燃?xì)夤艿缽?qiáng)制電流陰極保護(hù)

1、燃?xì)夤艿缽?qiáng)制電流陰極保護(hù) 管道的強(qiáng)制電流法陰極保護(hù)主要由外加直流電源和輔助陽極接地床構(gòu)成?；湫拖到y(tǒng)如圖10-32所示。  圖10-32 管道的強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)1整流器 2連接頭 3陽極電纜 4交流輸入 5焦炭6輔助陽極 7參比電極 8管道 9接電壓表陰極 一、強(qiáng)制電流保護(hù)的設(shè)備與裝置強(qiáng)制電流保護(hù)的設(shè)備與附屬裝置，如圖10-33所示。它包括直流電源、輔助陽級(jí)、絕緣法蘭、測(cè)試樁和檢查片。  圖10-33 管道陰極保護(hù)示意1流電源 2整流器 3陽極 4被保護(hù)管線5絕緣法蘭 6測(cè)試樁 7檢查片 (一)電源設(shè)備陰極保護(hù)系統(tǒng)中，需要穩(wěn)定的直流電源，能保證長期持久的供電。陰極保護(hù)電

2、源是陰極保護(hù)的重要設(shè)施，低電壓、大電流是其特點(diǎn)。一般情況下應(yīng)優(yōu)先考慮市電，或各類站、場(chǎng)穩(wěn)定可靠的交流電源。當(dāng)使用農(nóng)用電時(shí)，必須裝有備用電源或不間斷供電的專門設(shè)備。對(duì)于無市電地區(qū)，強(qiáng)制電流陰極保護(hù)電源還可以選擇太陽能電池、高容量蓄電池、無人管理的密閉循環(huán)發(fā)電機(jī)組等。這些電源設(shè)備都應(yīng)具備；輸出電壓、電流可調(diào)；可長期連續(xù)供電，可靠性高；壽命長；易于維修保養(yǎng)；對(duì)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；具有過載、防雷、故障保護(hù)裝置。1.整流器的類型 整流器是一種將交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姷难b置。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于安裝，無轉(zhuǎn)動(dòng)元件，操作維護(hù)都方便。自然空冷式整流器元件的選擇取決于所需性能及周圍溫度和天氣的影響。目前常用的整流元件特性如表1

3、0-52所示。 表10-52 整流二極管的特征項(xiàng)目單位segesi電流容量：循環(huán)冷卻a/cm20.074080風(fēng)冷a/cm20.20210200有效轉(zhuǎn)換電壓v25110380最高工作溫度8565140整流效率%9298.599.6設(shè)備工作所占的相對(duì)空間%1531正向?qū)妷簐0.40.20.7動(dòng)態(tài)電阻m·cm2110041 硒整流器僅允許有相當(dāng)?shù)偷碾娏?，因此所需空間大，仍經(jīng)常在陰極保護(hù)裝置里使用是因?yàn)樗?jīng)得住足夠的工作溫度，對(duì)過載和過壓不敏感。在交流線路里快速熔斷保險(xiǎn)絲和直流輸出端的慢速熔斷絲足以應(yīng)付過載情況。鍺整流元件不能用于陰極保護(hù)，因?yàn)樗荒苤瞥傻凸β实亩O管。有時(shí)，

4、將二極管裝在雜散電流導(dǎo)體上以切斷反向電流，但很明顯，在過載時(shí)易在兩個(gè)方向上導(dǎo)通。硅整流元件是陰極保護(hù)整流設(shè)備中最常用的。它具有很高的電流容量和整流電壓，所需空間很小?，F(xiàn)行的硅二極管均為封閉式的，因此不受外界氣候的影響。但是，硅二極管對(duì)超壓和過載很敏感，應(yīng)在變壓器和整流元件之間串入特快熔斷器，并在輸出端提供過載保護(hù)。在正常的氣候條件下和低環(huán)境溫度下，硅整器和低效率的硒整流器一樣經(jīng)濟(jì)。2.恒電流式整流器 雜散電流保護(hù)用整流器為磁飽和電抗器或可控硅整流器，電流排放時(shí)不受外部電阻或反向電壓的支配。帶有限流或?yàn)V波的整流器有一個(gè)增大的內(nèi)部阻抗，像一個(gè)恒電流穩(wěn)流器。這種整流器特別適用于強(qiáng)制排除覆蓋層相當(dāng)差的

5、管線的雜散電流，這種管線的管一地電位通常與排出的電流成比例。安裝恒電流保護(hù)裝置時(shí)，管地電位即使出現(xiàn)相當(dāng)小的波動(dòng)，也應(yīng)予以考慮。恒電流控制的整流器有時(shí)用于敷設(shè)在正向電車軌道下面的管道的陰極保護(hù)。一般應(yīng)當(dāng)將雜散電流朝自然流向排流，即最后在鐵軌交叉點(diǎn)的兩邊若干千米遠(yuǎn)處實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制電流陰極保護(hù)。3.恒是位式整流器 管一地電位，特別是良好覆蓋層管線的管一地電位，在下流電電氣鐵道影響范圍內(nèi)經(jīng)常波動(dòng)很大。因此，非可控保護(hù)裝置的平均管一地電位，必須大幅度減少，以便雜散電流高時(shí)維持一個(gè)適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電位。過負(fù)的管一地電全不僅增加電功損耗，而且還對(duì)其他管線產(chǎn)生不利影響。電化學(xué)試驗(yàn)長期使用恒電位法來保持電極電位的恒定。同樣

6、，能夠用磁放大器或控制整流器的閘流管來控制管線和參比電極之間的電俠。用專門設(shè)計(jì)的參比電極作為埋地裝置的控制電極。例如自然電位比較穩(wěn)定的金屬鐵、銅、鋅或鎂。如果可能，控制電極應(yīng)安裝于管一地電位最不利的地方(如鐵路交叉點(diǎn))，并靠近管道，以便在測(cè)量結(jié)果中包括的土壤電位降最小。圖10-34是磁放大恒電位控制器的基本電路。整流器中的電壓表是用以調(diào)整管線給定電位的。實(shí)際測(cè)得的管一地電位的電壓與這個(gè)參比電壓相比得一電壓差，此電壓差通過磁飽和電抗器控制整流器變壓器的輸出。如果管一地電位從參比值向正向偏移，則保護(hù)電流增加；若向負(fù)向偏移，則保護(hù)電流減少。幾個(gè)并聯(lián)運(yùn)行的裝置的響應(yīng)時(shí)間必須可調(diào)，以避免感應(yīng)振蕩。當(dāng)管一

7、地電位恒定時(shí)，在鐵軌電位極負(fù)時(shí)則經(jīng)常產(chǎn)生很高的電流峰值。因此，控制裝置的整流板通常要做成能通過相當(dāng)于變壓器電流兩倍的電流。  圖10-34 可控電位整流器的排流方框圖1交流電源 2磁飽和輸入 3參與電極4磁飽和輸出 5整流輸出 6軌道或陽極 7管道 4可控硅恒電位儀 陰極保護(hù)過程中。金屬管道的一地是位往往因各種因素而變化。如供電電網(wǎng)的電壓波動(dòng)、氣候的變化、管道防腐層的老化變質(zhì)、雜散電流的干擾、土壤含水量的變化等，均可使管道的電位發(fā)生波動(dòng)。為維持管道電位永遠(yuǎn)處于一最佳的電位范圍內(nèi)，就需經(jīng)常調(diào)節(jié)供電電源的電位與輸出電流，使管道電位恒定在一規(guī)定的范圍內(nèi)。這就需要采用恒電位儀自動(dòng)控制。恒電位

8、儀可在無人值守的情況下自動(dòng)調(diào)節(jié)電流和電壓，使管道陰極保護(hù)通電點(diǎn)電位恒定在控制電位內(nèi)，達(dá)到最佳保護(hù)效果。(1)原理可控硅恒電位儀利用可控硅整流器作電源，自動(dòng)改變電解中被控制對(duì)象的電流密度，使其處于某一最佳控制電位。其基本原理如圖10-35所示。圖10-35 恒電位儀的方框原理1參比電極 2研究電極 3輔助電極當(dāng)外界條件(介質(zhì)成分、溫度、濕度等)發(fā)生變化時(shí)，引起研究電極電位的偏移(即管道的電位)，此偏移可由參比電極取值經(jīng)與控制基準(zhǔn)電位在比較器比較，輸出一個(gè)不平衡信號(hào)給放大器，經(jīng)放大后輸入調(diào)整器，調(diào)節(jié)極化電流的大小，從而使研究電極恢復(fù)到所控制的電位值，做到電位恒定。恒電位儀在室內(nèi)工作，目前我國在長輸

9、管道上已實(shí)現(xiàn)微機(jī)管理。全部做到自動(dòng)化。(2)恒電位儀的性能指標(biāo)給定是位連續(xù)可調(diào)：-05v一20v。電位控制精度：±20mv。絕緣電阻(電源進(jìn)線對(duì)地)：100m。輸入阻抗：1m。抗交流干擾能力：12v。耐電壓：750v(電源線對(duì)機(jī)殼)。負(fù)載波紋系數(shù)：?jiǎn)蜗?；三相8。(3)恒電位儀性能 目前，在長輸管道中所使用的ksw-d微機(jī)管理恒電位儀性能。它能滿足上述恒電位儀基本性能要求。微機(jī)管理部分有百年日歷、時(shí)鐘、定時(shí)和間隔打印，正常保護(hù)打印，故障打印，恒電位儀關(guān)機(jī)打印和自動(dòng)切換備用機(jī)等。打印內(nèi)容有時(shí)期、時(shí)間、輸出電壓u0、輸出電流i0、控制電位c、保護(hù)電位、正常時(shí)間累計(jì)、故障時(shí)間累計(jì)e、故障標(biāo)

10、志eerr和機(jī)名。(二)其他形式電源在交流電缺乏的邊遠(yuǎn)地區(qū)，可利用的電源種類很多，如風(fēng)力發(fā)電機(jī)、太陽能電池、閉路循環(huán)蒸汽渦輪機(jī)、熱電發(fā)生器、蓄電池等，它們統(tǒng)稱為第二電源。其中，太陽能電池和閉路循環(huán)蒸汽渦輪機(jī)可靠性較好，壽命均可達(dá)20年以上，費(fèi)用也很經(jīng)濟(jì)。1.硅太陽能電池 太陽能電池是利用半導(dǎo)體器件的光電轉(zhuǎn)換原理，將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N裝置。可以產(chǎn)生太陽能電池的半導(dǎo)體的材料有單晶硅、硫化鎘、砷化鎵等，其中，硅薄膜電池的工藝較為成熟。地面陰極保護(hù)用的太陽能為p-n型硅太陽能電池。電池在熱平衡狀態(tài)下，當(dāng)光線照射在半導(dǎo)體換能器p-n結(jié)上時(shí)，在負(fù)載上就有電流流過，直接把光能轉(zhuǎn)換成電能。硅太陽能電池的轉(zhuǎn)換

11、效率一般為812，最高可達(dá)15%。太陽能電池在光電轉(zhuǎn)換中不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。本身物質(zhì)不消耗，無污梁，無噪聲、性能可靠，適用溫度范圍寬(-60120)，在國外應(yīng)用較多。硅太陽能電池可串聯(lián)、并聯(lián)組成電池組。常稱為硅太陽能電池方陣。它適用于惡劣環(huán)境，如高溫或低溫、潮濕、鹽霧地區(qū)。其優(yōu)點(diǎn)是重量輕、使用方便、可靠性高，耐沖擊和震動(dòng)、壽命長，但價(jià)格較貴。圖10-36是硅太陽能電池電源陰極保護(hù)結(jié)構(gòu)的原理圖。2直流發(fā)電機(jī)組 直流發(fā)電機(jī)能提供無脈動(dòng)的電力，其輸出電壓可精確調(diào)節(jié)和控制。其低電壓、大電流的輸出特性更適合于作陰極保護(hù)用電源。3熱電發(fā)生器 熱電發(fā)生器原理與一般熱電偶相同。它是利用兩種不同金屬在連接點(diǎn)上加熱，

12、產(chǎn)生溫差電勢(shì)、輸出電流的電源裝置。提高連接點(diǎn)一側(cè)的溫差材料的溫度，另一端由于散熱片的作用，溫度低，這就存在著溫差電勢(shì)，接上負(fù)載后就有電流輸出。常用的溫差半導(dǎo)體材料有碲化鉛等。實(shí)際使用中，由于用一對(duì)溫差材料發(fā)電功率太小，通常使用多對(duì)溫差材料并聯(lián)起來。組成大功率的熱電發(fā)生器。熱電發(fā)生器利用油、氣管道本身輸送的介質(zhì)作為燃料，使溫差材料發(fā)電。因而適用于無電或經(jīng)常停電的陰極保護(hù)站。國內(nèi)生產(chǎn)的熱電發(fā)生器功率可達(dá)100w，使用壽命達(dá)2年，但價(jià)格較貴。 二、輔助陽極地床 輔助陽極是在陰極保護(hù)裝置中，將保護(hù)電流從外加直流電源引入土壤中的導(dǎo)電體，外加電流通過輔助陽極輸送到埋地的被保護(hù)金屬管道的表面，金屬體陰極極化

13、。(一)輔助陽極強(qiáng)制電流用輔助陽極多選用電子型導(dǎo)體材料。選用輔助陽極主要應(yīng)考慮成本、電化學(xué)性能和機(jī)械性能等因素。這些因素是相互關(guān)聯(lián)的。具  圖10-36 太陽能陰極保護(hù)系統(tǒng)1太陽能電池方陣 2充電控制器3蓄電池組 4陰極保護(hù)控制裝置5連接電纜 體材料的選擇不只是涉及到總費(fèi)用，而且還必須考慮陰極保護(hù)系統(tǒng)的初期費(fèi)用和被保護(hù)設(shè)備及陰極保護(hù)裝置在設(shè)計(jì)壽命期間的維護(hù)、運(yùn)行及更新費(fèi)用。適合作輔助陽極材料的導(dǎo)電體應(yīng)具備以下條件：1.具有良好的導(dǎo)是性能，能通過較大的電流量，極化小。2.與土壤或地下水接觸時(shí)具有穩(wěn)定的接觸電阻。3.化學(xué)穩(wěn)定性好，陽極本身的消耗低。4.機(jī)械性能了，便于加工和安裝。5.來源

14、廣、價(jià)格低廉。輔助陽極材料分為如下幾大類：稀有金屬在：以鉑為主，其基材可分為鉭、鈦、鈮等。黑色金屬類：以廢鋼鐵、高硅鑄鐵為主要代表。鉛系材料：以鉛銀合金、鉛鉑為主要代表。碳素材料：以石墨為主要代表。有色金屬材料：以鋁、鋅為主、也可當(dāng)作輔助陽極用。另外還有復(fù)合式陽極。在土壤和淡水中，應(yīng)用最多是廢鋼鐵、石墨及高硅鑄鐵材料。廢鋼鐵是用于強(qiáng)制電流輔助陽極最早的陽極材料。其優(yōu)點(diǎn)是來源廣，價(jià)格便宜，常使用報(bào)廢的舊裝置；其缺點(diǎn)是消耗率高，可達(dá)910kg/a·a。鋼鐵陽極的工作電流密度不必限制，在運(yùn)行時(shí)以鐵的電解腐蝕為主要陽極反應(yīng)，所以在電極上析出氣體很少，沒有“氣阻”問題。高硅鑄鐵材料問世于191

15、2年，長期以來作為化學(xué)工業(yè)的耐蝕材料應(yīng)用。其主要成分為：14si，07mn，095c，余量為鐵。在陽極條件下工作的硅鑄鐵，表面生成二氧化硅膜，滲透性很好，是良好的電子導(dǎo)體。但高硅鑄鐵耐鹵素的性能很差，所以它的使用應(yīng)限制在含c1-小于萬分之二的環(huán)境中。為了改善耐c1-的能力，可在高硅鑄鐵中添加13%的鉻，稱之為高硅鉻鐵。自1959年以來，它已廣泛應(yīng)用于海水或含氯化物的土壤環(huán)境中。其典型成分為：144si，07gmn，1.0%c，4.25%cr，余量為鐵。高硅鑄鐵在應(yīng)用中，應(yīng)注意“氣阻”和搬運(yùn)中的脆斷。高硅鑄鐵陽極一般為圓柱形，可使陽極的腐蝕均勻。它又有空心與實(shí)心之分，空心陽極的利用率比較高。對(duì)陽

16、極引出線有限制的原因，是為了減小接線的電阻。因此也對(duì)引出導(dǎo)線的截面有16mm2的要求，以便在陰極保護(hù)進(jìn)行中，使電能的消耗大部分用于被保護(hù)金屬的防護(hù)。根據(jù)規(guī)范，陽極引出線的接觸電阻應(yīng)小于0.01，其拉脫力值應(yīng)大于陽極自身重量的15倍。接頭應(yīng)密封可靠，陽極表面應(yīng)無明顯的缺陷。高硅鑄鐵陽極使用性能與常用規(guī)格見表10-53和表10-54。 表10-53 高硅鑄鐵陽極使用性能種類允許電流密度/(a/m2)消耗率/(kg/a·a)使用環(huán)境高硅鑄鐵陽極50800.5土壤、淡水高硅鉻鐵陽極50800.5含氯離子土壤、海水表10-54 常用高硅鑄鐵陽極規(guī)格序號(hào)陽極規(guī)格陽極引出線規(guī)格參考質(zhì)量/

17、kg直徑/mm長度/mm截面積/mm2長度/mm1501500161000222751500161000353100150016100080 石墨陽極是公認(rèn)的耐蝕材料，也是微溶性材料。尤其是耐氯性能好，因此可應(yīng)用于海水和含氯化物的土壤中。但由于它質(zhì)脆。安裝不方便，在使用上頗受限制。近年來多用樹脂浸漬石墨以增強(qiáng)其機(jī)械性能，這種石墨稱為不透性石墨。但不透性石墨電阻較大，陽極表面電流分布不均勻，在電流集中處易斷裂。我國在地下電纜和長輸管道的防護(hù)中，均使用了石墨陽極。石墨陽極在加拿大、美國等應(yīng)用較廣泛。從1927年使用起，至今已有較長的歷史。石墨陽極的石墨化程度應(yīng)大于或等于81、灰分應(yīng)小于0.5%。石

18、墨陽極宜經(jīng)亞麻油或石蠟浸漬處理。石墨陽極的主要性能指標(biāo)見表10-55，常用規(guī)格見表10-56。石墨陽極的陽極引出線接觸電阻應(yīng)小于001，拉脫力數(shù)值應(yīng)大于陽極自身重量的15倍。且接頭應(yīng)密封可靠。 表10-55 石墨陽極的主要性能密度/(g/cm3)電阻率/(·mm2/m)氣孔率(%)消耗率/(kg/a·a)允許電流密度/(a/m2)1.72.29.511.025300.6510表10-56 常用石墨陽極規(guī)格序號(hào)陽極規(guī)格陽極引出線規(guī)格參考質(zhì)量/kg直徑/mm長度/mm截面積/mm2長度/mm175100016100010210014501610002331501450

19、16100051 為提高耐蝕性，可用樹脂浸漬。用亞麻油浸漬則可降低氣孔，抑制可能引盧的陽極脹裂或過早失效、表面氣體的析出及碳的氧化。浸漬后的陽極壽命可延長約 50。石墨陽極不能在有氧浸入、呈酸性和硫酸鹽離子較高的地方長期使用。如厙拿大薩斯喀溫省東南，20年期間已有數(shù)百個(gè)陽極地床被損壞，經(jīng)過土壤分析確認(rèn)，是硫酸鹽的浸蝕性所致，使陽極使用的壽命僅為23年。磁性氧化鐵陽極是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種新型難溶性陽極材料。主要是用磁鐵礦和鐵氧體經(jīng)高溫?zé)Y(jié)制成磁性氧化鐵粉末。再采用專門的鑄造技術(shù)，將磁性氧化鐵粉末鑄成中空有底的圓柱陽極。磁性氧化鐵具有消耗低、使用壽命長、受溫度變化影響小的優(yōu)點(diǎn)。磁性氧化

20、鐵的主要成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))是：fe3o49293(feo約占30%，fe2o約占 6263)，sio246。cao、mgo、al2o3分別占0.1%1%。為了在整個(gè)陽極表面得到盡量均勻的電流密度，整個(gè)內(nèi)表面鍍一層銅。陽極長度約800mm，外徑60mm，壁厚510mm。磁性氧化鐵陽極的電阻率很低，反允許通過的電流密度約2050a/h·m2，消耗率為0.020.15kg/a·a。其機(jī)械性能與高硅鐵相似，也具有硬、脆的特點(diǎn)。在日本、加拿大、瑞典都有應(yīng)用。特別是適用于土壤中，也可用于海水和淡水中。因此，被認(rèn)為是今后外加電流陰極保護(hù)中最具前途的陽極材料。常用的陽極材料特性見表10-57

21、。 表10-57 輔助陽極材料及性能陽極材料主要成分消耗率/(kg/a·a)允許電流密度(a/m2)高硅鑄鐵si14.5%,dr4.5%0.11.0580石墨c0.41.3510磁性氧化鐵fe3o40.0030.0081001000鋼鐵fe9.11.0  上述陽極材料是在陰極保護(hù)中技術(shù)成熟、使用普遍的輔助陽極材料，在我國也廣泛應(yīng)用(除磁性氧化鐵外)。各國均根據(jù)本國資源及技術(shù)條件來選用陽極材料。如在海水中金屬構(gòu)筑物的防護(hù)，美國過去用石墨陽極，后來用鍍鉑鈦陽極，近年來開始采用鉑鈀合金陽極；英國采用鍍鉑鈦、鉛銀合金，近年來在試驗(yàn)鍍鉑鉭；日本則采用鉛銀合金和鉛鉑復(fù)合電極。

22、(二)參比電極陰極保護(hù)中經(jīng)常需要測(cè)量和控制設(shè)備的電位，使其處于保護(hù)電位之內(nèi)。要測(cè)量電位，就需要一個(gè)已知電位的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的電極，將待測(cè)電位與之比較。這種電極稱為參比電極，即參比電極是一種電位恒定的基準(zhǔn)電極。在測(cè)量中，用這個(gè)電極的電位差來表示被測(cè)物的電位值。參比電極除電位穩(wěn)定外，還應(yīng)具有易于制作、便于攜帶、電位精確、重復(fù)性好、測(cè)量方便、壽命較長及價(jià)格便宜的特點(diǎn)。在陰極保護(hù)中常選擇可逆電極來做參比。如甘汞電極(中性介質(zhì)中)、硫酸電極(土壤、中性介質(zhì))、氯化銀電極(海水、氯離子穩(wěn)定的中性介質(zhì)中)、氧化汞電極(堿性介質(zhì))等。以上幾種電極都是電極材料和帶有特種電解液組成的半電池電極。這種電極較貴，發(fā)裝易損壞

23、，使用不方便。還有一種固體電極，是由電極材料直接與腐蝕介質(zhì)組成的半電池，常用的是金屬和一些合金材料，如不銹鋼、碳銅、鋅、鎂等。這種固體參比電極牢固耐用，使用、安裝方便，但穩(wěn)定度、精確度都不如可逆電池。使用前，要先講行標(biāo)定。國內(nèi)陰極保護(hù)多采用可逆不極化硫酸銅參比電極，用硫酸銅參比電極和恒電位儀組成自控信號(hào)源。但由于液體硫酸銅參比電極的密封性難以保證，且需要經(jīng)常添加硫酸銅溶液，冬季又容易凍結(jié)，影響了恒電位儀的連續(xù)自動(dòng)控制，所以，國外也采用固體電極作恒電位儀的參比電極。如鎂電極和鋅電極。在固定環(huán)境中使用其極化值可以保證要求的精度，但使用中要有填料來保證電極電位的穩(wěn)定性。長壽命埋地型硫酸銅電極由兩部分

24、組成：電極本身與為改善電極工作環(huán)境的填包料。用這種導(dǎo)電填包料來取代便攜式液體cuso4電極中的飽和硫酸銅溶液，克服了溶液的滲漏問題。導(dǎo)電填包料主要成分為石膏粉、硫酸鈉和膨潤土，其作用為：石膏粉：微溶可塑性材料?？稍诔睗駰l件下長期保證so-24的濃度，改善了土壤環(huán)境的離子污染程度。硫酸鈉：改善填料的導(dǎo)電能力，降低電阻率。膨潤土：遇潮膨脹并能長期保持濕度，使電極在工作中長期和土壤結(jié)合緊密，永久維持濕潤?？傊?，填包料隔絕了電解液滲漏的渠道，并使電極永遠(yuǎn)處于潮濕糊狀，有利于電極的工作，其效力可達(dá)10年以上。這種參比電極已在少數(shù)輸油管道進(jìn)行了償試，實(shí)際壽命還有待進(jìn)一步探測(cè)。長壽命埋地型參比電極，克服了液

25、體便攜式參比電極每1個(gè)月，甚至1個(gè)星期就要加1次液，每兩年就更換1次電極的缺點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)是安裝后可用幾年甚至10年再更換，節(jié)約人力物力，同時(shí)還使測(cè)量精度提高，降低ir降，也為陰極保護(hù)在無人地區(qū)的推廣使用提供了前提。(三)輔助陽極地床回填料焦炭碴主要成分是碳，它是輔助陽極的理想回填料。多孔且導(dǎo)電良好，用于填包高硅鑄鐵陽極、石墨陽極可避免“氣阻”，并起到加大陽極尺寸，減小陽極拉地電阻，延長陽極壽命的作用?；靥罱固康念w粒度是應(yīng)用中的關(guān)鍵。顆粒太大，則呈現(xiàn)大的局部接觸電阻，導(dǎo)致不均勻的消耗；顆粒太細(xì)，對(duì)避免“氣阻”不利。有時(shí)可填加一些化合物來改善工作性能，例如加10的熟石灰來阻止因電滲透造成的濕度損失的

26、趨勢(shì)，有時(shí)在非常干燥的條件下可使用硫酸鈣。由于使用回填焦炭把電解型導(dǎo)電轉(zhuǎn)化為電子型導(dǎo)電，使得陽極消耗由陽極主體轉(zhuǎn)到焦炭上，以生成co和co2為主要反應(yīng)，大大降低了陽極體的消耗率。當(dāng)完全氧化反應(yīng)時(shí)，其焦炭的消耗為10kg/a·a，而實(shí)際的消耗率只有025kg/a·a，這主要取決于環(huán)境條件。典型的焦炭回填料見表10-58中。 表10-58 焦炭回填料特性 顆粒度(過篩)25mm占8%電阻率50·cm-2025mm占34%化學(xué)成分碳85%1620mm占39%水分5%1016mm占17%揮發(fā)性物質(zhì)1%10mm占2%灰分8%密度約580kg/m3-硫1% 截面為3

27、00mm×300mm的陽極地床的回填料參考用量為50kg/m。目前在土壤中的水平式地床可采用連續(xù)性焦炭渣回填。在回填焦中每隔152倍的陽極長度間隔放置陽極，這樣不但防止了陽極體的端部效應(yīng)，還可使陽極成為一字形連續(xù)大陽極，大大提高陽極的利用率。圖10-37為陽極材料的消耗率。  圖10-37 陽極材料的消耗率 陽極埋地電阻如無焦炭填料，則投入使用后其電阻值會(huì)迅速增加，埋在焦炭填料中的陽極則可保持多年無變化。如圖10-38所示。(四)地床結(jié)構(gòu)及其特點(diǎn)強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的輔助陽極地床可分為淺埋和深埋兩大類，其方式有立式和水平式兩種。目前國內(nèi)常用淺埋立式陽極，其結(jié)構(gòu)如圖10-39所示

28、。這種陽極地床的特點(diǎn)是：安裝容易，費(fèi)用低；陽極埋設(shè)深度處的土壤濕度變化小，不受地下水的影響；陽極可適當(dāng)加深埋入理想濕度的環(huán)境中；不會(huì)受凍土層的影響；填料易夯實(shí)，利于氣體的排放；陽極問隔相等，彼此干擾小，因此利用系數(shù)高。  圖10-38 有焦炭和沒有焦炭回填的立式單支陽極的接地電阻 立工陽極優(yōu)點(diǎn)很多，但有些場(chǎng)合不宜采用。如在薄的巖石層結(jié)構(gòu)地方和深層土壤電阻率較高的地方，砂質(zhì)土壤的河灘地及地下水位較高不易開挖的地方和沼澤地區(qū)，都不宜用立式陽極裝置，需選用水平式陽極地床，其典型結(jié)構(gòu)如圖10-40所示。與立式陽極相比，平式陽極地床有如下特點(diǎn)；開挖土方量相對(duì)小，維修較方便，陽極可通過回填料首尾

29、相接，構(gòu)成一根長串式連續(xù)性的大陽極。有些場(chǎng)合，由于地理環(huán)境、地表土壤電阻率的限制，不宜淺埋地床，而需采用深埋工陽極，如立式深井陽極。這種陽極用于人口稠密地區(qū)更好，既可少占地，又可在某種程度上減少對(duì)鄰近其他設(shè)施的陽極干擾。深井陽極可由單根陽極或多根陽極串聯(lián)而成，圖10-41為一種典型的深井地床。  圖10-39 立式陽極地床構(gòu)造示意圖 (五)地床位置的選擇地床位置的選擇主要考慮  圖10-40 水平式陽極地床構(gòu)造示意圖 1.地床相對(duì)管道的距離 一般取300500m為宜。覆蓋層質(zhì)量良好或受環(huán)境影響，亦可取60100m。2電能的利用率 盡可能靠近已有的電源，最大程度利用電能。3土

30、壤電阻率盡量選在土壤電阻率低的地方，以降低陽極接地電阻，減少陽極支數(shù)，相應(yīng)降低陽極的運(yùn)行費(fèi)用。4土壤濕度 土壤濕度大，有利于陽極工作，對(duì)于高硅鑄鐵陽極尤其重要。隨著陽極電解作用的發(fā)生，而釋放或減少陽極周圍土壤的水分，將會(huì)導(dǎo)致陽極接地電阻的增加，甚至失敗。5土地的利用 陽極地床屬地下隱蔽設(shè)施，只要設(shè)計(jì)得當(dāng)就可不占或少占耕地。選擇地床位置時(shí)，應(yīng)遵守下列原則：盡量與站、場(chǎng)、路等非耕用土地相結(jié)合；城市、站區(qū)管網(wǎng)應(yīng)盡量采用深井地床；限制陽極排放電流，使地面電位梯度小于5v/m，不影響地面耕作；避免在有爭(zhēng)議地產(chǎn)權(quán)的土地上安裝陽極。6干擾影響 陽極地床是個(gè)點(diǎn)電流場(chǎng)，當(dāng)陽極電流流過時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的電場(chǎng)，會(huì)給

31、  圖10-41 深井地床1回填土 2接整流器電纜 3套管 4粗砂(1030) 5電纜護(hù)管dn80pvc管6鉆孔0.30m 7焦床 8硅鐵陽極 9支撐架 周圍其他金屬構(gòu)筑物造成干擾，所以選擇地床位置時(shí)應(yīng)予考慮。7.地域的規(guī)劃 了解近期的地域規(guī)劃，避免陽極搬遷，造成浪費(fèi)或停產(chǎn)。8.安裝難易與生態(tài)環(huán)境。(六)施工與安裝深井陽極需用鉆機(jī)鉆孔至一定埋深，然后將所需的陽極塊(數(shù)量由設(shè)計(jì)決定)由下至上按一定間隔綁在鋼管上，鋼管上要留透氣孔，在陽極外罩一塑料軟管后緩慢放入鉆好的深孔內(nèi)。然后，用泵向塑料管內(nèi)注入濕的填料(焦炭與水的混合物)，使填料注滿井筒，將陽極包圍。注滿一段，將塑料軟管抽出一段，直

32、至注滿為止。每支陽極的引出電纜可分別引出或串接后單根引出。由于鉆孔的管壁和陽極之間填滿導(dǎo)電的焦炭，形成了延續(xù)的立式陽極地。延續(xù)式陽極地床可得到有利的接地電阻、均勻的電位和電流分布。深井陽極中陽極與陽極之間的串、并聯(lián)接頭，包括陽極與電纜的接頭，均要作到可靠的連接，有效的密封，否則會(huì)影響陽極的使用壽命。為確保陽極的有效性，深井陽極可并聯(lián)敷設(shè)于地床的不同深度層上。陽極裝與整流器之間的連接電纜的絕緣密封也要非常可靠，否則在缺陷處，會(huì)由于土壤溶液的作用造成局部斷路。在較開闊的地帶，一般安裝臥式陽極。施工時(shí)，開挖一條寬0.305m、深1.51.8m的溝，溝的底部鋪上厚0.2m的焦炭層，然后敷設(shè)連接成串的陽

33、極，上面再覆蓋一層02m厚的焦炭層，形成水平式的延續(xù)式陽極地床。圖10-42說明了延續(xù)式陽極地麻在地面上可產(chǎn)生均勻的電位分布。  圖10-42 與陽極地床軸線垂直10m處地面上的電位分布 注：上面曲線為延續(xù)式焦炭地床；下面曲線為單支陽極曲線。陽極電壓40v；電流6a；=100m對(duì)于電流需要量較大的設(shè)備(如在20a以上)，可采用水平式連續(xù)陽極。如能使用挖溝機(jī)時(shí)，安裝水平式陽極通常是比較經(jīng)濟(jì)的。1電纜的選型與施工(1)電纜選型 陰極保護(hù)系統(tǒng)的配線截面，應(yīng)根據(jù)電流大小和經(jīng)濟(jì)電壓降來確定。配線的電能消耗不宜大于陰極保護(hù)系統(tǒng)的20%。一般規(guī)定為：直流電源至陽極和管道配線的截面積不宜小于16mm

34、2；測(cè)試樁用的測(cè)試導(dǎo)線截面積不宜小于10mm2；跨接線和均壓線的截面積不宜小于50mm2；陰、陽極連接導(dǎo)線的總電阻所占系統(tǒng)回路總電阻的比例不得大于20；原則上使用銅芯線。當(dāng)陽極導(dǎo)線采用埋地型時(shí)，應(yīng)采用w29-500型電纜；當(dāng)采用架空引線時(shí)，可采用lgj型鋼芯鋁絞線。國內(nèi)在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中推薦的型號(hào)與截面如下：1)陰極連接電纜：w29-500/1×16(20電阻。112/km)。2)陽極連接電纜：w29-500/1×35(20電阻，0519/km)。3)測(cè)量陰極電纜：w29-500/1×6(20電阻。311/km)。4)參比電極電纜：w29-500/1×6(

35、20電阻，311/km)。5)測(cè)試樁引線：bw-1×10(20電阻，183/km)。6)均壓跨接電纜：w29-500/1×50(20電阻。0357/km)。當(dāng)陽極引線采用架空線時(shí)，導(dǎo)線型號(hào)可為lgj50(20電阻，065/km)。(2)電纜施工要求 電纜使用前，應(yīng)檢查電纜絕緣外皮有無破損。有破損則應(yīng)修復(fù)后再用。鎧裝電纜的彎曲半徑與電纜外徑的比值不應(yīng)小于10倍，無鎧裝為6倍。直埋電纜線路的直線部分，若無永久性建筑物時(shí)。應(yīng)埋設(shè)標(biāo)樁，接頭和轉(zhuǎn)角處也均應(yīng)埋設(shè)標(biāo)樁。盡量使用整根電纜，以減少和避免電纜有過多的接頭。直埋電纜埋入前，應(yīng)將溝底夯實(shí)，電纜周圍應(yīng)填入100m厚的細(xì)砂或篩過的細(xì)土

36、。砂層上部要用定型的混凝土蓋板保護(hù)。電纜與管道連接應(yīng)采用鋁熱劑焊接法，以避免應(yīng)力集中。電纜敷設(shè)安裝還應(yīng)符合電氣裝置國家標(biāo)準(zhǔn)d01135kv以下電纜敷設(shè)的要求。陰極保護(hù)用電纜的地下接頭，要求有相當(dāng)嚴(yán)格的絕緣封密性，比一般電力電纜接頭的要求高得多。這是因?yàn)榇祟惤宇^埋在地下，要受到土壤中水分的侵蝕。如密封不好，地下水進(jìn)入接頭部位，必然會(huì)有電偶腐蝕發(fā)生，此時(shí)會(huì)由于電線芯受損而造成斷路。因此，電纜接頭的密封工作必須做好。例如，陽極電纜的接頭通常在焊接牢固后又用05的鐵絲捆扎，然后用熱收縮套管密封，外部又用多層的膠帶包纏。當(dāng)陰極保護(hù)直流電源正極與陽極地床之間采用架空敷設(shè)時(shí)，電線桿的架設(shè)應(yīng)按照電氣裝置國家標(biāo)

37、準(zhǔn)圖集d101施工。陽極線桿一般采用水泥線桿，包括陽極線引出線桿、直線桿、轉(zhuǎn)角桿、終端桿，這些都是陰極保護(hù)陽極導(dǎo)線的支撐物。陽極線引出桿有單陽極線引出桿和雙陽極線引出桿之分。單陽極線引出桿陽極線上需裝閥式避雷器一支，雙陽極線引出桿則每根陽極線上各裝避雷器一支。陽極線路桿終端桿平面位置與陽極地床可保持任何方向，但需與接地體保持0.5m距離。2.鋁熱焊劑的應(yīng)用技術(shù)(1)鋁熱焊劑 在陰極保護(hù)中，電纜與管道的連接，電纜與電纜的連接，普通采用鋁熱焊劑連接。以前管道與電纜的連接常用電焊焊接，而電焊焊接會(huì)產(chǎn)生過度的熱應(yīng)力，在焊接影響區(qū)內(nèi)殘余應(yīng)力會(huì)消除不當(dāng)，因而產(chǎn)生金屬在焊接影響區(qū)內(nèi)的應(yīng)力腐蝕破壞。鋁熱焊劑焊

38、接技術(shù)削除了因焊接引起的不安全隱患，尤其是對(duì)薄壁高壓輸氣管道。鋁熱焊接的原理，是根據(jù)金屬鋁本身的強(qiáng)氧化性和氧化銅(cuo)進(jìn)行放熱反應(yīng)，產(chǎn)生熔融金屬銅，而將電纜焊接到鋼的表面。其反應(yīng)的化學(xué)方程式如下：  焊接劑中，除金屬氧化物氧化銅、還原劑鋁粉外，還有輔助添加劑。鋁粉中鋁的含量不得小于95，細(xì)度為0.15030mm；氧化銅中cuo的含量不得小于95，粒度應(yīng)在一定范圍內(nèi)。銅和氧化銅的作用在于控制焊接溫度和銅液量。輔助添加劑作為一種附加成分，用來降低熔渣熔點(diǎn)和增加流動(dòng)性。(2)焊接模具 焊接模具為一石墨坩鍋。因石墨可耐3000高溫，具有良好的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性和塑性。每個(gè)坩鍋可使用50

39、次以上。其結(jié)構(gòu)如圖10-43所示。坩鍋上腔的尺寸影響著鋁熱反應(yīng)進(jìn)行的效果，中部和下部型腔尺寸影響著熔融金屬與熔渣的有效分離和熔融金屬的流動(dòng)成型。(3)焊接方法 將銅片放在圖10-43所示位置(擋住藥粉)，然后將藥粉倒入石墨坩鍋上腔中，再將電纜頭壓在銅管上，用高溫火柴或點(diǎn)火劑點(diǎn)火，使藥粉發(fā)生鋁熱反應(yīng)。反應(yīng)生成的液態(tài)金屬銅流入石墨坩鍋下部，在套有黃銅套的電纜上形成焊點(diǎn)。坩鍋蓋可防止液態(tài)金屬外濺。磁鋼可使模具吸附在鋼體上。被焊鋼管表面應(yīng)先去除氧化皮，并在焊接冷卻后將模具移開，除去浮渣。整個(gè)焊接過程只需35min，產(chǎn)生約2500高溫。鋁熱焊劑焊接的優(yōu)點(diǎn)是焊接處具有和該連接電纜同等的載流量，焊接牢固可靠

40、，不會(huì)形成高電阻；設(shè)備簡(jiǎn)單、輕便(不到1kg)，價(jià)格低廉；無需電源設(shè)備，易于施工。3陰極保護(hù)中的接頭處理 為保證陰極保護(hù)的長期有效使用，必須首先保證陰極保護(hù)的所有接頭的連接可靠與優(yōu)質(zhì)的密封。如陽極電纜的引出頭，電纜與電纜的連接頭，電纜與鋼管的連接頭，測(cè)試樁處各種測(cè)試線的引出頭，參比電極與鋼管的連接頭等。由于這些接頭埋于地下，因此，其密封絕緣性要高于一般接頭。  圖10-43 磁鋼固定式鋁熱劑焊接模具示意1坩堝蓋 2藥粉 3石墨坩堝 4銅片5磁鋼 6鋼體結(jié)構(gòu)(管道) 7黃銅套8電纜頭 9手柄 10鉸鏈 這些接頭一般要求在鋁熱焊劑焊接牢固后，用環(huán)氧樹脂密封、填充，最外面再用與管體相同的絕

41、緣材料絕緣。陽極導(dǎo)線引出頭結(jié)構(gòu)如圖10-44圖10-46所示。  圖10-44 碳鋼陽極接頭處結(jié)構(gòu)1導(dǎo)線 2用環(huán)氧樹脂或?yàn)r青封閉3灌鉛 4螺釘 5塑料套管6銅鼻子 7碳鋼陽極 圖10-45 石墨陽極接頭處結(jié)構(gòu)示意1銅芯導(dǎo)線 2環(huán)氧樹脂填充3焊錫灌注 4塑料管5石墨陽極 圖10-46 高硅鑄鐵陽極接頭處結(jié)構(gòu)示意1導(dǎo)線 2螺釘裝固3環(huán)氧樹脂填充 4塑料管 5預(yù)埋鋼條6高硅鑄鐵陽極 陰極保護(hù)的陽極導(dǎo)線引出頭是陰極保護(hù)的關(guān)鍵部位，有時(shí)，陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)失靈就是由于引出頭發(fā)生故障造成。因此，在陰極保護(hù)規(guī)范中規(guī)定了陽極與引出線的接觸電阻小于0.01。在上述圖結(jié)構(gòu)中均采用灌鉛、焊錫灌注或預(yù)埋鋼條

42、的措施，以保證有效的接觸。同時(shí)規(guī)定了拉脫力的相應(yīng)數(shù)值。此外，這類接頭均要用環(huán)氧樹脂密封，以避免水分的浸入和接頭部位電化學(xué)腐蝕的發(fā)生。處理不當(dāng)，則會(huì)在接頭部位產(chǎn)生腐蝕斷路，使陰極保護(hù)的保護(hù)電流不能輸入被保護(hù)金屬體上。測(cè)試樁的電纜與鋼管連接，不論是高出地面的測(cè)試樁，還是與地面平齊的地下測(cè)試樁，均要求電纜與管道的連接可靠，同時(shí)要作好外部密封。國內(nèi)在測(cè)試樁測(cè)試電纜與鋼管的連接，常采用雙焊點(diǎn)的連接頭，以防一個(gè)焊點(diǎn)失效后，全部檢測(cè)系統(tǒng)失效。兩焊點(diǎn)均采用鋁熱焊劑焊接。 日本煤氣行業(yè)的測(cè)試樁設(shè)置是地下式的，如圖10-47所示。采用接線板(國內(nèi)稱為接線端子)將電纜與鋼管相連。通常用銅焊或熔焊(鋁熱焊劑)焊牢后，

43、用粘接密封劑密封，最外面用防腐材料(熱收縮套)防腐。  圖10-47 測(cè)試樁連接示意1固定板 2收縮套 3瑪套(粘接劑) 4接線端子 5導(dǎo)線 圖10-48是執(zhí)著線板部位的安裝結(jié)構(gòu)圖。它表明鋼管與電纜連接部位的多層密封絕緣。在焊接完成后，要注入粘接劑，包扎橡膠外殼，橡膠栓，最外用膠帶包覆，以保證接頭的密封可靠。這也是日本煤氣行業(yè)的做法。  圖10-48 接線板密封結(jié)構(gòu)1擴(kuò)罩 2 42電線管 3導(dǎo)線 4外殼 5膠帶包敷 6防腐蝕橡膠保護(hù)箱 7橡膠栓 8橡膠外殼 9注入粘接劑10保護(hù)板 11粘著劑涂布 12熔接 電纜與電纜的連接頭。見圖10-49及圖10-50電纜與電纜的連接頭也要密封處理好。電纜對(duì)接與分支連接均可采用鋁熱模進(jìn)行，要做到可靠連接。  圖10-49 電纜對(duì)接示意圖(用鋁熱模) 圖10-50 電纜分支連接示意