沿海吹填土地質內電氣接地網陰極保護的選取與應用

閆冰

(河南第一火電建設公司，河南 鄭州 450001)

0 引言

華潤唐山曹妃甸燃煤供熱電廠(以下簡稱曹妃甸電廠)位于唐山市南堡開發區曹妃甸島海域，地質特征為沙質海灘，建設用地由沙質吹填土形成，廠區屬濱海淺灘吹填造地地質，土壤具有極強的腐蝕性。曹妃甸電廠有2臺300MW燃煤供熱機組，廠區地質特征為沙質海灘，對鋼結構具有中等腐蝕性，采用鎂合金犧牲陽極進行陰極保護是防止全廠電氣接地網地下部分腐蝕的有效方法。它是通過向被保護的金屬結構物表面通入足夠的陰極極化電流，使金屬的電位向負方向移動，使之在電解質中難于失去電子，從而使金屬的電化學腐蝕得到有效抑制。在該工程中鎂合金犧牲陽極的有效使用，在電氣接地網得到保護的同時，對臨近金屬結構的影響極小，運行成本低且安裝、施工簡便。

1 場地巖土工程特性

1．1 地層巖性

曹妃甸電廠廠區及其附近地層情況見表1。廠區表層及其附近已完成吹填造地，人工吹填大面積粉、細沙層，吹填厚度為4～6m。該區域地下水為海水，地下水位的變化受潮汐的影響，變化幅度為1．0～2．0m。在4個試驗區中，除其中1區水位埋深大于1．7m且水位較穩定外，其他3個區的水位埋深較淺或接近地表。其中1區在地表下0．5～0．7m。

1．2 地下水及水、土腐蝕性評價

1．2．1 地下水及其腐蝕性評價

地下水水質試驗分析結果見表2，水中Cl－的質量濃度為19036．7～21518．2mg/L的質量濃度為1579．6～1 736．1mg/L，pH 值為 6．45～6．50。因此，依據GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》第12．2．1～12．2．5 條及表 12．2．1～12．2．5 的相關規定，按Ⅱ類環境考慮，綜合判定該場地的地下水對混凝土結構具有中等腐蝕性，混凝土結構中的鋼筋在長期浸水狀態下具有弱腐蝕性及在干濕交替狀態下具有強腐蝕性，地下水對鋼結構具有中等腐蝕性。

表1 廠區及其附近地層情況

1．2．2 地基土腐蝕性評價

根據河北電力勘測設計研究院《華潤電力曹妃甸電廠初步設計階段廠址區巖土工程勘測報告》，為查明廠址區場地土的腐蝕性，勘測中對場地的土質進行了易溶鹽含量分析，結果見表3。由表3可知，土中的質量濃度為415．68～653．76 mg/L，Cl－+的質量濃度為3 511．23～5287．91mg/kg。因此，依據 GB 50021—2001《巖土工程勘察規范》中第 12．2．1～12．2．5 條及表12．2．1～12．2．5 的相關規定，綜合判定廠址區場地土壤對混凝土結構無腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有中等腐蝕性，對鋼結構具有中等腐蝕性。

2 接地網陰極保護設計

2．1 保護范圍

該期工程全廠室外接地網及接地體:50mm×8 mm鍍鋅扁鋼水平接地極9590m;80mm×8mm鍍鋅扁鋼水平接地極800m;長1．5m，直徑50mm鍍鋅鋼管垂直接地極1054根。

表2 地下水水質分析

表3 場地土腐蝕性分析

2．2 選用保護方式

陰極保護是防止地下金屬結構物腐蝕比較有效的方法。可分為犧牲陽極和外加電流2種保護方式，不管保護電流是通過被保護金屬同犧牲陽極相連產生，還是采用外加電源供給，效果都是一樣的。根據曹妃甸電廠的土質情況，該工程接地網陰極保護的方式采用的是犧牲陽極法。

2．3 土壤電阻率評價

采用“溫納四極法”實測的土壤電阻率見表4，土壤電阻率與土壤腐蝕性能見表5。

表4 采用“溫納四極法”實測的土壤電阻率(觀測日期:2007－05－23—25)

表5 土壤電阻率與土壤腐蝕性 Ω·M

根據實測的土壤電阻率結果(表4)對照土壤電阻率與土壤腐蝕性評價標準(表5)可以看出:幾乎所有位置的土壤均屬于極強腐蝕等級，即土壤有極強的腐蝕性，它與地貌上屬濱海淺灘情況有關。

2．4 主要技術指標

(1)實施陰極保護后，被保護的接地網各點電位應低于－0．85V(相對于Cu/CuSO4參比電極)，或與對地電位之差達到－0．30V以上。

(2)陽極設計使用壽命大于30年。

2．5 確定最小保護電流密度

根據現場實測土壤腐蝕性數據，考慮有關資料的經驗值和若干犧牲陽極保護工程實踐，確定最小保護電流密度為25mA/m2。

2．6 確定犧牲陽極材料

在上述如此低的土壤電阻率場地中，選擇鋅合金陽極也許適合該場地情況，在交流電壓干擾的情況下，陽極有時會發生極性逆轉，相比之下，鋅陽極抗干擾能力比較強，但鋅陽極電流效率低，市場價格高。最后經業主方認可，確定采用鎂合金犧牲陽極，鎂合金陽極具有密度小、電位低和對鋼的驅動電壓大的特點，另外，犧牲陽極使用鎂合金材料也符合GB/T 21448—2008《埋地鋼質管道陰極保護技術規范》的要求。

2．7 設計計算

2．7．1 被保護接地網面積

曹妃甸電廠一期2×300MW供熱機組全廠防雷接地網需要進行保護的總面積為1300．162m2。2．7．2 電流密度

目前，關于接地極最小保護電流密度的選取，尚無標準可查。據有關資料報道，可供參考的最小保護電流密度為:裸管，一般中性土壤為 5～15 mA/m2，透氣性中性土壤為20～30mA/m2，濕潤土壤為25～60mA/m2;鋼管接地極，無覆蓋層為10～100mA/m2;裸露鋼樁碼頭海泥為15～30mA/m2。綜合考慮以上各推薦數據，結合以往實際工程經驗，確定最小保護電流密度為25mA/m2。

2．7．3 保護電流式中:SZ為場地總面積，m2;IX為最小保護電流密度，mA/m2。

2．7．4 需要陽極總量

式中:Y為犧牲陽極的使用壽命，30 a;T為時間換算系數，8 760 h/a;Q為犧牲陽極實際電容量，1 100(A·h)/kg;P為犧牲陽極利用系數，一般取0．85。

2．7．5 陽極數量

2．7．6 犧牲陽極壽命

式中:C為犧牲陽極的截面周長，mm;D為犧牲陽極的當量直徑，mm。

陽極接地電阻

式中:ρ為土壤電阻率，取4Ω·m;l為犧牲陽極的長度，mm。

接地極接地電阻。按陽極間距14．5m計算，則陰極接地電阻為式中:R為回路總電阻(埋地水平帶形，長2L，截面

式中:If為陽極輸出電流，A;Ec為陰極開路電位，V;Ea為陽極開路電位，V;ec為陰極極化電位，V;ea為陽極極化電位，V;Ra為陽極接地電阻，Ω;Rc為陰極過渡電阻，Ω;Rw為回路導線電阻，Ω，可忽略不計;ΔE為陽極有效電位差，V;取自然電位對地負向變化 0．3V 的1．5 倍。

式中:Y為犧牲陽極使用壽命，a;m為單支犧牲陽極質量，kg;Q為犧牲陽極實際電容量，(A·h)/kg;Im為每塊犧牲陽極平均發生電流;K為犧牲陽極利用系數，0．85;Y=30．4 a。

對于陽極壽命選用30 a設計年限，由于地下金屬構件的自然腐蝕年限一般為5 a，加上陰極保護的設計年限使金屬構件的壽命可達35 a，符合并大于華潤曹妃甸電廠電氣接地網要求達到的30 a設計壽命。

3 犧牲陽極埋設

陽極間距14．5～15．0m，考慮廠區接地極全部為海中取出的海土，土壤電阻率很低，可不用填包料，其他同常規。

4 保護效果測試

曹妃甸電廠陰極保護系統2008年10月6日安裝完畢，系統運行后進行測試 ，測試時間為2008年11月26日，使用Cu/CuSO4參比電極，結果見表6。

表6 保護效果測試 V

5 結論

由于該區域場地由海底沙質土吹填形成，應屬于濱海淺灘地質。從實測的土壤電阻率可以看出，該廠區內土壤電阻率極低，造成土壤中電壓降(IR降)也極低，因此，陰極保護中瞬時斷電電位非常接近于保護電位，其保護中各項參數也要好于大部分內陸地區。從實際運行的結果來看，曹妃甸電廠接地網的陰極保護系統安裝后，保護參數經檢測符合設計要求，接地網的保護電位達到了設計要求和標準規定，取得了較好的防腐效果。曹妃甸電廠接地網的陰極保護系統投資節省且維護、檢修也較方便。因此，選取和應用鎂合金犧牲陽極對于環渤海地區同類地質電氣接地網的陰極保護是一種較好的解決方案。

［1］建研地基基礎工程有限責任公司．首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司鋼鐵廠地基處理試驗報告［R］．北京:中國建筑科學研究院地基基礎研究所，2006．

［2］周全成．華潤電力曹妃甸電廠初步設計階段廠址區巖土工程勘測報告［R］．石家莊:河北電力勘測設計研究院，2006．

［3］胡士信．陰極保護工程手冊［M］．北京:化學工業出版社，2003．