深井阳极设计及安装指南

 

深井阳极设计及安装

 

冯洪臣 

黄骅市科普防腐材料有限公司

简介

深井阳极是深度在 15
 米以下的竖直阳极。主要用作地表空间狭小或地表土壤电阻率

高的场合下的阴极保护系统阳极。采用深井阳极的优点之一是阳极距离被保护结构有一定 距离,使保护电流的分布更加均匀,另外,也会减小对其他埋地金属结构的腐蚀干扰。为 了便于阳极的安装,保证工程质量,近年发展的混合金属氧化物阳极串得到了广泛应用。 本文将对阳极串深井阳极的设计、选材、安装进行介绍。

 

 

1.    阳极串及电缆: 阳极串是将几支混合金属氧化物筒状阳极固定在一根阳极电缆上,混合金属氧化物阳

极具有不消耗、电流输出大、体积小、重量轻的优点。与之相对应的阳极电缆应耐侵蚀。 阳极工作时,阳极反应会产生氯气并使阳极电缆处于酸性介质中。因此,阳极电缆的绝缘 层要能够抵抗氯气的侵蚀。经常采用的阳极电缆绝缘层为 PVDF/HMWPE。截面积一般是

8 – 10 mm2。

 

 

2.    土壤电阻率 土壤电阻率在深井阳极设计中有很大的影响,它决定阳极的用量、阳极井的直径以及

深度、电源设备的功率等。一般将阳极位置选在土壤电阻率低、土质均匀的地点。电阻率 有两种方式获得,一是现场测试,二是利用现有的阴极保护系统进行估算。阳极的接地电 阻一般占系统电阻的 85%。 如果附近的阴极保护设施输出电压 40V, 电流 20A,则该系 统的电阻为 2  欧姆。阳极的接地电阻为 2x 0.85 = 1.7 ohm。 据此,可根据相应阳极地床 的电阻公式计算出土壤的电阻率。阳极接地电阻将直接影响系统的运营成本,一般来讲, 接地电阻不大于 0.5  欧姆。

 

 

3.    阳极井的尺寸 影响阳极接地电阻的主要因素是阳极井深度。考虑阳极井的直径时,应充分考虑到排

气管(25mm)、阳极以及电缆将占据相当的空间。因此,阳极井的直径一般不小于 200mm。 直径小于 200mm 时,应对阳极的安装进行严格控制,输出电流大时,应增大阳极井直径。

 

 

4.    回填料的电流密度 阳极井的尺寸不是随意确定的,它将受到一系列因素的影响。其中之一是填料与土壤

接触面上的电流密度。经验表明,对于回填料的电流密度要进行限制,其原因如下:

1)阳极与土壤之间必须保持一定的湿度,由于电渗透效应,阴极保护电流试图将水分 蒸干,其程度取决于土壤类型以及电流密度。

2)阳极反应消耗水分并产生气体,气体的积聚或阳极表面的干燥都会增大阳极的接地 电阻。气体的产生量直接与电流密度有关。

3)在特殊情况下,阳极与土壤接触面的温度会升高,这也会加快水分的蒸发速度,而 温度又和电流密度、土壤导热性以及阳极尺寸有关。

4)建议回填料电流密度按下表选取:

 

 

土壤类型

回填料电流密度 (A/m2)

非常干燥

1.08

干燥

1.61

半干 ( 在水位线以上)

2.15

潮湿 ( 处于地下水位以下)

3.22

开放式阳极井

4.95

 

填料电流密度确定后,就可以确定阳极长度了。阳极长度只能大于计算值。

 

 

5.    回填料的选择 使用填料的目的是减小阳极接地电阻、由于阳极反应转移到填料上,减小阳极的消耗、

减少气阻、保持阳极井的形状。因此,填料应具有低电阻率、小粒径以及高密度是很重要 的。回填料分为两类,即,石油焦碳以及冶金焦碳。建议采用石油焦碳,它是高温烧制成 的,具有良好的导电性和均匀性。建议将焦碳回填料用泵从阳极井底部打入井中。

回填料的指标:

 

电阻率

10 ohm.cm max

粒径

通过 200 – 20  号筛

含碳量

90% min

密度

1120kg/m3

 

采用低电阻率填料将减少阳极用量,在同一地质条件以及阳极井尺寸情况下,填料电

阻率低,阳极间距增大,填料电阻率高,阳极间距减小。尽管厂家声称的填料电阻率会很 低,但考虑到实际安装阳极时,阳极的密实程度、水含量等不确定因素,设计时,填料电 阻率最小取 2.0  ohm.cm。填料颗粒最好是球形,这种形状易于回填和压实。另外,为了补 充阳极工作时对填料的消耗,填料长度一般要低于最下面的阳极 3  米, 高于最上面的阳 极 3 
米。

6.    排气管 采用排气管的目的除了排除气体,减小气阻外,它还可以用来散发热量、回注水。安

装阳极时,可以利用排气管辅助阳极安装。排气管上的小孔或狭缝要小于填料粒径以防止 被填料或淤泥堵塞。推荐排气管直径为 25mm,填料柱以上的排气管没有钻孔或狭缝。

 

 

7.    定位器 使用定位器的目的是保证阳极处于填料的中心部位。填料密实以及阳极工作后,定位

器将很快腐蚀掉。一般一根阳极安装两个定位器。

 

 

8.     阳极串配重

        了使极串顺的下到阳极的底部在阳串底部连接个重物通常是混

凝土重块,重量在 5–7  公斤之间。将此重物用塑料绳与阳极串底部连接,距离底部阳极 下端 3 米。 当采用复式阳极电缆时,重块与阳极电缆折弯处连接,距离底部阳极下端 3–4 米。

9.    套管 套管不仅为阳极井提供支撑作用,方便阳极串安装,同时可以限制阴极保护电流从近

地表释放。套管的长度、材质、高出地表的距离都取决于阳极井类型以及土质条件。

10. 
 不导电填料 采用不导电填料的目的是减小阴极保护电流在近地表处释放。通常用砾石、粗砂回填

阳极柱上方的阳极井。

11. 
 电源设备 计算出阳极的接地电阻后,就可以根据保护电流确定整流器的功率。需要注意的是阳

极接地电阻一般只占整个阴极保护系统电阻的 85%。处于焦碳回填料中的阳极具有 2  伏的 反电动势。选取设备容量时,还要予留 15%的裕量。当几个阳极井共用一台整流设备时, 要经过可调电阻将阳极电缆与设备连接。

12.   阳极的安装

1) 安装套管:打完阳极井后,首先安装
6  米的塑料套管。该套管位于阳极井顶部, 其直径要比阳极井大 5–6 厘米。建议将此套管留在阳极井中。

2) 井下试验:建议进行阳极井沿深度方向的电阻测试,以确定最佳阳极安放位置, 从而减小接地电阻。测量时,将阳极井充满水,测量辅助阳极与被保护结构之间 的电阻。

3) 阳极井清理:用清水将泥浆置换出。

4) 安装阳极:将排气管平放在地面上,将其底部封住。将阳极串靠近排气管平放, 排气管的下端部超出底部阳极下端 0.5 米。

5) 用塑料绳将配重块连接到最下部的阳极,距离阳极下端部 3  米。对于复式电缆的 阳极串,配重块连接到电缆上,距离底部阳极下端 3.5 米。

6) 将阳极串、排气管、电缆固定在一起。此时,在阳极上安装定位器。阳极电缆每 隔
2 米用胶带与排气管固定一次。固定阳极时,阳极距离排气管的距离为 5–7 厘 米。

7) 将填料注入管下放到阳极井底部,或在安放阳极串的同时下放注料管。下放阳极 串/排气管。阳极串定位后,迅速固定好阳极电缆。

8) 用泵将填料打入阳极井,此操作一旦开始,中途将不能停止,直到填料填充完毕。
从阳极井的底部注入填料,将避免产生孔隙、填压不实等问题出现。用粗砂或砾
石将填料上部的空间填满。

9) 高出地表的套管要加盖帽,盖帽下面的套管部分要钻出很多直径 6.35mm 的小孔, 以利于气体排放。

10)排气管上端要加盖滤帽,防止昆虫进入。

 

深井阳极在国内的应用还很有限,还没有积累足够的经验,本文仅供阴极保护设计以 及管理人员参考。

1998年10

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