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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(yáng)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(yáng)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(guò)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(jiàn)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(yáng)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(guò)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極地床有以下優(yōu)點(diǎn)：
（1）提供的電流分布比淺陽(yáng)極地床均勻；
（2）對(duì)其他地下金屬結(jié)構(gòu)形成的陽(yáng)極直流干擾比淺陽(yáng)極地床低；
（3）比淺陽(yáng)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?chē)芫W(wǎng)密集及土質(zhì)狀況的具體特點(diǎn)，為避免對(duì)周?chē)艿喇a(chǎn)生直流干擾及降低陽(yáng)極地床接地電阻，設(shè)計(jì)確定采用深陽(yáng)極地床方案。深陽(yáng)極地床分閉孔法和開(kāi)孔法兩種，在對(duì)貴金屬氧化物管狀陽(yáng)極串(繩式陽(yáng)極)、分段預(yù)制封裝貴金屬氧化物陽(yáng)極和分段預(yù)制封裝高硅鐵陽(yáng)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(yáng)極地床接地電阻，采用了閉孔法方式，陽(yáng)極采用分段預(yù)制式貴金屬氧化物陽(yáng)極。
2．2深陽(yáng)極地床
2．2．1深陽(yáng)極的安裝
深陽(yáng)極地床井深40m，采用閉孔陽(yáng)極地床，共安裝4組在工廠封裝好的分段預(yù)制式陽(yáng)極體，陽(yáng)極體位于地表16m以下，處于活性區(qū)內(nèi)的陽(yáng)極地床長(zhǎng)度為24m，深陽(yáng)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(yáng)極和陽(yáng)極主電纜走向標(biāo)識(shí)用；陽(yáng)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(yáng)極體內(nèi)的鎧裝陽(yáng)極引出電纜穿?63的排氣管后，均引至地表凍土層以下與陽(yáng)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(yáng)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(yáng)極體材料要求
(1)陽(yáng)極組合體：外徑219、長(zhǎng)6m的鋼套管(20#鋼)；每組陽(yáng)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(yáng)極。
(2)貴金屬氧化物陽(yáng)極；陽(yáng)極直徑：25mm；單支陽(yáng)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(yáng)極體應(yīng)采用：在工廠預(yù)先封裝，貴金屬氧化物陽(yáng)極周?chē)鷳?yīng)填充高純度、低阻抗碳素填料，填充應(yīng)密實(shí)。電纜在陽(yáng)極筒內(nèi)連接，接觸電阻小于0．005Ω。陽(yáng)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(yáng)極兩端與電纜的密封頭應(yīng)用可靠的密封形式，且能耐陽(yáng)極井中氯氣造成的酸性氣體的長(zhǎng)期腐蝕。
(4)陽(yáng)極體結(jié)構(gòu)應(yīng)有良好的排氣措施，并應(yīng)安裝專門(mén)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(wèn)題
與淺埋式地床相比深陽(yáng)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(yáng)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(yáng)極式深井陽(yáng)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(yáng)極地床提前失效；以及使陽(yáng)極地床有盡可能低的接地電阻和對(duì)周?chē)叵陆饘贅?gòu)筑物不會(huì)造成直流雜散電流干擾是主要解決的問(wèn)題。
3．1使用壽命
3．1．1電流密度和消耗率
陽(yáng)極體內(nèi)串接的鈦鍍貴金屬氧化物陽(yáng)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(mén)的試驗(yàn)，作為土壤中外加電流保護(hù)用輔助陽(yáng)極時(shí)，在陽(yáng)極工作電流密度為100A／m2條件下，無(wú)論運(yùn)行時(shí)在陽(yáng)極表面發(fā)生的是析氣反應(yīng)，還是析氯反應(yīng)，都沒(méi)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極尾部的排流密度大，加之高硅鐵陽(yáng)極的電纜接頭不易處理好，會(huì)發(fā)生斷線導(dǎo)致陽(yáng)極失效現(xiàn)象貴金屬氧化物陽(yáng)極則采用了不同的結(jié)構(gòu)與規(guī)格，陽(yáng)極電纜與陽(yáng)極采用中間電連接，陽(yáng)極電纜穿過(guò)管狀陽(yáng)極體，貫穿管狀陽(yáng)極體整體；加之單支陽(yáng)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(yáng)極的重量，消去了高硅鑄鐵陽(yáng)極所存在的尖部效應(yīng)。
3．2氣阻問(wèn)題
氣阻也常常是導(dǎo)致深井陽(yáng)極報(bào)廢的原因，在工廠分段預(yù)制的陽(yáng)極體安裝有專門(mén)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(guò)控制填充料的孔隙率，以減少氣阻。
3．3接地電阻
低的陽(yáng)極接地電阻是通過(guò)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(yáng)極間緊密填充來(lái)達(dá)到的，靖邊陰極保護(hù)站深井陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)極的固定定位以及保護(hù)陽(yáng)極表面氧化物燒結(jié)層等關(guān)鍵工藝，陽(yáng)極體質(zhì)量易保證。除鉆孔、固井、洗井外，施工現(xiàn)場(chǎng)的陽(yáng)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(yáng)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(yáng)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(shuō)明陽(yáng)極體結(jié)構(gòu)合理，既降低了陽(yáng)極接地電阻，又縮小了輔助陽(yáng)極的占地范圍，此種陽(yáng)極結(jié)構(gòu)適合于沙化地的接地體設(shè)計(jì)。
