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深井陽極地床技術在工程上的應用

發布時間:2017-06-24  

1應用背景

西氣東輸管道工程全線采用強制電流陰極保護方案,沿線陰極保護站的設置分布是根據陰極保護工藝計算确定的保護半徑、工藝站場和線路閥室的位置、經濟可靠的交流電源、日常管理、數據傳輸、檢修和維護的方便性等諸項因素後,本着盡可能将陰極保護站與工藝站場合建的原則;同時綜合考慮了工程建設周期的需要;設置陰極保護站處陽極地床的具體環境條件等因素後,确定應在靖邊壓氣站設置一座陰極保護站。靖邊壓氣站作為需先期建設向上海供氣的東段管線的起點,在此建陰極保護站讓強制電流陰極保護系統盡早投運是合理的,但安裝陽極地床的具體環境條件卻較複雜,現場的情況是:
(1)該區域是輸氣管線的樞紐,靖邊壓氣站位于靖邊天然氣淨化廠東北側,靖銀首站北側,彙集有從淨化廠到靖銀管線、靖西管線、陝京管線、長呼管線及陝甘甯内部集輸等衆多的進站管線和出站管線地下管網密集、分布複雜。
(2)地形及地層岩性情況:靖邊壓氣站位于毛烏素沙漠南緣與陝北黃土高原北部接壤的過渡帶内表層為帶狀沙丘與片狀沙丘構成,地形較平坦;從地表到-21.5m均為細砂,下至45m未見岩石,為粉質黃土;地下水位線随季節不同在2.7~6m範圍内變化;最大冰土層深度1.06m;水分析報告表明:pH值為8.02呈弱堿性,含cl-13.76mg/L、SO42- 16mg/L;即土質在40m深範圍為幹~稍濕性細砂或黃土。土壤電阻率高。

2設計方案

2.1地床方式的比較和确定
輔助陽極地床是強制電流陰極保護站的主要組成部分,陰極保護設備對被保護管道的陰極極化流由此進入土壤,經過土壤中水分及導電離子的傳導達到管道表面,構成陰極保護的完整導電回路。陽極地床一般采用兩種形式:淺埋式地床和深井地床。淺埋地床應埋設在冰土層深度以下,深井地床一般埋深15m以下。淺埋陽極地床具有施工費用低,技術設備簡單,維護管理方便等特點。深陽極地床用于對臨近金屬構築物可能産生幹擾和地表土壤電阻率高的地區,比淺埋式遠陽極地床有更好的遠地特性,可提供沿被保護管線最佳的電流分布并使電壓梯度變化減至最小。深井陽極地床有以下優點:
(1)提供的電流分布比淺陽極地床均勻;
(2)對其他地下金屬結構形成的陽極直流幹擾比淺陽極地床低;
(3)比淺陽極地床受季節含水變化的影響小,接地電阻随季節變化小。
根據靖邊站周圍管網密集及土質狀況的具體特點,為避免對周圍管道産生直流幹擾及降低陽極地床接地電阻,設計确定采用深陽極地床方案。深陽極地床分閉孔法和開孔法兩種,在對貴金屬氧化物管狀陽極串(繩式陽極)、分段預制封裝貴金屬氧化物陽極和分段預制封裝高矽鐵陽極等國内外使用方式綜合比較後,考慮到靖邊站表層高土壤電阻率、細砂土質的具體特點,為保證填料合理密實度及現場安裝質量,延長使用壽命,降低陽極地床接地電阻,采用了閉孔法方式,陽極采用分段預制式貴金屬氧化物陽極。

2.2深陽極地床

2.2.1深陽極的安裝
深陽極地床井深40m,采用閉孔陽極地床,共安裝4組在工廠封裝好的分段預制式陽極體,陽極體位于地表16m以下,處于活性區内的陽極地床長度為24m,深陽極井非活性區用粒徑為16--32m的卵石回填;井口安裝7m長的護井套,上部設水泥套管做維護灌水及深井陽極和陽極主電纜走向标識用;陽極體内定位安裝好的排氣管與頂部排氣管牢固固定連通,并引至地表凍土層以下;每組陽極體内的铠裝陽極引出電纜穿?63的排氣管後,均引至地表凍土層以下與陽極主電纜分别相連接,并采用兩個電纜專用熱收縮套将絕緣層與铠裝分層密封絕緣。執行标準SY/T0096—2000(強制電流深陽極地床技術規範》及美國腐蝕工程師協會NACER0572—2o01《外加電流深地床的設計、安裝、操作與維護》。
2.2.2分段預制式陽極體材料要求
(1)陽極組合體:外徑?219、長6m的鋼套管(20#鋼);每組陽極體内串接有3支采用以钛為基體材料,表面覆蓋貴金屬氧化物組成的钛鍍貴金屬氧化物陽極。
(2)貴金屬氧化物陽極;陽極直徑:25mm;單支陽極長度:1000mm;執行标準:AM13338一級钛(或GB/T3620TA2);氧化膜:IrO/TaO(氧化銥/氧化钽)。
(3)陽極體應采用:在工廠預先封裝,貴金屬氧化物陽極周圍應填充高純度、低阻抗碳素填料,填充應密實。電纜在陽極筒内連接,接觸電阻小于0.005Ω。陽極體電纜引線應按井深、組數要求确定的引線長度組裝,陽極兩端與電纜的密封頭應用可靠的密封形式,且能耐陽極井中氯氣造成的酸性氣體的長期腐蝕。
(4)陽極體結構應有良好的排氣措施,并應安裝專門的排氣管及保證現場準确定位方便、定位準确,及防止氣阻的發生。


3解決的技術問題
與淺埋式地床相比深陽極地床由于現場施工較複雜,維護更換不易,因此合理解決現場施工安裝的方便性,把陽極妥善放置到設計深度,使現場安裝質量易保證;延長使用壽命,使其設計壽命與被保護體的壽命相匹配;防止以往高矽鐵陽極式深井陽極由于尖端效應或縮頸效應及産生氣阻等原因,而出現的使深陽極地床提前失效;以及使陽極地床有盡可能低的接地電阻和對周圍地下金屬構築物不會造成直流雜散電流幹擾是主要解決的問題。
3.1使用壽命
3.1.1電流密度和消耗率
陽極體内串接的钛鍍貴金屬氧化物陽極,極耐酸性環境作用,在土壤中具有優異的電化學活性、極化小及電化學穩定性。經相關部門的試驗,作為土壤中外加電流保護用輔助陽極時,在陽極工作電流密度為100A/m2條件下,無論運行時在陽極表面發生的是析氣反應,還是析氯反應,都沒有因為土質酸化,工作條件變得苛刻而降低其電化學性能。同時具有極低的消耗速率,消耗率低于6mg/A·a,電流密度和消耗率指标均遠優于高矽鐵陽極,設計壽命不低于30a。
3.1.2縮頸效應和尖端效應
高矽钛陽極壽命短、提前失效的主要原因之一是尖端效應或縮頸效應,即在電纜接頭處的頸部和陽極尾部的排流密度大,加之高矽鐵陽極的電纜接頭不易處理好,會發生斷線導緻陽極完全失效現象貴金屬氧化物陽極則采用了不同的結構與規格,陽極電纜與陽極采用中間電連接,陽極電纜穿過管狀陽極體,貫穿管狀陽極體整體;加之單支陽極體重量非常輕(約2kg),具有抗氯氣腐蝕性能的電纜本身完全可以承受陽極的重量,消除了高矽鐵陽極所存在的尖端效應。

3.2氣阻問題

氣阻也常常是導緻深井陽極報廢的原因,在工廠分段預制的陽極體安裝有專門的3排氣管,封裝結構上特地留出了空間,保證各組間及與上部排氣管定位準、現場連接可靠方便,排氣通暢;另外通過控制填充料的孔隙率,以減少氣阻。
3.3接地電阻
低的陽極接地電阻是通過增大陽極的有效長度,同時采用導電性能良好的低阻抗碳素填料,加上保證與钛鍍貴金屬氧化物陽極間緊密填充來達到的,靖邊陰極保護站深井陽極所采用的高純度低阻抗碳素填料,其主要性能指标:含碳量>97%、電阻率<0.03Ω·cm,遠優于SY/T0096—2000{強制電流深陽極地床技術規範》的要求。
3.4安裝的方便性
靖邊深井陽極由于口徑小、深度深,加上土質基本為細砂,鑽進後易産生塌方,因此要求現場施工安裝中縮短時間盡快完成安裝工藝。由于采用了分段預制的結構和組合組裝工藝,在工廠預制中時間從容,可以控制單段的裝配尺寸精度、填料的密實度、排氣管及貴金屬氧化物陽極的固定定位以及保護陽極表面氧化物燒結層等關鍵工藝,陽極體質量易保
證。除鑽孔、固井、洗井外,施工現場的陽極下井就位安裝工藝相對簡單,主要是按順序吊裝、套管間螺栓緊固和上部排氣管與陽極引出線的安裝工作,現場施工操作方便,整體質量易控制。
4使用效果
(1)靖邊陰極保護站深井陽極已于2003年9月投運,2004年8月陰極保護站運行參數為:輸出電流1.49A,輸出電位5.1V,控制電位-1.299V。
(2)接地電阻:1.5Ω,在地表為高土壤電阻率,深部有導電性好土壤區域,能達到如此效果,說明陽極體結構合理,既降低了陽極接地電阻,又縮小了輔助陽極的占地範圍,此種陽極結構特别适合于沙化地的接地體設計。

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