贝为阴极和阳极的接界电阻(接地或接水电阻),Ω;
Rw—导线电阻,Ω;
△E—阴极和阳极工作时的有效电位差,在这里就是所谓驱动电压,V。
当R合R可忽略不计时,可获得相应的近似式,见式(4-19)。显然,单支阳极的输出电流主要取决于阳极的接界电阻R。
也可根据经验公式来计算单支阳极输出电流,由此可省却一系列复杂的计算,下面列出美国HARCO防腐蚀公司对埋
地镁阳极和锌阳极总结地经验公式:
Img=150000Fy/p
Izn=150000Fy/p
式中Img和Izn —分别为单支镁阳极和单支锌阳极的输出电流,mA;
P—土壤电阻率,Ω•cm;
f—质量系数,可查表4-30获得;
Y—被保护技能书对地(水)电位修正系数,可查表4-31获得。
当被保护金属结构物表面敷有良好的防腐层时,阳极输出电流将显著小于裸金属条件下的输出电流。此时,是(4-20)和(4-21)的系数可考虑分别减小20%。