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接地网防腐工程中的阴极保护设计
施工技术

接地网防腐工程中的阴极保护设计

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  1. 概述

  接地装置是发电厂、变电站、通信站中确保工作接地、防雷接地、保护接地的必备设施。出于经济方面的考虑,接地装置一般采用镀锌碳钢(扁钢、圆钢)组成立体接地网;由于长期处于地下恶劣的运行环境中,土壤带来化学与电化学腐蚀不可避免,同时还要承受巨大的排流与杂散电流腐蚀,接地网的腐蚀是电网系统问题与事故的主要来源之一[1][2]。因此,确保接地网免受腐蚀是电网稳定安全运行的前提,在各种接地网防护措施中,阴极保护是一项科学、可行的方法,尤其对于业已运行的接地网的保护,有其独特的优点。

  2. 阴极保护原理

  通过对受保护金属设施(如变电站的接地网)进行阴极极化,使之变成一个大阴极,从而防止金属腐蚀(金属只有在阳极状态下才可能腐蚀),此即所谓的阴极保护。阴极保护可通过两种方法实现,一是牺牲阳极法;二是外加电流法。牺牲阳极法简单易行,无须维护,它是在被保护的接地网上连接电位更负、更容易腐蚀的金属或合金(如镁及镁合金阳极、锌合金阳极),靠阳极的腐蚀溶解达到保护阴极(接地网)的目的。外加电流法是利用外加直流电源,将被保护的金属与电源负极连接,使之变成阴极而达到防止金属腐蚀的目的。两种保护方式各有千秋,具体的选择是根据保护电流、土壤电阻率及现场的其他情况决定的,但它们在接地网的保护中都有成功的应用。

  3. 土壤的腐蚀特性

  土壤是一个由气、液、固三相物质组成的复杂体系,其三相组成随温度、气候、季节等因素的变化而改变,由此导致土壤的电阻率、氧化还原电位、pH值、含水率、透气性等特性改变;同时土壤中伴有一系列微生物的新陈代谢活动,这些都是引起接地网腐蚀的因素。因此,评定土壤的腐蚀性是非常复杂的;作为常用的参考指标,表1给出了用土壤电阻率(W٠m)评定土壤腐蚀性的标准。

  表1:

  表1:土壤电阻率(W٠m)与土壤腐蚀性[3]

  腐蚀性 中国 前苏联 英国 日本 美国

  极强 <5 <9

  强 <20 5~10 9~23 <20 <20

  中等 20~50 10~20 23~50 20~45 20~45

  弱 >50 20~100 50~100 45~60 45~60

  很弱 >100 >100 >60 60~100

  土壤电阻率是接地网阴极保护设计中的主要考察指标之一,它一般通过交流四极法测得[4]。

  土壤的氧化还原电位(一般在-300 mV ~+700 mV之间)也是评定土壤腐蚀性的指标之一,

  表2给出了土壤氧化还原电位(Eh)与土壤腐蚀性的关系。

  表2:土壤氧化还原电位与土壤腐蚀性[3]

  Eh,mV,(pH=7.0,对标准氢电极)    腐蚀性

  <100                强

  100~200              中

  200~400              弱

  >400                不腐蚀

  氧化还原电位是反映微生物参与土壤腐蚀的一个参考指标,其值低时,嫌气微生物活动增强,可导致接地网的微生物腐蚀。土壤的氧化还原电位通过甘汞做参比电极、铂电极做工作电极测得[9]。

  英国的研究表明[4]:低电阻率(<20W٠m)的土壤具有腐蚀危险性;pH=7时,若氧化还原电位较低(<400 mV,SHE),这种土壤适合硫酸盐还原菌生长,也具有腐蚀危险性。对于这两种判据的边界情况,可以用土壤含水率判断,即含水率超过20%的土壤具有腐蚀性。

  另外,土壤中的盐分(尤其是Cl-)、含气量(O2)、微生物类型、有机质、杂散电流等也会对土壤的腐蚀性产生影响。

  4 .接地网阴极保护设计要点

  4.1 接地网牺牲阳极式阴极保护设计

  (1)接地网所在地土壤电阻率的测定

  测定不同时间、气候条件下的土壤电阻率,得到电阻率的变化范围。

  (2)根据土壤电阻率,决定选用牺牲阳极的类型

  土壤电阻率<15W٠m(或20W٠m)时, 选用锌基阳极;土壤电阻率<100W٠m时,选用镁基阳极;土壤电阻率>100W٠m时,除特殊情况采用带状镁阳极外,一般不采用牺牲阳极(即采用外加电流)。

  表3给出了两种阳极的电化学性能。

  表3:镁阳极、锌阳极电化学性能[3]

  性能 单位 Mg、Mg-Mn Mg-Al-Zn-Mn Zn、Zn合金

  密度 g/cm3 1.741.777.14

  开路电位 -V(SHE) 1.561.481.03

  理论发生电量 A٠h/g 2.202.210.82

  土壤中电流效率 % 40≥50≥65

  土壤中发生电量 A٠h/g 0.881.110.53

  土壤中消耗率 kg/(A٠a) 10.0≤7.92≤17.25

  (3)确定接地网最小保护电流密度(mA/ m2):

  两家实施接地网阴极保护的变电站选择的保护电流密度分别为:25;45;有关资料给出的数值为:10~100;4~40;35。接地网最小保护电流密度应该土壤腐蚀性(土壤电阻率、氧化还原电位)确定,一般在10~50 mA/ m2。

  (4)根据接地网所用碳钢的外形尺寸、总长计算受保护的总面积(m2),按选定的保护电流密度计算所需的阴极保护总电流(A)。

  (5)确定接地网阴极保护电位:地网的阴极电位至少为-850mV(相对Cu/CuSO4饱和电极),或者使接地网的自然腐蚀电位负移250-300mV(至少100 mV)。对于牺牲阳极式阴极保护,在保证达到最小保护电流密度前提下,不需考虑过保护问题[10]。

  (6)按公式计算阳极接地电阻与输出电流[3]、按阴极保护设计年限(一般为25—30年)计算所需的阳极质量,再根据单个阳极质量计算出需布置的阳极个数。

  (7)选择牺牲阳极填包料、确定阳极埋设方式(立式或卧式)

  (8)确定阴极保护的测试系统

  4.2 接地网外加电流式阴极保护设计

  除按接地网保护总电流选择恒电位仪、辅助阳极外,其余基本与3.1同。由于接地网碳钢一般无涂层,不需考虑因达到析氢电位而出现的涂层脱落问题,不过,出于经济性考虑,一般实测保护电位应不小于-1.15V(相对Cu/CuSO4饱和电极)为宜。

  5.设计实例

  ×××变电站接地网采用Φ50×3.5钢管180m,70×7扁钢680m,40×6扁钢520m;变电站所在地土壤为粘土,其电阻率为20~35W٠m,阴极保护设计寿命30年。

  5.1 按牺牲阳极方式设计

  (1) 因土壤电阻率为20~35W٠m,故选用镁基阳极。

  (2) 选定接地网最小保护电流密度25 mA/ m2。

  (3) 受保护的总面积为205 m2。

  (4) 阴极保护总电流IA为5.125A,考虑变化因素,IA取值5.5A。

  (5) 用130×145×545的镁合金阳极(质量为15.2kg),埋设深度0.8m,填料电阻率为15W٠m,牺牲阳极距接地网1.5~.2.0m处水平埋设,阳极与接地网用电缆连接。

  a. 单只阳极接地电阻计算[3]

  RH=r/(2πL)(ln(2L/D)+ln(L/2t)+ ra/rln(D/d))

  式中,r、ra分别为土壤、填包料电阻率,其值为30、15W٠m;

  L为阳极长度,其值为0.545m;

  D为填包层直径,其值为0.35m;

  d为阳极等效直径, d=C/π=0.55/π=0.175

  t 为阳极中心至地面距离,其值为0.865m;

  由此计算RH=2.87W

  b. 单只阳极输出电流计算(忽略回路电阻、阴极过渡电阻)

  Ia=△E/R=0.3/2.87=0.105A

  c. 保护所需的阳极数量计算

  N=f×IA/ Ia=2.0×5.5/0.105=104.76=105支

  阳极总质量W=105×15.2=1596kg

  d. 阳极工作寿命计算

  T=0.85W/(w٠I)=0.85×1596/(7.92×5.5)=31年

  (6) 牺牲阳极(与填包料一起)按接地网走向均匀布置,并布置电位监测装置。

  (7) 实地检测保护电位,检查保护效果。

  5.2 按外加电流方式设计

  根据上述阴极保护总电流IA为5.5A的计算结果,选择36V×7.5A的恒电位仪。如果选择YJD流线型高硅铸铁辅助阳极(Φ75×160,5.4kg,0.046 m2),当辅助阳极工作电流为25A/m2时,所需的辅助阳极数量为:

  N=5.5/(0.046×25)=4.78=5支

  辅助阳极的工作寿命:T=KG/gI=0.8×5×5.4/(0.1×5.5)=39.27=39年 根据接地网的地理分布情况,埋设5支辅助阳极(与回填料一起)。

  6. 结论

  (1) 接地网的阴极保护简单可行,对防止接地网的腐蚀、保证接地装置的安全运行意义重大。

  (2) 对于已经投入运行的接地网,为防止其进一步腐蚀,最简单的方法就是实施阴极保护。

  (3) 对地下钢铁设施实施阴极保护是一项成熟、安全的技术,国内许多接地网的阴极保护技术的成功运用说明了这一点。

  参考文献

  [1]李景禄. 变电站接地网存在的问题及改进措施[J]. 高电压技术,1995.4. 70-71

  [2]李景禄. 实用电力接地技术[M]. 北京,中国电力出版社,2002 . 187-203

  [3]胡士信.阴极保护工程手册[M].北京,化学工业出版社,1999.1,63-121

  [4]H.H.尤里克,R.W.瑞维亚(翁永基 译).腐蚀科学与腐蚀工程导论[M].北京,石油工业出版社,1994.12.220-222

  [5]卢刚,耿风慧,丁锐等.变电站接地网的“阴极保护”防腐技术[J].供用电,2001.10. P34-36

  [6]许卫东,郭燕容.莱城电厂两台300MW机组接地网的阴极保护防腐设计[J].山东电力技术,2001.6,48-50

  [7]火时中.电化学保护[M].北京,化学工业出版社,1988,20-21

  [8]米琪,李庆林.管道防腐蚀手册[M],北京,中国建筑工业出版社,1994,1.176-190

  [9]王光雍,王海江,李兴濂.自然环境的腐蚀与防护(大气.海水.土壤)[M],北京,化学工业出版社,224-307

  [10]朱志平.锌基牺牲阳极特性探讨[J],腐蚀与防护,1995.1,16(1).31-33