犧牲陽極陰極保護系統設計

薛鳳穎

摘 要：以某輸油管道為例，介紹了系統陰極保護材料的選取，接地電阻的計算以及犧牲陽極的用量和使用壽命、設備材料表的編制。

關鍵詞：犧牲陽極；陰極保護；設計

1 基本概況

某輸油管道為新建管線，總長度為13km，材質為高強度鋼，管徑為D159mm，環氧粉末防腐層。土壤電阻率30Ω.m，設計壽命15年。選用高電位鎂犧牲陽極陰極保護方式。

2 選取犧牲陽極

由于土壤電阻率較高，根據規范（如下表所示），設計采用高電位鎂陽極陰極保護系統。犧牲陽極種類的應用選擇如下：

式中：t為設計壽命；U為電流效率（0.5）；Z為理論電容量（2200Ah/kg）；Q為陽極使用率85%；W為陽極重量，計算后為183kg；選用7.7公斤鎂陽極，則共需要24支。

3 犧牲陽極接地電阻的計算

單只立式圓柱形犧牲陽極無填料時，接地電阻計算公式為：

上述三式的適用條件為La>>d，t>>L/；其中R為立式陽極接地電阻；RH為水平式陽極接地電阻；P為土壤電阻率；Pa為填包料電阻率；L為陽極長度；La為陽極填料層長度；d為陽極等效直徑；D為填料層直徑；t為陽極中心至地面的距離。

多支陽極并聯總接地電阻比理論值要大，這是因為陽極之間屏蔽作用的結果，可根據陽極之間的間距加以修正。

式中：R總為陽極組總接地電阻；RV為單支陽極接地電阻；N為并聯陽極支數；η為修正系數，查下圖可知陽極接地電阻修正系數。

選用立式無填料鎂犧牲陽極，陽極長度1.5m，d等效直徑0.114m，陽極中心至地面的距離為2m；則計算得出Rv=12.65Ω，R總=0.95Ω。

4 陽極輸出電流的計算

陽極輸出電流是由陰陽極極化電位差除以回路電阻來計算，見式：

式中：Ia為陽極輸出電流；Ea為陽極開路電位；Ec為陰極開路電位；ea為陽極化電位；ec為陰極極化電位；Ra為極接地電阻；Rc為陰極接地電阻；RW為回路導線電阻；△E為陽極有效電位差。

忽略Rc、Rw，陽極開路電位-1.75V，保護（極化）電位為-1.2V，鎂陽極的驅動電壓為0.55V，如不考慮導線電阻，回路總電阻R總為0.95，單支陽極輸出電流為0.55/0.95=0.58A。

5 陽極支數的計算

根據保護電流密度和被保護的表面積可算出所需保護總電流IA，再根據單支陽極輸出電流即可計算出所需陽極支數，一般取2～3倍的裕量。

式中：N為所需陽極支數；IA為所需保護總電流；Ia為單支陽極輸出電流；計算得出所需陽極支數約為7支。

6 陽極壽命的計算

根據法拉第電解原理，犧牲陽極的使用壽命可按下式計算：

式中：T為陽極工作壽命；陽極利用率取0.85；W為陽極質量；I為陽極輸出電流；ω為陽極實際消耗率；則計算得出T約為38年。

在實際工程中，犧牲陽極的設計壽命可選為10～15年。