管道工程强制电流阴极保护设计方案新疆奥睿博节能科技发展有限公司目录、概述 、设计方案 、设计依据标准 、设计指标 、系统设计及安装 、阴极保护系统仪器和材料 、施工设计 、施工技术要求 、工程验收 、效果监测 附录一：阴极保护材料表强制电流阴极保护设计方案1、概述本工程总长度为58.7km，管道管径多数为D89mm，防腐层为黄夹克防腐层。

由于管道所经地多为盐碱地，土壤电阻率较大，易选用外加电流阴极保护方式，对管道进行保护，达到延长使用寿命的目的。

2、设计方案管道设计采用独立的外加电流阴极保护系统。

设计1座阴极保护站。

阴极保护站设计1处浅埋阳极地床、在靠近排气管处埋设1支长效硫酸铜参比电极、在阴极保护站设计安装1台直流电源。

3、设计依据标准《埋地钢质管道阴极保护技术规范》GB/T21448-2008《阴极保护管道的电绝缘标准》SY/T0086-2003《钢质管道外腐蚀控制规范》GB/T21447-2008《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》GB/T21246-2007《镁合金牺牲阳极》GB/T17731-2015《锌-铝-镉合金牺牲阳极》GB/T4950-2002《埋地钢质管道直流排流保护技术标准》SY/T0017-2006《埋地钢质管道交流排流保护技术标准》GB/T50698-201114、设计指标1、阴极保护设计使用寿命15年。

有效保护期间管道极化电位应满足以下第2或3条要求。

2、施加阴极保护后，管道阴极极化电位为-0.85~1.25V（相对于CSE电极），应考虑排除IR降。

3、在阴极保护极化形成或衰减时，测取被保护管道表面与土壤接触、稳定的参比电极之间的阴极极化电位差不应小于100mV。

4、当土壤或水中存在硫酸盐还原菌，且硫酸离子含量超过0.5%时，通电保护电位应达到-0.95V或更负（相对于CSE电极）。

5、系统设计及安装5.1阴极保护设计参数（1）管道总长度: 约58.7km（2）绝缘层: 黄夹克防腐层（3）管道总表面积: 约16404m2（4）阴极保护系统设计寿命： 30年（5）土壤平均电阻率: 200Ω·m（0～2米深土壤层）（6）管道保护电位: ≤-0.85V（CSE）5.2阴极保护系统的设计计算5.2.1保护电流密度的选取根据管道外防腐层绝缘电阻和阴极保护电流密度的对应关系（见表1），选择本项目中的最小阴极保护电流密度为0.5mA/m2。

表1 电流密度和防腐层绝缘电阻的对应关系5.2.2管道保护长度的计算 s s p p 82R J D VL ⨯⨯⨯∆⨯=π式中： L P － 单侧保护管道长度，mV ∆ － 极限保护电位与保护电位之差，0.35Vp D － 管道外径，0.089ms J － 保护电流密度，0.5×10-3A/m 2s R － 管道线电阻 Ω/m δδπρ)1000(p ts -=D R其中：t ρ－ 钢管电阻率 Ω·mm 2/mp D － 管道外径 mδ － 管道壁厚 mm本方案中：t ρ = 0.135Ω·mm 2/mp D = 0.089ms J = 0.5×10-3A/m 2V ∆ = 0.35V (-1.20V ～-0.85V)δ = 4.5mm计算得： s R ＝0.91×10-5Ω/m s s p p 82R J D VL ⨯⨯⨯∆⨯=π＝46925mL p =23.5km阴极站管道保护长度达到23.5km，可对阴极站至其它方向延长线的部分管道进行保护，当所保护管线实际所需的阴极保护电流密度＜0.5mA/m2时，阴极站的单边保护长度将大于计算值23.5km，反之则小于计算值23.5km。

5.2.3阴极保护总电流的计算阴极保护总保护电流需要量计算如下：I总=i×S=0.5×16404=8202mA=8.2A（其中S=16404m2）5.2.4辅助阳极数量的选取本方案辅助阳极选用高硅铸铁阳极，规格75*1500mm，因为工作电流密度大，每年的消耗率低。

辅助阳极的经济数量按如下公式确定：ρI12.0nw= [A-1]式中：wn－辅助阳极的经济数量I－总保护电流（A）（I＝8.2A ）ρ－土壤电阻率（m·Ω）（ρ＝200Ω·m）故可得:wn＝13.9支由于管道沿线的土壤电阻率的波动范围较大，并且部分管道处于盐碱地段，为了留有一定的设计余量，所以将阴极保护系统的辅助阳极设计数量选择为20支，采用浅埋式阳极地床，因此每个阴极站的单支阳极平均输出电流是： I输=I A/wn=8.2/20=0.41A5.2.5辅助阳极重量及规格的选取辅助阳极重量：k IgTG ⋅⋅=式中：G－辅助阳极总重量，kgg－辅助阳极消耗率，kg/(A·a)I－辅助阳极工作电流，AT－辅助阳极设计寿命，ak－辅助阳极利用系数，取0.70～0.85其中：g＝0.5kg/(A·a)T＝30ak＝0.7I＝8.2A计算得G＝144.7kg；选取高硅铸铁阳极作辅助阳极，其规格为Φ75×1500mm，该阳极在土壤及淡水环境中的最大额定输出电流为≤50A/㎡,即2.5A/支。

本项目阴极保护站设计计算阴极保护系统的单支阳极输出电流分别是0.41A，远远小于最大额定输出电流 2.5A，而该阳极在推荐的电流密度下（≤50A/㎡,土壤及淡水环境），可保证其使用寿命大于30年。

硅铸铁阳极化学成分见表1:表1 高硅铸铁阳极化学成分 (%)高硅铸铁阳极的允许电流密度为50A/m2，消耗率应小0.5kg/(A·a),其规格见表2:5.2.6制电流阴极保护系统的电源功率计算考虑实际中阳极地床接地电阻、防腐层绝缘电阻及回路电阻的变化,可选用的恒电位仪规格为40V，30A。

5.3阴极站的设置根据管道分布的实际环境及现场勘测的结果，本项目设计1座阴极站位于拟建门站内，在阳极地床附件建设阴极保护控制间（阴极保护控制间面积≥10平方米，阴极保护控制间要求通风良好），便于恒电位仪的维护管理及长时间安全稳定运行。

5.4阳极床分布位置设计在本项目设计中，在阴极站设置一处浅埋阳极地床。

阳极地床需位于管道一侧的空地，阳极地床位置与管道的距离根据场地条件尽可能远。

在阴极通电点上部设置标示桩，这些标识桩的设置是为了保障阴极保护系统安全运行，为以后对阴极保护系统进行管理提供充足的信息。

5.5参比电极的选择及阴极保护电位监控设计参比电极是恒电位仪的监控信号源，可以将阴极保护的电位信息传送给恒电位仪，恒电位仪再做出相应的输出调节，从而达到监测阴极保护效果的目的。

长效饱和Cu/CuSO4参比电极在土壤中使用时具有稳定，寿命长等优点，因此，本设计选用长效饱和Cu/CuSO4参比电极作为阴极保护系统通电点的控制参比电极，同时用于土壤中的管道的电位监测，汇流点的参比电极提供管道的阴极保护给恒电位仪。

5.6阴极保护系统的组成在本方案中，每座阴极站有以下四个主要组成部分：1）提供保护电流的站内设备（1套恒电位仪，一用一备一体化机）；2）阳极地床（1处浅埋阳极，1根测试桩）3）通电点（阴极保护通电点及参比电极的设置，包括1支长效参比电极，1支通电点标示桩）；4）阴极保护电源与管道之间的阴极汇流电缆，以及阴极保护电源与阳极地床测试桩之间的阳极主电缆（包含阳极电缆标示桩、阴极电缆标志桩及转角桩）。

6、阴极保护系统仪器和材料6.1 阳极地床阳极地床是构成阴极保护回路的主要装置，长期埋在地下与土壤电解质接触，处于电解状态。

本设计选用高硅铸铁阳极，共20支高硅铸铁阳极。

6.2 阴极保护电缆本工程中根据不同的连接位置和用途选择不同横截面积的电缆进行连接。

阴极保护系统的阳极主电缆、阴极主电缆和参比电缆均选用铠装电缆，电缆选用情况及数量根据现场情况待定。

6.3 阴极保护恒电位仪6.3.1环境条件工作温度：－15℃～＋45℃；储存环境温度：－40℃～＋55℃；相对湿度：20％～90％RH；大气压力：86KPa～106Kpa；使用电源：交流单相AC220V±10％50Hz±10％；绝缘电阻：仪器的电源进线相对机壳的绝缘电阻不小于10MΩ。

抗电强度：仪器的电源进线对机壳能承受1500V（有效值），50Hz的试验电压，历时1min不出现闪络和击穿。

仪器额定输出电压和输出电流系列额定输出电压：40V；额定输出电流：30A；输出电压、输出电流范围：输出电压的可调范围不窄于1%额定输出电压，输出电流的可调范围不窄于1%额定输出电流。

额定输出值可根据用户要求而定。

软启动：仪器具有软启动功能；开机时，输出电流缓漫增加，直至达到预控值，无冲击电流现象。

6.3.2运行模式手动调节运行模式、恒电位运行模式、恒电流运行模式。

手动调节运行模式：手动连续可调。

恒电位运行模式：恒电位控制范围可在0.000mV～－3000mV范围内连续可调。

恒电位精度：不大于5mV。

保护电位漂移：仪器在额定状态下连续工作24h，保护电位值变化不大于5mV。

当参比电极失效或仪器内部自控线路损坏等原因使仪器不能恒电位时，仪器自动切换至恒电流工作状态。

可手动调节输出的恒电流值。

恒电流设定范围：恒电流方式工作时，控制电流可在1%～100%额定输出的范围内连续可调。

恒流精度优于2﹪。

参比输入阻抗：输入阻抗大于1MΩ电位误差报警功能：当保护电位偏离控制电位30 mV～100 mV时，仪器能声光报警。

负载特性：当负载变化时（最小值不小于1/3R dN），保护电位值的变化小于5mV，R dN为额定负载电阻。

过流保护当输出电流为102％～110％额定输出电流值时，仪器自动进入限流工作状态，并发出声光报警。

当过流时间超过20秒后，仪器自动切换至恒电流工作状态。

仪器在电源输入端和输出端装有熔断器，当出现输出过载或短路时，切断电源。

断电测试功能具有手动控制和远程控制两种控制阴极保护工作状态的功能，即连续供电工作状态和测试期间间歇供电（通12S，断3S）工作状态。

手动断电测试，通过开关选择，仪器进入间歇供电测试状态，通12秒、断3秒。

在测试期内，输出电流中断3S不报警，从断转通状态时不得出现电流冲击现象。

测试功能仪表采用精度为±0.5％的数字表，可分别测量输出电压、输出电流、管地(保护)电位。

可监测交流输入电压。

6.3.3防雷保护仪器的输入、输出端装有防雷击保护电路，并符合IEC1024的规定。

7.3.4参比信号抗干扰能力抗交流干扰特性：在“参比电极”端子与“零位接阴”端子之间加入50Hz、30V干扰电压，保护电位值的变化不大于5mV。

抗瞬间干扰：参比输入端瞬间承受1000V过电后，仪器仍能正常工作。

7.3.5电源输入特性电网电压在AC220V±10％50Hz±10％范围内变化，保护电位值的变化小于5mV。