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管道外加电流阴极保护的计算

外加电流阴极保护的计算

外加电流阴极保护系统设计包括下述内容:保护长度的计算,阴极保护站数和站址的确定,阳极地床、电源和导线的设计,绝缘法兰、测试桩及检查片的设置等。阴极保护系统的设备比较简单,它的投资约为管道总投资的1%左右。

由于阴极保护距离受最大保护电位和最小保护电位的限制,因此保护一条管道常常需要设置多个保护站。首先要知道一个站能保护多远,才能确定设几个站。为了求得保护长度,必须知道当管道上通入阴极电流后所产生的外加电位的沿线分布规律,最大保护电位经过多长距离降低到最小保护电位。

1)管道沿线外加电位与电流的分布规律

如图9-5 所示,外加电源的正极接辅助阳极,电源负极接在被保护管段的中间,这一点称汇流点或通电点。电流自电源正极流出,经阳极地床和大地流至汇流点两侧管道,经金属管壁电流从汇流点流回电源。因此沿线电流密度和电位分布是不均匀的,在汇流点处的电流值最大,电位值最负。

管道沿线电位分布的基本公式是根据下列假设条件推导出来的:

(1)管道的绝缘层均匀一致,管道沿线单位面积过渡电阻相等。过渡电阻指电流从土壤径向流入管道时的电阻,其数值主要决定于绝缘层电阻。

(2)因土壤截面积很大,电流经过土壤的电阻可忽略不计。

如图9-5 所示,在离汇流点X公里处取一微元段如,由于通往外电流后的阴极极化作用,dx小段处的管地电位往负方向偏移,设其偏移值为E,E等于通电后的保护电位与自然电位之差。

设单位长度金属管道的电阻为rT(Ω/m),单位面积的绝缘层电阻为R p (Ω·m2 ),单位长度上电流从土壤流入金属管道的过渡电阻为RT(Ω• m)。如管外径为D ,则R T =R p /πD 。在dx小段上电流的增量dI就是在该小段上从土壤流入管道的保护电流,由于忽略土壤的电压降,

边界条件通常有三种情况:

无限长管道的计算:即全线只有一个阴极保护站,线路上没有用绝缘法兰。

有限长管道的计算:即全线有多个阴极保护站,两个相邻站之间的管道由两个站共同保护。

保护段终点有绝缘法兰的计算:一般设有阴极保护的管道在进入输油站或油库以前须装设绝缘法兰,以免保护电流向站内或库内流失。

2)无限长管道的计算

在汇流点处X =0,I =I 0 ,E =E 0 ,I 0 为管道一侧的电流。距汇流点无限远处X →∞,I =0,E= 0。将此边界条件代入通解式(9-5)和式(9-6),得A 1 =0,B 1 =I 0 ,A 2 =0,B 2 =E 0 。在汇流点处,X =0,

汇流点处的总电流就是该保护装置的输出电流,它等于管道一侧流至汇流点电流的两倍,即I =2I 0 。

式(9-7)和式(9-8)说明当全线只有一个阴极保护站时,管道沿线的电位及电流值按对数曲线规律下降,在汇流点附近变化激烈,离汇流点越远变化越平缓。曲线的陡度决定于衰减因素 ,主要决定于绝缘层过渡电阻RTo

如前所述,管道沿线的外加电位受最大值和最小值的限制,汇流点处的外加电位必须小于最大保护电位E max ,当沿线外加电位降至最小保护电位E min 处,就是保护段的末端,故一个阴极保护站可能保护管路一侧的最长距离,可由式(9-8)算出。取E 0 =E max ,X =L max 代入,

由式(9-11)和式(9-13)可见,阴极保护装置所需保护电流I 0 的大小和保护段长度L max 受绝缘层电阻的影响很大。绝缘层质量好,则电能消耗少,保护距离也长。根据国内经验,在设计中大管径沥青绝缘层取RP = 10000Ω/m2 ,对中等管径取RP =5000Ω/m2 。

3)有限长管道的计算

有限长管道的保护段是指两个相邻的阴极保护站之间的管段,其外加电位和电流的变化受两个站的共同作用,由于两个站的相互影响,将使外加电位变化曲线抬高,。因此,有限长管道比无限长管道的最大保护距离长。

设两站间距离为2I 2 ,在中点处(X =I 2 )正好达到保护所需要的最小保护电位E 1 =E mi n。

电位变化曲线在中点处所发生转折,即 。由于保护电流来自两个站,其电流方向相反,故在中点处电流为零。边界条件为X=0,I=I0,E=E0 ,X=I2 ,I=0, E1=Emin , 。

在相同条件下,有限长管道的保护长度比无限长管道长。

在有绝缘法兰的情况下,可近似地按有限长管道计算。


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