CN1031403A - 杂散电流排除防护新技术 - Google Patents

Abstract

以前杂电区地下金属构筑物的杂散电流排除和 防腐仪送电保护，往往使地下金属构筑物在1～3年 就发生大面积穿孔，造成输送介质泄漏发生中毒事 故，引起爆炸等严重损失。

采用本发明的排流技术和防腐仪通过波形控制 器可使杂电区地下金属构筑物就范在杂电区保护电 位区间，从而使其寿命延长2倍以上。

随着电气化铁道和石油、化工、通讯、电力工业的 发展，本发明将获得更加广泛的应用，产生更大的经 济效益。

Description

本发明属于地下金属构筑物的电化学腐蚀领域。

一般电化学腐蚀中，杂散电流的腐蚀速度最快，往往使地下管道、电缆等金属构筑物在1～3年就发生大面积穿孔。这样，不仅使地下金属构筑物受到损失，而且要造成输送介质的泄漏，中断生产，发生中毒事故，引起爆炸，甚至引起地面建筑物坍塌，损失更加严重。

以前，杂电区的地下钢管采用直接排流的办法，其实质是将钢管的阳极区直接接到电铁或直流变电所等直流干扰源的负回归线上，从而对排流点进行阴极极化。但这种极化往往使出流点电位产生过负，且电位波动幅度很大，控制困难。同时，这种排流必须在排流点离电铁或直流变电所等干扰源近的地方，才可进行。有很大的局限性。

以往，杂电区地下管道采用防腐仪进行电化学保护，使防腐仪保护电位波形和侵入管道杂电波形产生对称性吻合，叫做防腐仪送电保护的波形适应;同时，把侵入管道的杂电波形加以改造，使之和防腐仪的送电保护波形相对称，叫做侵入管道的杂电波形改造。一般说来，杂电的波形改造可以减少侵入管道的杂散电流，但不能达到彻底的阴极保护，而防腐仪的波形适应可以使侵入管道的杂电完全受到克制，并且使管地电位完全就范在杂电区保护电位区间。这是杂电的排除与防护的根本方法。可是，以往采用防腐仪保护地下管道，不仅不能使被保护体就范在电化学的保护电位区间，而且加大其电位的波动幅度，从而加速了电化学腐蚀。

此外，防腐仪在实际应用中，保护距离短，仅几十米远。

本发明以杂电区地下钢管为例，阐述了杂散电流的排除防护新技术，推导了间接排流原理公式，提出了提高排流效果的各种措施。同时，推导了波形适应原理公式，制作了波形适应控制器。防腐仪通过波形适应控制器完全可以使杂电的管地电位就范在杂电区保护电位区间。可使管道寿命延长2倍以上。经济效益巨大。

阳极区排流原理公式：

附图1为间接排流原理的等效电路图。经推导，有以下七个公式，即阳极区间接排流原理公式：

I_j1=I_c1(E)/(R_N+R_j+R_c) （1）

V_j1= (ER_j)/(R_N+R_j+R_c) （2）

$V_{\mathrm{c\; 1}}=\frac{E}{\frac{R_N{\mathrm{+R}}_j}{R_c}\mathrm{+1}}$

$I_{\mathrm{j\; 2}}=\frac{E}{R_N{\mathrm{+R}}_j+\frac{R_c{\mathrm{·R}}_p}{R_c{\mathrm{+R}}_p}}$

$V_{\mathrm{j\; 2}}=\frac{{\mathrm{ER}}_j}{R_N{\mathrm{+R}}_j+\frac{R_C{\mathrm{·R}}_P}{R_C{\mathrm{+R}}_p}}$

$V_{\mathrm{c\; 2}}=\frac{E}{\frac{R_N{\mathrm{+R}}_j}{\frac{R_c{\mathrm{·R}}_p}{R_c{\mathrm{+R}}_p}}\mathrm{+1}}$

$I_{\mathrm{c\; 2}}=\frac{E}{R_N{\mathrm{+R}}_j{\mathrm{+R}}_c+\frac{R_c}{R_p}{\mathrm{(R}}_N{\mathrm{+R}}_j)}$

式中，

I-在铁道mn两点流经的负载电流，A;

V₀-电铁的供电电压，V;

E₁-铁道m点对地电位，V;

E₂-铁道n点对地电位，V;

R_T-铁轨的传输电阻，Ω;

R_S1-铁轨m点处接地电阻，Ω;

R_S2-铁轨n点处接地电阻，Ω;

R_j-钢管进流点A处接地电阻，Ω;

R_c-钢管出流点C处接地电阻，Ω;

R_t-mn两点间土壤散流电阻，Ω;

R_p-钢管出流点C处排流接地体电阻，Ω;

E₀-铁轨mn两点电位差，且有：

E₀＝E₁-E₂＝R_T·I，V;

E-等效的杂电侵蚀系统电位，且有：

E= (R_t·E_O)/(R_s1+R_s2+R_t) ，V;

R_N-等效的杂电侵蚀系统内阻，且有：

R_N＝（R_S1+R_S2）∥R_t，Ω;

I_j-土壤中自钢管A处通过管壁直接流入

钢管的杂散电流，A;

I_c-自钢管C处通过管壁直接流入土壤中的杂散电流，A;

V_j-钢管进流点对地电位差，V;

V_c-钢管出流点对地电位差，V;

K_p-附图1中排流系统开关;

D-附图1中二极管;

公式中字母下标“1”、“2”分别表示排流前和排流后参数。

公式（1）～（3）为排流前进出流点的管道对地电位和通过管壁直接进出土壤中的杂散电流;公式（4）～（7）为排流后的进出流点的相应电位、电流。由上述公式比较可得出如下结论：

1、排流可以使阳极区的管地电位V_c，腐蚀电流I_c减少;

2、要增加出流点的排流效果，除增加进出流点的防腐层电阻R_jR_c外，还可以大大减小排流接地体电阻R_p。排流接地体接地电阻的减小，将使进流点阴极极化电流I_j增大，这是排流中无法克服的负作用。同时，排流接地体的接地电阻不可能无限减少，进出流点防腐绝缘电阻不可能无限增大，因而，出流点腐蚀电流和电压不能为零。因此，要使出流点钢管得到阴极保护，必须另外进行阴极极化。

3、减少进流点的负作用的措施是增加进出流点的防腐层绝缘电阻。

4、减少杂电腐蚀的根本方法是减少杂电干扰源等效腐蚀电位E，和侵蚀系统内阻R_N。其方法为加强铁轨的电气连接，增加轨道的接地电阻等。

5、尤其是直流变电所的合理布置是减少电蚀的重要途径。这是一个不减少电泄，而减少电蚀的好措施。其原因是电铁中的负载电流I是各个变电所负载电流之和。如附图2所示，有如下关系式：

I＝I₁+I₂

式中，

I₁、I₂-分别为两座变电所Z₁、Z₂经电车D₁、D₂的负载电流，且I₁和I₂方向相反。

在一般情况下，合理分布变电所的位置，将有｜I₁｜≈｜I₂｜，因而有I＝I₁+I₂≈0，将使I_j2和I_c2都近似为零。

阴阳极区同时排流原理公式：

附图3为阴阳极区同时排流等效电路图。开关K_jp、K_p合上后，将有如下关系式：

I′_j3= (E)/(R_N+R_j′+R_c′) （8）

V_j3= (ER_j′)/(R_N+R_j′+R_c′) （9）

$I_{\mathrm{j\; 3}}=\frac{E}{R_N{\mathrm{+R}}_j{\mathrm{+R}}_c+\frac{R_N{\mathrm{·R}}_j}{R_{\mathrm{j\; p}}}}$

V_c3= (ER_c′)/(R_N+R_j′+R_c′) （11）

$I_{\mathrm{c3}}=\frac{E}{R_N{\mathrm{+R}}_j{\mathrm{+R}}_c+\frac{R_N{\mathrm{·R}}_c}{R_p}}$

式中，

R_j′= (R_j·R_jp)/(R_j+R_jp)

R_c′= (R_c·R_p)/(R_c+R_p)

I^′ _j3-阴阳极区同时排流后进入管道的杂散电流，A;

R_jp-进流点的排流电阻，包括二极管的正向电阻，Ω;

字母下标数字“3”，表示钢管阴阳极正同时排流的参数。

其他字母的意义，同公式（1）～（7）的标注。公式（8）～（12）就是阴阳极区同时排流原理公式。

公式（10）～（12）的成立条件是钢管进出流点的绝缘层电阻R_j、R_c近似相等，排流接地体接地电阻R_jp、R_p也近似相等。

公式（8）～（12）和公式（1）～（7）对应比较可得出如下结论：

1、阴阳极区同时排流，可以使进流点阳极极化，使出流点阴极极化。加强这些极化的方法是增加进出流点的绝缘电阻，达到特加强防腐，减少电铁的杂电泄漏。同时，增加电铁的接地电阻，合理布置直流变电所的位置，并要减少进出流点排流装置的接地电阻。

2、为了克服进流点的过负电位，可以采用只在进流点排流的方法，但必须注意给管道其它部位造成的阳极极化，要采取相应措施加以克服。

3、间接排流只能减少杂电对钢管阳极区的危害，但不能得到电化学保护（不能使I_c3等于零，小于零），可以减轻阴极区的过保护程度。

4、阴阳极区同时排流，进出流点的排流装置和钢管本身构成了一个杂电的通路，增加了管道传导的杂散电流，但减少了杂电对进出流点的阴极极化和阳极极化。这是阴阳极区同时间接排流的实质。

波形适应公式：

附图4是利用四个辅助阳极进行阴极保护的线路图。图示四个辅助阳极与管道的距离，有以下的关系：

h₁＞h₂＞h₃＞h₄，

附图5是管地极化电位E-保护距离l曲线图。图中①、②、③、④四条曲线分别是单独用辅助阳极t₁～t₄送电保护所得的极化电位E-保护距离l的曲线图，dcbaOEFGH曲线是利用上述四个辅助阳极同时送电保护所得的总保护曲线图。此图保护距离轴l所在电位为管道的自然电位，不是零电位。总保护曲线是由四条单一极化曲线叠加而成。则对oa、ab、bc、cd段有以下关系式：

E_a=C_aV( (A₁)/(R_N+R₁) + (A₂)/(R_N+R₂) + (A₃)/(R_N+R₃) + (A₄)/(R_N+R₄) )（13）

E_B=C_bV( (A₁)/(R_N+R₁) + (A₂)/(R_N+R₂) + (A₃)/(R_N+R₃) )（14）

E_o=C_oV( (A₁)/(R_N+R₁) + (A₂)/(R_N+R₂) )（15）

E_a=C_aV( (A₁)/(R_N+R₁) )（16）

式中

E_a～E_d-分别为总保护曲线各段对地电位，V;

C_a～C_d-分别为总保护曲线相应段的距离阻抗，Ω;

对于无限长管道等于 $\frac{\sqrt{\mathrm{Ror}}}{\mathrm{2ea\; l}}$ ;

对于有限长管道等于 $\frac{\sqrt{\mathrm{Ror}}}{\mathrm{2sh(a\; l)}}$ ;

l-保护距离，m;

Sh-双曲正弦;

R-单位长管道纵向电阻，Ω/m;

r-单位长管道绝缘层电阻，Ω·m;

α-衰减系数，1/m，等于 $\sqrt{\frac{R}{r}}$ ;

A₁～A₄-分别为t₁～t₄辅助阳极距管道距离对保护电位的偏移系数，简称阳极偏移系数;且有0＜A_n≤1，当辅助阳极距管道距离h＝400～500m时，A_n＝1;下标n为大于零的自然数;h越小，A_n越小;A_n＝f（h），

V-防腐仪输出槽压，V;

R₁～R₄-各个回路的调整电阻，Ω;

R_H-为辅助阳极接地电阻R_t和导线电阻R_d之和，Ω。

对上述四个公式（13）～（16）偏微分，可得到杂电区防腐仪送电保护波形适应公式：

（上式当n＞3时，仅第二项 (C_bVA_ndR_n)/((R_h+R_n)²) 不存在）

（上式当n＞2时，仅第二项 (C_cVA_ndR_n)/((R_H+R_n)²) 不存在）

（上式当n＞1时，仅第二项 (C_dVA_ndR_n)/((R_h+R_n)²) 不存在）

式中：

-偏微分符号;

d-微分符号;

n-下标，为大于零的自然数;

R_n-为任意一个调整电阻，Ω;

α、m、p、Q分别为：

m= (A₁)/(R_H+R₁) + (A₂)/(R_H+R₂) + (A₃)/(R_H+R₃)

P= (A₁)/(R_H+R₁) + (A₂)/(R_H+R₂)

Q= (A′)/(R_H+R₁)

其它字母的含义同公式（13）～（16）的标注。

由公式（13）～（20）可得出以下结论：

1、总保护曲线的oa段不因调整电阻Rn的改变而改变，称为不可调线段。其他各段称为可调线段。oa的确定在其他阴极保护参数一定时，主要取决于各个保护回路中辅助阳极距管道的距离h_n。

2、调整远阳极送电系统的调整电阻R₁，将使离汇流点最远处的管地电位变化幅度较大，越近变化幅度越小;调整近阳极系统的调整电阻R₄，将使最近处的电位变化幅度较大，越远变化幅度越小。

调整中距离阳极系统调整电阻R₃、R₂，将使中间一带管地电位变化幅度较大，两端变化幅度小，调整电阻R_n改变导致总极化曲线的各段电位曲线幅度改变，同时使各段曲线的保护长度也发生变化。

3、调整电阻R₁～R₄调整任意一个时，都将引起总保护曲线的E_b、E_c、E_d段幅度改变，而且这种改变并非平行上下移动，在同一段曲线中靠汇流点的变化幅度大一些。

4、调整电阻R₁～R₄同时调整时，总极化曲线的Oa段幅度不变。调整的结果和每个电阻逐个调整后合成的结果一样。如附图6所示，当R₁≈R₂≈R₃≈∞时，总保护曲线的保护距离最短，总保护曲线如附图6中的Oaa′。当R₂≈R₃≈R₄≈∞时，保护距离最长，如附图6中的Od′。

R₁～R₄任意调整使总保护曲线只能在附图中的Oa、Od′两条射线所包围的扇形平面，内叫波形适应面。若要加大它，只能增加管线距离最远的辅助阳极距离h₁和减少最近辅助阳极的距离h₄。总保护曲线任意调整如附图6所示。

5、如果调整电阻R₁～R₄都固定了，总保护曲线各段E_a～E_d都要随汇流点电位E_总上下按一定比例移动。这样只要适当调整电阻R_n就可以使防腐仪总的阴极保护曲线得到改变。并使之适应于杂散电流侵入管道的对称波形。即简称为波形适应。把完全适应于杂电侵入管道对称波形总的保护曲线，称为波形适应线。

使防腐仪输出波形适应线，必须采用如附图4所示的防腐仪送电保护线路和设施。

防腐仪输出端并联的电阻群-调整电阻R₁～R₄就是波形适应控制器的骨干组件之一。再在每个回路的调整电阻Rn上串联一只电流表，高内阻电压表和一个转换开关。调整电阻n个，由可调变阻器代替，其规格一般为0～10Ω，9000W左右，个数和保护回路相同;监测电流表n块，由正负直流电流表代替，量程一般为±50A，±30A、±10A、±5A等不同规格;调试电压表由高内阻正负直流电压表代替，内阻大于100KΩ/V，量程为±10V，±5V、±3V、±±2V四个挡位。或一块表外加一个四挡波段转变开关。上述组件装在一个配电箱内，就成了波形适应控制器。

这种波形适应控制器，原理简单，操作方便，监测直观，调试快性能稳定，造价低，使用寿命长。

利用波形适应控制器，不仅使不可逆防腐仪把大于给定电位的杂电位降到保护电位区间，达到控制一点保护全线的目的，而且还可以使可逆防腐仪把超越保护电位区间的全线杂电电位（尤其是过负电位）全部就范在杂电区保护电位区间，达到彻底的阴极保护一既保护了钢管又使防腐层不受损害。从而使地下钢管、电缆等金属构筑物延长寿命2倍以上，确保安全生产。

随着电气化铁道和石油、化工、通讯、电力工业的发展，波形适应公式和波形适应控制器将获得更加广范的应用。产生更大的技术价值和经济效益。

附图说明：

附图1，间接排流原理的等效电路图。

其中，1为电气化铁道，2为地下管道。

附图2，直流变电所位置合理分布图。

其中，1为电气化铁道，2为直流变电所。

附图3，阴阳极区同时排流等效电路图。

附图4，利用四个辅助阳极进行阴极保护的线路图。

其中，t₁-t₄为四个辅助阳极，R₁-R₄为变阻器，A₁-A₄为电流表，F为防腐仪，O为导线，G为地下钢管。

附图5，管地极化电位（E）-保护距离（l）曲线图。

附图6，波形适应线调试图。

附图中其余符号的意义见说明书正文。

Claims (5)

1、一种杂散电流的排除方法，以前杂电区地下钢管的排流方法不清楚从那些方面提高排流效果，负性区(阴极区或者叫进流区)不能排流，也不清楚直流变电所的合理布置对减小电蚀有明显效果。本发明的特征是推导了间接排流原理公式，揭示了间接排流原理，提出了提高排流效果的技术方法，尤其是提出了负性区排流和阴阳极区同时排流的新技术。同时，提出了直流变电所合理布置可以不减少电泄，而大大减少电蚀的技术方法。

2、一种杂电区保护方法，以往杂电区地下钢管用防腐仪送电保护，不但距离短（仅几十米远），而且往往加大管地电位的波动幅度，加速了腐蚀。本发明的特征是推导了波形适应原理公式，进而制作了波形适应控制器。利用波形适应的原理，防腐仪（恒电位仪）通过波形适应控制器输出保护电流，就可以使杂电区地下钢管等金属构筑物的阴极保护电位就范在杂电区保护电位区间。从而延长了地下金属构筑物的寿命。

3、按照权利要求2所述的波形适应原理公式是以四组辅助阳极推导的，而它们的中心线垂直于被保护的管线。但实际上所有辅助阳极位置中心线并不一定要完全在同一条垂直管线的直线上，它们可以适当散开布置。这样保护曲线在一定场合下，会更接近于波形适应线，这主要由管线的现状而决定。辅助阳极的组数也可做适当增减，只要能使保护曲线接近于波形适应线就可以了。

另外，汇流点、参比点、取样点的变更，也有助于波形适应线的调出。

4、按照权利要求2所述的波形适应控制器输出电流控制，主要是通过调整电阻（变阻器）实现的，但也可利用可控硅等元件实现自动控制。但波形适应的基本原理是不变的。这种原理是本发明的核心。

5、按照权利要求2所述的波形适应原理和波形适应控制器，也适用于地下金属构筑物群（如管网）区域阴极保护。

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