Анодное заземление

Лекция №11. Анодное заземление Уведомление о Правах: Этот документ и его переводы могут быть скопированы и предоставлены только в образовательных целях, и только в данном университете. Производные работы, которые комментируют или иным образом объясняют его, могут быть подготовлены, скопированы, опубликованы и распространены, полностью или частично, без каких-либо ограничений. Однако этот документ не может быть изменен каким-либо образом, за исключением необходимости улучшения. Введение        К анодному заземлению предъявляется ряд требо­ваний: минимальное переходное сопротивление растеканию тока; наименьшие габаритные размеры; наиболее долговечный и недефицитный материал; простота установки; длительность службы при минимальных восстанови­тельных работах; наименьшая стоимость. 2 Материал анодного заземления  Принципиально заземлитель может быть изготовлен из любого токопроводящего материала (металла, гра­фита, угля и т. п.), но наибольшее распространение по­ лучили заземлители из черных металлов, особенно из стали. Это объясняется тем, что в практических усло­виях почти всегда можно найти старые трубы, рельсы, уголки и т. п. и использовать их для анодных заземле­ний. Заземлители из черного , металла сравнительно быстро разрушаются проходящим током за счет высоко­го электрохимического эквивалента (9- 10 кг/(A*год)), но форма и механическая прочность этих изделий обыч­но позволяют легко устанавливать их в почву.  Для снижения потерь металла анодные заземления устанавливают в неагрессивные электропроводящие за­сыпки из измельченной и утрамбованной коксовой или угольной крошки. В некоторых случаях применяют от­ходы электродного производства — графитовую крошку и шлак. Стекание электрического тока в грунт с прессо­ванной коксовой засыпки (рис. 32) не вызывает раст­ворения поверхности засыпки. 3 Материал анодного заземления  Характер электрохимических процессов, протекающих на поверхности анодного заземлителя, зависит от количества влаги в приэлектродном слое заземлителя, определяемого влажностью грунтов. В засыпке не должно быть свободного почвенного электролита. В противном случае на поверхности заземлителя появляется ток ионной проводимости и стальной электрод начинает усиленно разрушаться (рис. 32, в, г). По этой причине в грунтах повышенной влажности применение коксовой засыпки неэффективно. Здесь стальные электроды разрушаются с той же скоростью, что и без засыпки.  Для влажных и маловлажных грунтов интенсивность разрушения стальных электродов в коксовой засыпке определяется электрохимическим эквивалентом для ста­ли в коксе, который в 5—38 раз ниже, чем для стали в грунте в зависимости от плотности анодного тока. 4 Материал анодного заземления  Для обеспечения одинаковой плотности тока и равномерного износа по всей поверхности анодного заземли­теля необходимо создать равномерную толщину и сте­пень утрамбовки засыпки. Ручным способом в траншее этого достичь практически не удается. 5 Материал анодного заземления  Для индустриа­лизации монтажа анодных заземлителей в коксовой засыпке применяют анодные заземлители (ЗЖК-12-КА и ЗЖК-41г-КА), отлитые из железокремнистых чугунов типа ферросилид и упакованные в прессованную коксо­вую мелочь, которая заключена в кожух из кровельного железа. Такие электроды не следует применять в грунтах повышенной влажности, так как в этих условиях применение коксовой засыпки неэффективно и потери массы электрода резко возра­стают. В своё время был создан анодный заземлитель АКЦ, предназначенный для установки в грунтах повышенной влажности (в болотах, поймах рек и на водных переходах трубопроводов). Он представляет собой комплектную конструкцию и состоит из стального электрода диаметром 50 мм, длиной 1700 мм, массой 26 кг и из коксового наполнителя на цементном связующем с добавкой 5% нитрита натрия. К стальному электроду подключается изолированный проводник. Коксовый наполнитель имеет сечение 150 X 150 мм. Электрохимический эквивалент такого заземлителя 0,4— 1,8 кг/(А • год). 6 Материал анодного заземления  Для болотистых и обводненных грунтов были разработаны анодные заземлители АК1 (в грунтах низкой и средней коррозионной активности) и АК-3 (в грунтах повышенной и высокой коррозионной активности). Для устройства глубинных анодных заземлителей разработаны заземлители АК-1Г и АК-2Г.  Анодные заземлители типа АК (табл. 18) представ­ляют собой комплектную конструкцию, состоящую из металлического электрода (стального или железокрем­ нистого) и спрессованного коксового наполнителя с ин­гибитором. 7 Конструкция поверхностного анодного заземления  Поверхностное анодное заземление сооружается из отдельных заземлителей в трех вариантах: горизонталь­ном, вертикальном и комбинированном. 8 Горизонтальное заземление  Горизонтальное заземление выполняется из несколь­ких электродов (труб, рельсов, полос), закладываемых на некоторую глубину в один или два ряда (рис. 33). Достоинства горизонтального заземления — доступность всех частей заземления для осмотра и сравнительно оди­ наковые условия их работы, а также сравнительная про­стота выполнения необходимых земляных работ. Однако под такие заземления требуются большие площадки. Пе­реходное сопротивление горизонтальных заземлений сильно зависит от атмосферных осадков. 9 Вертикальное заземление  Вертикальное заземление выполняется в виде одного /или нескольких вертикальных электродов, расположен­ных в один или два ряда на расстоянии 4—5 м друг от друга (рис. 34). Достоинства вертикальных заземле­нии — меньшая зависимость переходного сопротивления от атмосферных осадков и меньшие размеры площадки под них. 10 Комбинированное заземление  Комбинированное заземление состоит из вертикальных и горизонтальных заземлителей. При этом удается получить наименьшее сопротивление растеканию тока при наименьших размерах площадки. Комбинированное заземление обычно выполняется из вертикальных заземлителей, забитых в ряд или по контуру, соединяемых по 0 верху одной или несколькими горизонталями (рис. 35). 11 Влияние глубины заложения на сопротивление растеканию тока с вертикальных заземлителей  С увеличением длины вертикальный заземлитель на­чинает работать вовсе более стабильных условиях влажности. Для вертикального заземлителя очень важно, чтобы значительная часть его работала в условиях по­стоянной влажности, что обычно наблюдается на глубине 2 —2,5 м. На этой глубине влажность почвы относительно стабильна в течение всего года и, кроме того, на эту глубину в обычных условиях не распространяется про­мерзание. Как показывают эксперименты по измерению переходного сопротивления трубчатого вертикального заземлителя в зависимости от глубины заложения, наи­более целесообразной можно принять глубину заложения 2—3 м. 12 Влияние подсоливания грунта на переходное сопротивление заземлителя  Для заземления стремятся найти вблизи трассы защищаемого сооружения площадку с наименьшим удельным электрическим сопротивлением (не выше 10 Ом • м), но поскольку почву с таким сопротивлением не всегда удается найти, часто его снижают искусствен­но. Наиболее распространенный способ искусственного снижения сопротивления — подсоливание, которое, кроме того, понижает температуру замерзания окружающей влаги. Обычные способы подсоливания заключаются в следующем.  При первом способе роют шурф глубиной, равной одной трети длины заземлителя, и диаметром 500 мм. В дно шурфа на требуемую глубину забивают заземлитель, а вокруг него насыпают вперемежку слои соли и земли (1—2 см). Каждый слой поливают водой (1—2 л па 1 кг поваренной соли). 13 Влияние подсоливания грунта на переходное сопротивление заземлителя  При втором способе подсоливания в заземлителе-трубе сверлят отверстия диаметром 10 мм, располагаемые в шахматном порядке (по 6 отверстий на каждые 20 см длины заземлителя). После забивки заземлителя на нужную глубину внутрь трубы заливают раствор поваренной соли (1 кг соли на 1—2 л воды). Раствор про­сачивается через отверстия в почву и, подсаливая ее, снижает сопротивление растеканию тока с заземлителя. Установлено, что при подсоливании таким способом суглинков сопротивление заземлителя снижается в 1,5 раза, супесей — в 2 раза и песков — в 2,5 раза. 14 Глубинные анодные заземления   В настоящее время наряду с анодными заземлениями поверхностного типа широкое распространение получили глубинные анодные заземления, применение которых во многих случаях позволяет более эффективно защитить подземные трубопроводы на территориях промышленных площадок нефте-, газопроводов и нефтебаз. В этих усло­виях применение поверхностных заземлений затруднено из-за экранирующего влияния подземных трубопроводов, расположенных ближе к заземлителю, на эффект защиты более удаленных трубопроводов подземной сети. Материалами для сооружения глубинных анодных заземлений могут быть сталь, электротехничес­кий уголь, графит, железокремнис­тые чугуны. От вида материала за­висят диаметр скважины и длина рабочей части заземления. 15 Глубинные анодные заземления   Эффективность применения той или иной конструкции глубинного анодного заземления определяется технико-экономическим сравнением различных вариантов. Многочисленные конструкции глубинных анодных заземлений (рис. 36) можно охарактеризовать следующими общими положениями: при бурении скважина обсаживается стальной трубой диаметром 168-273 мм; бурение производится на глубину 80-100 м. 16 Глубинные анодные заземления   Внутрь скважины опускается труба диаметром 50—80 мм, которая не доходит до поверхности земли на 30 м. внутренняя труба собирается из отдельных секций длиной 6- 10 м, которые свариваются между собой; электрический кабель, как правило, присоединяют в двух местах внутренней трубы: на забое и в верхнем оголовке; иногда катодная станция соединяется кабелем с каждой секцией внутренней трубы; вместо стальной внутренней трубы можно использовать графитовые стержни диаметром 80 мм и длиной 1,25 м, которые свинчиваются между собой, или электроды из железо­ кремнистого чугуна, в последнем случае катодная станция соединяется кабелем с каждым электродом или с их группой; 17 Глубинные анодные заземления   пространство между внутренней трубой (или элек­тродами) и наружной (обсадной) трубой заполняют коксовой мелочью или коксобетоном следующего состава (массовая доля в % ): коксовая мелочь — 65, цемент — 33, нитрит натрия — 2, вода — 20 (от массы компонен­тов); иногда вместо коксобетона применяют обычный цементный раствор. Условие эффективной работы глубинного анодного заземления — расположение его в слое грунта с высокой электропроводностью, над которым расположен гори­зонт с весьма малой электропроводностью. Такую инфор­мацию можно получить из анализа геоэлектрического разреза. 18 Расчёт анодного заземления    Сопротивление растеканию тока с комбинированного анодного заземления определяют по формуле где RB — общее сопротивление растеканию тока с верти­кальных электродов с учетом экранирования, Ом; RГ — то же, для горизонтальной шины, Ом; RH — сопротивление растеканию тока с одиночного вертикального электрода, Ом; n — число вертикальных электродов; η — коэффициент экранирования верти­кальных электродов (выбирается по таблицам в зависи­мости от числа электродов, их размеров и отношения расстояния между электродами к их длине); 19 Расчёт анодного заземления   RГ — сопротивление растеканию горизонтальной шины, Ом; ηГ коэффициент экранирования горизонтальной шины (выбирается по таблицам). Сопротивление растеканию одиночных вертикальных электродов и горизонтальных шин определяется по рас­четным формулам, представленным в справочной лите­ратуре. 20 Расчет срока службы анодного заземления  На основании закона Фарадея срок службы анодно­го заземления (в годах), установленного в грунт, опре­деляется по формуле  где G — общая масса рабочих электродов заземления, кг; q электрохимический эквивалент материала элек­тродов, кг/(А • год); Iдр — сила тока в цепи СКЗ, А. 21 Расчет срока службы анодного заземления  Практика эксплуатации установок катодной защиты, а также специальные исследования показали, что срок службы анодных заземлений, установленных непосред­ственно в грунт, мало зависит от плотности тока, расте­кающегося с заземления. Однако при плотности тока выше 10 А/м2 возможно образование на поверхности электродов слоя продуктов коррозии высокого сопротив­ления, что потребует увеличение напряжения, а следова­тельно, и потребляемой мощности СКЗ.  Если стальные электроды установлены в коксовую мелочь, данное явление не наблюдается, т. е. такие анод­ные заземлители работают стабильно и не требуют за­метного изменения напряжения СКЗ (в пределах плот­ности тока 10— 14 А/м2). Кроме того, установлено, что при использовании коксовой засыпки (рис. 37) анодное разрушение заземлителей заметно снижается. 22 Расчет срока службы анодного заземления    Срок службы анодного заземлителя (в годах), смон­тированного из стальных электродов и установленного в коксовую засыпку, можно определить по формуле где Кр— коэффициент снижения разрушения анодов (см. рис. 37) в зависимости от плотности тока I (в А/м2); где Sа — суммарная поверхность рабочих электродов анодного заземления, м2. 23 Расчет срока службы анодного заземления  Из графика на рис. 37 следует, что наиболее эконо­мичным режим работы анодного заземления СКЗ, вы­полненного из стальных электродов, установленных в коксовую мелочь, будет при i = 6-8 А/м2. Исходя из этого для одиночного упакованного заземлителя АК-1 наибольший срок службы может быть достигнут при силе тока защиты 1,3— 1,7 А. 24 Расчет срока службы анодного заземления  Число комплектных электродов, необходимых для обеспечения наибольшей продолжительности работы анодного заземления, можно определить по формуле  Определение числа электродов анодного заземления можно также решить как технико-экономическую задачу минимизации приведенных затрат П на сооружение и эксплуатацию анодного заземления:  где Э — расходы, связанные с эксплуатацией анодного заземления, тг/год; К — капитальные затраты на соору­жение анодного заземления, тг.; е — нормативный ко­эффициент эффективности капитальных вложений (для предприятий нефтяной промышленности е = 0,121/год). 25 Расчет срока службы анодного заземления   Эксплуатационные расходы слагаются из оплаты электроэнергии Эл, затрачиваемой на преодоление со­противления растеканию тока с анодного заземления, и амортизационных отчислений при эксплуатации заземле­ний Ам= σК (здесь σ — общая норма амортизационных отчислений по основным фондам; для электрохимической защиты в нефтяной промышленности σ = 0,148 1/год). Окончательно выражение для приведенных затрат 26 Расчет срока службы анодного заземления     Расходы, связанные с оплатой электроэнергии (в тг/год), определяются по формуле где Сэ — стоимость электроэнергии, тг/(кВтч); R1 — сопротивление растеканию тока одиночного электрода, Ом; τ — время работы СКЗ в году, ч/год; η — к. п. д. катодной установки; n — число параллельно соединен­ных электродов в анодном заземлении; ηв — коэффи­циент экранирования электродов при выбранном рас­стоянии между ними. Капитальные затраты (в тг.) на сооружение анод­ного заземления де Са — стоимость установки анодного электрода, тг 27 Расчет срока службы анодного заземления  Задача минимизации приведенных затрат (103) с учетом выражений (104) и (105) имеет решением опти­мальное число электродов 28