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    深井陽極設計及安裝

    黃驊市科普防腐材料有限公司

    簡介

    深井陽極是深度在 15 米以下的豎直陽極。主要用作地表空間狹小或地表土壤電阻率高的場合下的陰極保護系統陽極。采用深井陽極的優點之一是陽極距離被保護結構有一定距離,使保護電流的分布更加均勻,另外,也會減小對其他埋地金屬結構的腐蝕干擾。為了便于陽極的安裝,保證工程質量,近年發展的貴金屬氧化物陽極串得到了廣泛應用。本文將對陽極串深井陽極的設計、選材、安裝進行介紹。

     

    1. 陽極串及電纜:
    2. 陽極串是將幾支貴金屬氧化物筒狀陽極固定在一根陽極電纜上,貴金屬氧化物陽極具有不消耗、電流輸出大、體積小、重量輕的優點。與之相對應的陽極電纜應耐侵蝕。陽極工作時,陽極反應會產生氯氣并使陽極電纜處于酸性介質中。因此,陽極電纜的絕緣層要能夠抵抗氯氣的侵蝕。經常采用的陽極電纜絕緣層為 PVDF/HMWPE。截面積一般是8 – 10 mm2。

       

    3. 土壤電阻率
    4. 土壤電阻率在深井陽極設計中有很大的影響,它決定陽極的用量、陽極井的直徑以及深度、電源設備的功率等。一般將陽極位置選在土壤電阻率低、土質均勻的地點。電阻率有兩種方式獲得,一是現場測試,二是利用現有的陰極保護系統進行估算。陽極的接地電阻一般占系統電阻的85%。 如果附近的陰極保護設施輸出電壓 40V, 電流20A,則該系統的電阻為 2 歐姆。陽極的接地電阻為 2x 0.85 = 1.7 ohm。 據此,可根據相應陽極地床的電阻公式計算出土壤的電阻率。陽極接地電阻將直接影響系統的運營成本,一般來講,接地電阻不大于 0.5 歐姆。

       

    5. 陽極井的尺寸
    6. 影響陽極接地電阻的主要因素是陽極井深度?紤]陽極井的直徑時,應充分考慮到排氣管(25mm)、陽極以及電纜將占據相當的空間。因此,陽極井的直徑一般不小于200mm。直徑小于200mm時,應對陽極的安裝進行嚴格控制,輸出電流大時,應增大陽極井直徑。

       

    7. 回填料的電流密度

    陽極井的尺寸不是隨意確定的,它將受到一系列因素的影響。其中之一是填料與土壤接觸面上的電流密度。經驗表明,對于回填料的電流密度要進行限制,其原因如下:

    1. 陽極與土壤之間必須保持一定的濕度,由于電滲透效應,陰極保護電流試圖將水分蒸干,其程度取決于土壤類型以及電流密度。
    2. 陽極反應消耗水分并產生氣體,氣體的積聚或陽極表面的干燥都會增大陽極的接地電阻。氣體的產生量直接與電流密度有關。
    3. 在特殊情況下,陽極與土壤接觸面的溫度會升高,這也會加快水分的蒸發速度,而溫度又和電流密度、土壤導熱性以及陽極尺寸有關。
    4. 建議回填料電流密度按下表選。

     

    土壤類型

    回填料電流密度 (mA/m2)

    非常干燥

    1.08

    干燥

    1.61

    半干 在水位線以上)

    2.15

    潮濕 處于地下水位以下)

    3.22

    開放式陽極井

    4.95

     

    填料電流密度確定后,就可以確定陽極長度了。陽極長度只能大于計算值。

     

    1. 回填料的選擇
    2. 使用填料的目的是減小陽極接地電阻、由于陽極反應轉移到填料上,減小陽極的消耗、減少氣阻、保持陽極井的形狀。因此,填料應具有低電阻率、小粒徑以及高密度是很重要的;靥盍戏譃閮深,即,石油焦碳以及冶金焦碳。建議采用石油焦碳,它是高溫燒制成的,具有良好的導電性和均勻性。建議將焦碳回填料用泵從陽極井底部打入井中。

      回填料的指標:

      電阻率

      10 ohm.cm max

      粒徑

      通過 200 – 20 號篩

      含碳量

      90% min

      密度

      1120kg/m3

       

      采用低電阻率填料將減少陽極用量,在同一地質條件以及陽極井尺寸情況下,填料電阻率低,陽極間距增大,填料電阻率高,陽極間距減小。盡管廠家聲稱的填料電阻率會很低,但考慮到實際安裝陽極時,陽極的密實程度、水含量等不確定因素,設計時,填料電阻率最小取2.0 ohm.cm。填料顆粒最好是球形,這種形狀易于回填和壓實。另外,為了補充陽極工作時對填料的消耗,填料長度一般要低于最下面的陽極 3 米, 高于最上面的陽極 3 米。

    3. 排氣管
    4. 采用排氣管的目的除了排除氣體,減小氣阻外,它還可以用來散發熱量、回注水。安裝陽極時,可以利用排氣管輔助陽極安裝。排氣管上的小孔或狹縫要小于填料粒徑以防止被填料或淤泥堵塞。推薦排氣管直徑為25mm,填料柱以上的排氣管沒有鉆孔或狹縫。

       

    5. 定位器
    6. 使用定位器的目的是保證陽極處于填料的中心部位。填料密實以及陽極工作后,定位器將很快腐蝕掉。一般一根陽極安裝兩個定位器。

       

    7. 陽極串配重
    8. 為了使陽極串順利的下降到陽極井的底部,在陽極串底部要連接一個重物,通常是混凝土重塊,重量在 5--7 公斤之間。將此重物用塑料繩與陽極串底部連接,距離底部陽極下端3米。 當采用復式陽極電纜時,重塊與陽極電纜折彎處連接,距離底部陽極下端3--4米。

    9. 套管
    10. 套管不僅為陽極井提供支撐作用,方便陽極串安裝,同時可以限制陰極保護電流從近地表釋放。套管的長度、材質、高出地表的距離都取決于陽極井類型以及土質條件。

    11. 不導電填料
    12. 采用不導電填料的目的是減小陰極保護電流在近地表處釋放。通常用礫石、粗砂回填陽極柱上方的陽極井。

    13. 電源設備
    14. 計算出陽極的接地電阻后,就可以根據保護電流確定整流器的功率。需要注意的是陽極接地電阻一般只占整個陰極保護系統電阻的85%。處于焦碳回填料中的陽極具有2 伏的反電動勢。選取設備容量時,還要予留15%的裕量。當幾個陽極井共用一臺整流設備時,要經過可調電阻將陽極電纜與設備連接。

    15. 陽極的安裝
    1. 安裝套管:打完陽極井后,首先安裝6米的塑料套管。該套管位于陽極井頂部,其直徑要比陽極井大5--6厘米。建議將此套管留在陽極井中。
    2. 井下試驗:建議進行陽極井沿深度方向的電阻測試,以確定最佳陽極安放位置,從而減小接地電阻。測量時,將陽極井充滿水,測量輔助陽極與被保護結構之間的電阻。
    3. 陽極井清理:用清水將泥漿置換出。
    4. 安裝陽極:將排氣管平放在地面上,將其底部封住。將陽極串靠近排氣管平放,排氣管的下端部超出底部陽極下端0.5米。
    5. 用塑料繩將配重塊連接到最下部的陽極,距離陽極下端部3米。對于復式電纜的陽極串,配重塊連接到電纜上,距離底部陽極下端3.5米。
    6. 將陽極串、排氣管、電纜固定在一起。此時,在陽極上安裝定位器。陽極電纜每隔2米用膠帶與排氣管固定一次。固定陽極時,陽極距離排氣管的距離為5--7厘米。
    7. 將填料注入管下放到陽極井底部,或在安放陽極串的同時下放注料管。下放陽極串/排氣管。陽極串定位后,迅速固定好陽極電纜。
    8. 用泵將填料打入陽極井,此操作一旦開始,中途將不能停止,直到填料填充完畢。從陽極井的底部注入填料,將避免產生孔隙、填壓不實等問題出現。用粗砂或礫石將填料上部的空間填滿。
    9. 高出地表的套管要加蓋帽,蓋帽下面的套管部分要鉆出很多直徑6.35mm的小孔,以利于氣體排放。
    10. 排氣管上端要加蓋濾帽,防止昆蟲進入。

     

    深井陽極在國內的應用還很有限,還沒有積累足夠的經驗,本文僅供陰極保護設計以及管理人員參考。

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