外加電流陰極保護技術在接地網防腐的應用研究

何宇 韓堅

摘 要：外加電流陰保護技術廣泛應用于石油、船舶、橋梁等行業，能有有效預防金屬腐蝕。本文將外加陰電流極保護技術應用于強腐蝕土壤地區變電站接地網防腐中，通過對外加電流陰極保護技術的作用機理、系統設計的詳細介紹，闡明外加電流陰極保護技術應用于接地網防腐的技術可行和經濟合理性，為腐蝕性地區變電站接地網的防腐工作提供參考。

關鍵詞：外加電流陰極保護技術；變電站接地網；防腐方法

江西省土壤具有紅壤的典型特征：氯離子含量、含鹽量極低，PH值呈酸性。酸性紅壤由于鹽基性離子的大量淋失，土壤導電性能很低，電阻率一般在100Ω·m以上，易溶性的氯離子等更是最先淋濕，含量極低。按照一般規律，這種土壤中金屬腐蝕速度應該很低。然而，國內幾個酸性土壤實驗站中不少金屬材料腐蝕狀況都在中等以上，有些甚至達到強腐蝕等級，其中碳鋼等材料表現得最為明顯。另有調查研究表明，酸性土壤對金屬材料具有更高的腐蝕性，腐蝕率約為中性土壤的5～10倍。由此可知，江西省境內容易出現變電站接地網腐蝕的問題。

1 研究目的

陰極保護技術是電化學保護技術的一種，其原理是向被保護金屬結構物表面施加一個外加電流，使被保護結構物成為陰極，從而使得金屬腐蝕發生的電子遷移得到抑制，避免或減弱腐蝕的發生。近年來，電網對材料腐蝕的要求日益提高，因此，本文提出將外加電流陰極保護技術應用于變電站地網防腐方面，并闡述其應用原理。

2 作用機理

2.1 接地網腐蝕機理

接地網在土壤中的腐蝕主要為電化學腐蝕，包括微電池腐蝕和氧濃差電池腐蝕。這兩種腐蝕均由陰陽極反應組成：

陽極反應：Fe-2e-→Fe2+

陰極反應：2H2O+O2+4e-→4OH-

陽極表面的鐵失去電子生成鐵離子，進而與土壤中的負離子結合生成鐵銹；陰極表面土壤中的氧和水得到電子生成氫氧根。

2.2 外加電流陰極保護技術防腐原理

本文將外加電流陰極保護應用于接地網防腐，外加電流陰極保護主要由外加直流電源、輔助陽極、參比電極華為測試樁組成，其作用原理為：接地網與直流電源的負極相連，輔助陽極與正極相連，形成電源-接地網-土壤-輔助陽極回路，從而向接地網供應大量電子，使之陰極極化，抑制腐蝕的發生。

3 系統設計

3.1 保護電流設計

保護電流即為外加電源供給接地網的直流電流，為使接地網得到充分的陰極保護，并指導設備和材料選型，首先應估算保護電流的大小。依據DL/T 5394-2007，變電站接地網所需保護電流大小計算式為：

其中：i——保護電流密度，mA/m2（依據DL/T 5394-2007相關經驗值，及現場實測情況和前期試驗情況選取）；S——保護面積，m2（地網材料總表面積+裕量）

3.2 恒電位儀選型

根據計算得出的保護電流值，結合恒電位儀的最大輸出電流和最大輸出電壓，即可進行恒電位儀選型。

3.3 輔助陽極選型

輔助陽極應采用性能穩定、使用壽命長、消耗率低的成熟產品；對于江西常見的酸性土壤地區，宜采用貴金屬氧化物陽極或含鉻高硅鑄鐵陽極。

3.4 輔助陽極接地電阻估算

由于大多數變電站接地網的接地電阻值均較低，因此陽極接地電阻是整個陰?；芈分凶钪匾牟糠?，預估單口陽極井的接地電阻可指導陽極和恒電位儀的選型。

3.5 輔助陽極井數量設計

為盡量使陰保電流沿地網均勻分布，輔助陽極井也應沿變電站地網周圍均勻分布，為便于設計調整，需預先計算出輔助陽極井數量，計算式如下：

其中：N——輔助陽極數量；R1——單口陽極井接地電阻，Ω；U——恒電位儀最大輸出電壓，由恒電位儀選型結果而定，V；I——保護電流設計值，A；R0——接地電阻值，實測值，Ω。

3.6 輔助陽極壽命計算

當接地網得到充分保護時，扁鋼幾乎不發生腐蝕，因此輔助陽極的使用壽命即可較大程度地反映整個接地系統的壽命。計算公式如下：

其中：T——陽極使用壽命，a；G——陽極重量，kg；K——陽極利用系數，取0.7～0.85；g——陽極消耗率，商品參數或實測值，kg/（A·a）；Iw——單陽極電流，保護電流分攤至單陽極，A。

3.7 外加電流方案設計

確定了恒電位儀、輔助陽極等相關參數后，即可設計外加電流的方案。保護電流應盡量均勻的分布在地網上，并重點照顧一次設備區；陽極井選址應結合現場勘查情況確定，盡量均勻地分布在地網外沿；電纜應盡量利用變電站原有電纜溝布置，新開挖的電纜溝不應影響電網安全運行；恒電位儀宜安裝在控制室內。

3.8 監測方案設計

變電站外加電流陰極保護監測一般由測試樁和參比電極組成，一般安裝于電流注入點附近、陽極中間點附近、重點保護區域等，有條件時可設置遠程無線監測裝置。參比電極可選用Cu/CuSO4電極或極化探頭，測試樁應具有保護電位、自然電位、保護電流等參數的功能，同時為恒電位儀提供控制信號。

4 結論

外加電流陰極保護技術作為強腐蝕性土壤地區變電站接地網中一項有效防腐措施，對接地網的保護和耐久性的保證起著良好的作用。且外加電流陰極保護技術施工規模小、地網防腐效果好，能夠防腐蝕于未然，有著廣泛的應用前景。

參考文獻：

[1] 郭明.陰極保護技術的研究與應用[D].大慶石油大學，2006.

[2] 姜言泉，李偉祥，李超.海洋環境混凝土結構外加電流陰極保護技術應用[J].公路交通科技，2010，S1：9-14.

[3] 鐘東雄.外加電流陰極保護技術在跨海大橋索塔基礎中的應用[J].現代交通技術，2013，02：60-63.