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1應(yīng)用背景
西氣東輸管道工程采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方案，沿線陰極保護(hù)站的設(shè)置分布是根據(jù)陰極保護(hù)工藝計(jì)算確定的保護(hù)半徑、工藝站場(chǎng)和線路閥室的位置、經(jīng)濟(jì)的交流電源、日常管理、數(shù)據(jù)傳輸、檢修和維護(hù)的方便性等諸項(xiàng)因素后，本著盡可能將陰極保護(hù)站與工藝站場(chǎng)合建的原則；同時(shí)綜合考慮了工程建設(shè)周期的需要；設(shè)置陰極保護(hù)站處陽極地床的具體環(huán)境條件等因素后，確定應(yīng)在靖邊壓氣站設(shè)置一座陰極保護(hù)站。靖邊壓氣站作為需先期建設(shè)向上海供氣的東段管線的起點(diǎn)，在此建陰極保護(hù)站讓強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)盡早投運(yùn)是合理的，但安裝陽極地床的具體環(huán)境條件卻較復(fù)雜，現(xiàn)場(chǎng)的情況是：
（1）該區(qū)域是輸氣管線的樞紐，靖邊壓氣站位于靖邊天然氣凈化廠東北側(cè)，靖銀首站北側(cè)，匯集有從凈化廠到靖銀管線、靖西管線、陜京管線、長(zhǎng)呼管線及陜甘寧內(nèi)部集輸?shù)缺姸嗟倪M(jìn)站管線和出站管線地下管網(wǎng)密集、分布復(fù)雜。
（2）地形及地層巖性情況：靖邊壓氣站位于毛烏素沙漠南緣與陜北黃土高原北部接壤的過渡帶內(nèi)表層為帶狀沙丘與片狀沙丘構(gòu)成，地形較平坦；從地表到-21.5m均為細(xì)砂，下至45m未見巖石，為粉質(zhì)黃土；地下水位線隨季節(jié)不同在2.7～6m范圍內(nèi)變化；MAX冰土層深1.06m；水分析報(bào)告表明：pH值為8.02呈弱堿性，含cl-13.76mg／L、SO42- 16mg／L；即土質(zhì)在40m深范圍為干～稍濕性細(xì)砂或黃土。土壤電阻率高。
2設(shè)計(jì)方案
2．1地床方式的比較和確定
陽極地床是強(qiáng)制電流陰極保護(hù)站的主要組成部分，陰極保護(hù)設(shè)備對(duì)被保護(hù)管道的極化流由此進(jìn)入土壤，經(jīng)過土壤中水分及導(dǎo)電離子的傳導(dǎo)達(dá)到管道表面，構(gòu)成陰極保護(hù)的導(dǎo)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(yīng)埋設(shè)在冰土層以下，深井地床一般埋深15m以下。淺埋陽極地床具有施工費(fèi)用低，技術(shù)設(shè)備簡(jiǎn)單，維護(hù)管理方便等特點(diǎn)。深陽極地床用于對(duì)臨近金屬構(gòu)筑物可能產(chǎn)生干擾和地表土壤電阻率高的地區(qū)，比淺埋式遠(yuǎn)陽極地床的遠(yuǎn)地特性好，可提供沿被保護(hù)管線的電流分布并使電壓梯度變化減小。深井陽極地床有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）提供的電流分布比淺陽極地床均勻；
（2）對(duì)其他地下金屬結(jié)構(gòu)形成的陽極直流干擾比淺陽極地床低；
（3）比淺陽極地床受季節(jié)含水變化的影響小，接地電阻隨季節(jié)變化小。
根據(jù)靖邊站周圍管網(wǎng)密集及土質(zhì)狀況的具體特點(diǎn)，為避免對(duì)周圍管道產(chǎn)生直流干擾及降低陽極地床接地電阻，設(shè)計(jì)確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(duì)貴金屬氧化物管狀陽極串(繩式陽極)、分段預(yù)制封裝貴金屬氧化物陽極和分段預(yù)制封裝高硅鐵陽極等國(guó)內(nèi)外使用方式綜合比較后，考慮到靖邊站表層高土壤電阻率、細(xì)砂土質(zhì)的具體特點(diǎn)，為保證填料合理密實(shí)度及現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量，延長(zhǎng)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(yù)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(yù)制式陽極體，陽極體位于地表16m以下，處于活性區(qū)內(nèi)的陽極地床長(zhǎng)度為24m，深陽極井非活性區(qū)用粒徑為16--32m的卵石回填；井口安裝7m長(zhǎng)的護(hù)井套，上部設(shè)水泥套管做維護(hù)灌水及深井陽極和陽極主電纜走向標(biāo)識(shí)用；陽極體內(nèi)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；每組陽極體內(nèi)的鎧裝陽極引出電纜穿?63的排氣管后，均引至地表凍土層以下與陽極主電纜分別相連接，并采用兩個(gè)電纜用熱收縮套將絕緣層與鎧裝分層密封絕緣。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)SY／T0096—2000(強(qiáng)制電流深陽極地床技術(shù)規(guī)范》及NACER0572—2o01《外加電流深地床的設(shè)計(jì)、安裝、操作與維護(hù)》。
2．2．2分段預(yù)制式陽極體材料要求
(1)陽極組合體：外徑219、長(zhǎng)6m的鋼套管(20#鋼)；每組陽極體內(nèi)串接有3支采用以鈦為基體材料，表面覆蓋貴金屬氧化物組成的鈦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(zhǎng)度：1000mm；執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：AM13338鈦(或GB／T3620TA2)；氧化膜：IrO／TaO(氧化銥／氧化鉭)。
(3)陽極體應(yīng)采用：在工廠預(yù)先封裝，貴金屬氧化物陽極周圍應(yīng)填充高純度、低阻抗碳素填料，填充應(yīng)密實(shí)。電纜在陽極筒內(nèi)連接，接觸電阻小于0．005Ω。陽極體電纜引線應(yīng)按井深、組數(shù)要求確定的引線長(zhǎng)度組裝，陽極兩端與電纜的密封頭應(yīng)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(zhǎng)期腐蝕。
(4)陽極體結(jié)構(gòu)應(yīng)有良好的排氣措施，并應(yīng)安裝專門的排氣管及保證現(xiàn)場(chǎng)準(zhǔn)確定位方便、定位準(zhǔn)確，及防止氣阻的發(fā)生。
3解決的技術(shù)問題
與淺埋式地床相比深陽極地床由于現(xiàn)場(chǎng)施工較復(fù)雜，維護(hù)更換不易，因此合理解決現(xiàn)場(chǎng)施工安裝的方便性，把陽極妥善放置到設(shè)計(jì)深度，使現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量易保證；延長(zhǎng)使用壽命，使其設(shè)計(jì)壽命與被保護(hù)體的壽命相匹配；以防高硅鐵陽極式深井陽極由于尖部效應(yīng)或縮頸效應(yīng)及產(chǎn)生氣阻等原因，而出現(xiàn)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(duì)周圍地下金屬構(gòu)筑物不會(huì)造成直流雜散電流干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
陽極體內(nèi)串接的鈦鍍貴金屬氧化物陽極，耐酸性環(huán)境作用，在土壤中具有的電化學(xué)活性及電化學(xué)穩(wěn)定性。經(jīng)相關(guān)部門的試驗(yàn)，作為土壤中外加電流保護(hù)用輔助陽極時(shí)，在陽極工作電流密度為100A／m2條件下，無論運(yùn)行時(shí)在陽極表面發(fā)生的是析氣反應(yīng)，還是析氯反應(yīng)，都沒有因?yàn)橥临|(zhì)酸化，工作條件變得苛刻而降低其電化學(xué)性能。同時(shí)具有很低的消耗速率，消耗率低于6mg／A·a，電流密度和消耗率指標(biāo)均遠(yuǎn)優(yōu)于高硅鐵陽極，設(shè)計(jì)壽命不低于30a。
3．1．2縮頸效應(yīng)和尖端效應(yīng)
高硅鈦陽極壽命短、提前失效的主要原因之一是尖部效應(yīng)或縮頸效應(yīng)，即在電纜接頭處的頸部和陽極尾部的排流密度大，加之高硅鐵陽極的電纜接頭不易處理好，會(huì)發(fā)生斷線導(dǎo)致陽極失效現(xiàn)象貴金屬氧化物陽極則采用了不同的結(jié)構(gòu)與規(guī)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輕(約2kg)，具有抗氯氣腐蝕性能的電纜本身可以承受陽極的重量，消去了高硅鑄鐵陽極所存在的尖部效應(yīng)。
3．2氣阻問題
氣阻也常常是導(dǎo)致深井陽極報(bào)廢的原因，在工廠分段預(yù)制的陽極體安裝有專門的3排氣管，封裝結(jié)構(gòu)上特地留出了空間，保證各組間及與上部排氣管定位準(zhǔn)、現(xiàn)場(chǎng)連接方便，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加大長(zhǎng)度，同時(shí)采用導(dǎo)電性能良好的低阻抗碳素填料，加上保證與鈦鍍貴金屬氧化物陽極間緊密填充來達(dá)到的，靖邊陰極保護(hù)站深井陽極所采用的低阻抗碳素填料，其主要性能指標(biāo)：含碳量>97％、電阻率<0.03Ω·cm，遠(yuǎn)優(yōu)于SY／T0096—2000{強(qiáng)制電流深陽極地床技術(shù)規(guī)范》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(zhì)基本為細(xì)砂，鉆進(jìn)后易產(chǎn)生塌方，因此要求現(xiàn)場(chǎng)施工安裝中縮短時(shí)間盡快完成安裝工藝。由于采用了分段預(yù)制的結(jié)構(gòu)和組合組裝工藝，在工廠預(yù)制中時(shí)間從容，可以控制單段的裝配尺寸精度、填料的密實(shí)度、排氣管及貴金屬氧化物陽極的固定定位以及保護(hù)陽極表面氧化物燒結(jié)層等關(guān)鍵工藝，陽極體質(zhì)量易保證。除鉆孔、固井、洗井外，施工現(xiàn)場(chǎng)的陽極下井就位安裝工藝相對(duì)簡(jiǎn)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(xiàn)場(chǎng)施工操作方便，整體質(zhì)量易控制。
4使用效果
(1)靖邊陰極保護(hù)站深井陽極已于2003年9月投運(yùn)，2004年8月陰極保護(hù)站運(yùn)行參數(shù)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(dǎo)電性好土壤區(qū)域，能達(dá)到如此效果，說明陽極體結(jié)構(gòu)合理，既降低了陽極接地電阻，又縮小了輔助陽極的占地范圍，此種陽極結(jié)構(gòu)適合于沙化地的接地體設(shè)計(jì)。
