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　　降阻劑專家淺談火力發電廠防雷接地設計方案第1部分降阻設計此處以某海邊火力發電廠為例。該廠主要由給排水系統、燃料煤場系統、熱力系統、動力系統、發電系統、變壓系統、控制系統、其它設施構成。整廠可供敷設地網面積約為150000m2土壤電阻率約為2000Ω.m而接地電阻要求≤0.5Ω有較大難度同時要保證地網使用壽命≥30年。由于該廠處于海岸區域土質一般為沙石其土壤電阻率較大同時海岸區域含鹽量極高腐蝕性強對地網和給排水系統兩道海下管道的使用壽命構成威脅所以選用抗腐蝕的接地材料和完善的陰極保護十分重要。11降阻思路。該項目土壤電阻率約為2000Ω.m要求接地電阻小于0.5歐姆難度較大。根據公式估算常規地網只能打到2.58Ω若靠傳統的接地材料只加密接地網格和增打普通垂直接地極是無法達到接地要求的必須采取高效的降阻材料此處采用了防雷行業接地通用的防腐離子接地體離子接地體的降阻性能優越設計上通過降低單套離子接地體的接地電阻的方式逐套進行優化然后在多個區域合理布置并聯同時通過水平地網與垂直深井的綜合降阻能力達到接地要求。由于電廠接地降阻技術已日趨成熟且應用廣泛降阻設計中包含的防雷接地均壓等詳細設計此處不再贅述。12防腐思路。1.2.1鋼材總設分析了當地土壤腐蝕的機理及防止接地網腐蝕的各種措施對接地網采用鋼導體、銅導體、鋅導體和犧牲陽極的陰極保護等防止腐蝕的方法進行了技術經濟比較。一般接地系統由金屬材料組成由于接地材料長期埋設在土壤中通常受到土壤的腐蝕和電氣排流造成的雜散電流的影響導致接地系統材料產生嚴重的腐蝕使接地材料截面減小薄、穿孔甚至斷開嚴重影響接地系統的熱穩定性和電氣的連續性給發電廠造成嚴重的安全隱患。據統計應用鍍鋅扁鋼和鍍鋅鋼管或角鋼的接地網一般接地網運行十年快的34年后都會產生嚴重的腐蝕而不得不更換使投資增數倍。傳統的接地裝置大多采用圓鋼、扁鋼、角鋼或鋼管等碳素鋼材。鐵是一種化學性質比較活潑的元素在常溫常濕的條件下就能與多種非金屬元素及鹽類發生化學反應會銹蝕和腐蝕。在一般的土壤中碳鋼的年平均腐蝕厚度在02mm左右在嚴重污染的環境中最大年平均腐蝕厚度達3mm。為減緩腐蝕速度多采用熱鍍鋅件鋅的抗腐蝕能力比鐵高在一般土壤中鍍鋅扁鋼埋于地下的平均腐蝕速度為0065mma但是我國的熱鍍鋅層厚度一般只有005006mm僅起到一年的保護作用。因此在強腐蝕性土壤介質中碳鋼接地網僅靠鍍鋅層來保護是遠遠不夠的所以選擇鋼材作為水平接地體在海邊火力發電廠接地中使用是不適宜的。1.2.2銅材與碳鋼相比多數有色金屬電阻值低且有較好的選擇性抗腐蝕能力。常用的有色金屬材料有銅、鋁、鉛、鋅等在接地材料中用得較多的是銅和鋅。其中銅在低濃度的NaOH、CO2、海水等環境中有較好的抗腐蝕能力常溫下年平均腐蝕厚度也不足001mm。但在該方案中如果地網大面積使用銅材如圖1區由犧牲陽極為管道提供保護2區為地網根據犧牲陽極保護法在被保護金屬上連接一個電位較負的金屬作為陽極它與被保護金屬在電解液中形成一個大電池。電流由陽極經過電解液而流入金屬設備并使金屬設備陰極極化而得到保護可知犧牲陽極為電位更負的金屬為管道提供保護但地網大面積使用銅網后2區地網的電位更正1區埋地鋼質管道和犧牲陽極一起就變成了2區整個地網的犧牲陽極這將加速埋地管道的腐蝕從而違背總設對給排水埋地管道進行防腐蝕保護的要求所以此處不可采用電位比鋼鐵更正的金屬材質作為大量使用的接地材料見下表1鐵的電位為-0.44比鐵電位更正的銅材不適合使用所以本工程不推薦采用銅材作為接地網的主材。表1:常用金屬材料的電極電位單位為V在溫度25℃以及與標準氫電極比較離子活性為1時元素符號電位差元素符號電位差鈣Ca-2.84鎳Ni-0.23鎂Mg-2.38錫Sn-0.14鋁Al-1.66銅Cu0.337錳Mn-1.05銀Ag0.80鋅Zn-0.763鉛Pb0.80鐵Fe-0.44金Au1.421.2.3鋅材:眾所周知鋅的導電率約為鋼的2倍鋅在高腐蝕地區的腐蝕率約為50微米鋅的電位為-0.763比鐵更負。作為導電材料鋅優于鋼材導電性能好電氣性能穩定作為防腐蝕材料3毫米厚的鋅線可以保持60年耐腐蝕年限長更重要的是鋅的電位比鐵更負大面積使用不會對整個電廠的埋地鋼質管網的使用壽命構成威脅是此類電廠設計中最理想的接地材料。其制造工藝為通過特殊加熱擠壓工藝將純鋅0鋅壓覆到低碳鋼上形成雙金屬復合導體。棒體內部無任何殘留物棒體表面經過防腐蝕處理從而克服了傳統扁鋼圓鋼接地的腐蝕造成的使用壽命短的問題。所以本方案選擇了ZSC16外徑為16mm鋅包鋼接地圓線鋅層厚度大于3毫米。垂直采用經過特殊防腐處理的厚度5mm的鋼質防腐離子接地體經防腐蝕計算材料使用年限都大于30年.1.3地網接地電阻的理論推算已知條件土壤電阻率ρ2000Ω.m接地電阻允許值R≤0.5Ω水平接地極采用200mm2鋅包鋼圓線垂直接地極采用ALG防腐離子接地體水平接地極的接地電阻R1ρ:土壤電阻率2000Ω·mS地網面積約為150000m2Lc:水平接地極總長度4300ma:埋設深度0.8mk1:比例系數1.05k2:比例系數4.9要達到0.5歐姆的接地電阻增加垂直接地極的接地電阻為R2:η利用系數0.95單套防腐離子接地體的接地電阻R3L:ALG防腐離子接地體的長度3.0mD接地極等效直徑0.20m垂直接地系統要達到0.58歐姆的接地要求需要垂直接地極的數目nALG防腐離子接地體的數量:根η多根垂直接地體利用系數0.85通過理論計算接地電阻值即可降到0.5Ω以下達到接地要求。由于地網建設中的諸多不可預知因素如果實測地網接地電阻不能達到要求則需增加垂直接地極數目或采取其他降阻措施。第2部分:陰保設計2.1陰極保護的概念:陰極保護是防止地下金屬結構物腐蝕的最為有效的方法。它是通過向被保護的金屬結構物表面通入足夠的陰極極化電流使金屬的電位向負的方向移動使之在電解質中難于失去電子從而使金屬的電化學腐蝕得到有效抑制。它是一種電化學防護方法和別的防腐手段不同的是它是通過對腐蝕反應進行積極的干預從根本上抑制電化學的腐蝕的發生因而保護效果徹底和有效。陰極保護分為犧牲陽極和外加電流陰極保護兩種。2.2陰極保護方法的選擇:犧牲陽極保護法是在被保護金屬上連接一個電位較負的金屬作為陽極它與被保護金屬在電解液中形成一個大電池。電流由陽極經過電解液而流入金屬設備并使金屬設備陰極極化而得到保護。外加電流陰極保護系統由直流電源、輔助陽極地床和參比電極等組成。依靠外加直流電源的電流來進行極化使金屬腐蝕減緩。輔助陽極的作用是將電源提供的直流電經由介質傳送到被保護的結構物上去。2.3犧牲陽極法與外加電流法的技術特點比較無論是外加電流法還是犧牲陽極法均可以對被保護結構物實施完全保護但由于提供電流的方法不同兩種方法又各有其特點。目前這兩種方法均已得到廣泛應用。根據需要和特點在某種場合下可能采用犧牲陽極更合適而在另一場合則采用外加電流法更有利。所以根據保護對象所處的環境及當地條件進行保護方法的合理選擇是很有必要的。表2列出了這兩種方法的比較。表2犧牲陽極系統及外加電流系統的比較犧牲陽極系統外加電流系統1不需外電源2由于輸出的電流有效只用于覆蓋層良好的結構或局部性保護3安裝較為簡單4要用手提式儀表對每個陽極或相鄰兩價目陽極之間進行檢測5要用許多陽極6對鄰近的結構物很少有影響7電流輸出不能控制但有自動調節傾向如果條件改變使電位變正故電動勢增大因而電流增大涂層不易損壞8大塊陽極會阻礙水流引起湍流對循環水造成阻力9可用螺栓或焊接方法直接固定在被保護表面上而不必開孔10鐵腳受陰極保護11不可能接錯所以極性不會變換。12適用于簡單的單一的地下結構物陰極保護1需要外電源2輸出的電流較大可用于大型的無覆蓋層結構3設計要小心雖然電流輸出容易調節4檢測點較少儀表安裝在電源處易于觀察5所需的陽極數量一般很少6對鄰近的結構物有影響但容易排除7不論外界條件如何變化均可自動控制電位8可用小型的陽極阻力可忽略9在被保護結構物上要開孔10至電源正極的導線必需很好絕緣否則會遭受土壤或水的腐蝕11使用時要核對極性因為接錯后極性變換能加速腐蝕12適用于地下結構復雜的區域性保護從上面分析可以得出犧牲陽極陰極保護適合于保護碳鋼接地系統。而且犧牲陽極法與外加電流法比較犧牲陽極法一次性投資較大運行維護工作量小。外加電流法一次性投資較小運行維護工作量較大運行時需要用電后期投入較大。綜上所述對該電廠工程采用犧牲陽極陰極保護方案。2.4犧牲陽極材料的選擇:2.4.1作為犧牲陽極材料應該具備下列條件①陽極的電位要負即它與被保護金屬之間的有效電位差即驅動電位要大電位比鐵負而適合做犧牲陽極的材料有鋅基包括純鋅和鋅合金、鋁基及鎂基三大類合金。②在使用過程中電位要穩定陽極極化要小表面不產生高電阻的硬殼溶解均勻。③單位重量陽極產生的電量大即產生1A時電量損失的陽極重量要小。三種陽極材料的理論消耗量為鎂為0.453g/Ah鋁為0.335g/Ah鋅為1.225g/Ah。④陽極的自溶量小電流效率高。由于陽極本身的局部腐蝕產生的電流并不能全部用于保護作用。有效電量的理論發生電量中所占的百分數稱為電流效率。三種犧牲陽極材料的電流效率為鎂5055鋁8085鋅9095。⑤價格低廉來源充分無公害加工方便。下面分別對鋅基、鋁基及鎂基三大類合金犧牲陽極作簡單介紹其性能對比見表3。陽極種類性能鋅陽極ZnAlCd鋁陽極AlZnInCd鋁陽極AlZnSnCd鎂陽極MgAlZn成分/Al0.30.6Zn0.0250.1Fe0.005Zn2.5In0.02Cd0.1Zn5Sn0.5Cd0.1Al6Zn3比重/gcm37.132.913.021.99理論發生電量/Ag10.822.932.872.21海水中1mA/cm2電流效率/90858060開路電位SCE/V-1.12-1.2-1.2-1.6實際發生電量/Ag10.742.492.301.19消耗率/kgA111.83.83.87.2土壤中0.03mA/cm2電流效率/7565-45實際發生電量Ag10.621.90-1.002.4.2鋅基、率基、鎂基犧牲陽極的性能比較2.4.2.1鋅與鋅合金陽極鋅與鐵的有效電位差較小如果鋼鐵在海水、純水、土壤中的保護電位為0.85V則鋅與鐵的有效電位差只有0.2V左右。如果純鋅中的雜質鐵含量≥0.0014在使用過程中陽極表面上就會形成高電阻的、堅硬的、不脫落的腐蝕產物使純鋅陽極失去保護效能。這是因為鋅中含鐵量增加會形成FeZn相而使其電化學性能明顯變劣。在鋅中加入少量鋁和鎘可以在很大程度上降低鐵的不利影響。這時鋅中的鐵不再形成FeZn相而優先形成鐵和鋁等的金屬間化合物這種鐵、鋁等金屬化合物不參與陽極溶解過程使陽極性能改善。加鋁和鎘都使腐蝕產物變得疏松易脫落改善了陽極的溶解性能。另外加鋁和鎘還能使晶粒細化也使陽極性能改善。我國目前已定型系列化生產含0.6Al和0.1Cd的鋅鋁鎘三元鋅合金陽極。該陽極在海水中長期使用后電位仍穩定自溶量小電流效率高一般為9095溶解均勻表面腐蝕產物疏松容易脫落溶解的表面上呈亮灰色的金屬光澤使用壽命長價格便宜在海水中用于保護鋼結構效果良好。但由于鋅與鐵的有效電位差較小故不宜用于高電阻場合而適用于電阻率較低的介質中。2.4.2.2鋁合金陽極鋁合金陽極是近期發展起來的新型犧牲陽極材料。與鋅合金陽極相比鋁合金具有重量輕、單位重量產生電量大、電位較負、資源豐富、價格便宜等優點所以鋁陽極的使用已經引起了人們的重視。目前我國有不少單位對不同配方的鋁基犧牲陽極的熔煉和電化學性能進行了研究但鋁陽極的溶解性不如鋅鋁鎘合金陽極。電流效率約為80也比鋅合金陽極低一些。常用的有AlZnInCd陽極、AlZnSnCd陽極、AlZnMg陽極及AlZnIn陽極等。2.4.2.3鎂合金陽極目前使用的多為含6鋁和3鋅的鎂合金陽極由于其電位較負與鐵的有效電位差大故保護半徑大適用于電阻較高的淡水和土壤中金屬的保護。但因其腐蝕快電流效率低使用壽命短需經常更換故在低電阻介質中如海水不宜使用。而且鎂合金陽極工作時會析出大量氫氣本身易誘發火化工作不安全故現在艦船上已不使用。在選擇陽極材料時主要應根據陽極的地位、所需電流的大小以及介質的電阻等并要考慮到陽極壽命、經濟效果等因素。綜上所述該方案采用鋅合金材料作為犧牲陽極。2.5陰極保護的簡易計算已知條件管道總保護長度L1000m。土壤電阻率為ρ20Ω.m。海水土壤電阻率約為20Ω.m設計要求30年。管道用瀝青布玻璃布防離層電阻率10000Ω.m2.5.1被保護管道表面積Sπd.L3.14×0.12×1000376.8m2d—管道外徑ml—管長m2.5.2保護管道保護電流由于采用瀝青防腐層防腐層電阻率為10000Ω.m2其保護電流密度取10mAm-2全部管道所需保護電流I376.8m2×10mAm-23.768A其中考慮20的富余電流量其電流為3.768×1.24.52A2.5.3保護電流所需鋅包鋼的數量陰極保護驅動電壓為0.25V接地電阻要求單根ZSR43-2.5接地極電阻為所需接地極根數保護30年鋅的使用量考慮1.4倍的富余量m1649.8×1.42309.72Kg單根ZSR43-2.5的鋅量為21Kg.鋅總量為154×213.2噸考慮需要足夠的驅動電壓和可靠的保護電流以及實際消耗量ZSR43-2.5接地極選取154根。26犧牲陽極的施工方法:犧牲陽極在管道上的分布宜采用單支或集中成組兩種方式同組陽極宜選用同一批號或開路電位相近的陽極.本方案以6.5米間距等距沿被保護管道立式布置犧牲陽極.陽極距管道外壁3米陽極與管道用導線相連埋設深度為距地面1米.犧牲陽極安裝時先在陽極埋沒處挖一個比陽極直徑大200mm的坑底部放入100mm厚的攪拌好的填包料把處理好的陽極放在填包料上再在陽極周圍和上部各加100mm厚的細土并均勻澆水使之濕透最后覆土填平。