Расчет параметров анодного заземления

8.1 Выбор анодного заземления осуществляют с учетом следующих факторов:

- силы тока катодной установки;

- свойств грунта в месте размещения заземления (удельное сопротивление грунта, влажность, глубина промерзания);

- схемы расположения защищаемых объектов и других подземных металлических сооружений вблизи размещения анодного заземления.

8.2 Материал электрода для анодного заземления целесообразно выбирать с учетом условий, приведенных в таблице 8.1.

8.3 Расстояние от линейной части магистрального газопровода до AЗ (кроме протяженного) должно быть от 200 до 450 м. Конкретное место монтажа и тип AЗ определяют исходя из удельного сопротивления грунта, результатов вертикального электрозондирования, топографических особенностей местности, условий землеотвода и удобства подъезда.

Расстояние от трубопровода до протяженного заземлителя должно быть не менее четырех диаметров газопровода.

8.4 Переходное сопротивление одного заземлителя R_зl зависит от удельного электрического сопротивления грунта и геометрических размеров электродов и их взаимного расположения. Переходное сопротивление одного электрода заземления принимают равным величине его сопротивления растеканию тока. Переходное сопротивление протяженного анодного заземления принимают равным его входному сопротивлению.

Таблица 8.1 - Рекомендуемые условия применения анодных материалов

Анодный материал	Удельное электрическое сопротивление грунта. Ом·м
Высококремнистый чугун	менее 20
Графит, графитизированные и графитосодержащие материалы	от 15 до 40
Высококремнистый чугун в коксовой засыпке	от 15 до 40
Магнетит	менее 10
Графит, графитизированные и графитосодержащие материалы в коксовой засыпке	от 10 до 60
Сталь низкоуглеродистая (лом)	более 40
Сталь низкоуглеродистая в коксовой засыпке	более 60

8.5 Рекомендуемое расстояние между электродами в анодном заземлении равно тройной длине электрода.

8.6 Расчет анодного заземления сводится к определению количества электродов и их сроку службы.

8.7 Количество электродов N_з, шт., в подповерхностном заземлении вычисляют по следующим формулам:

при вертикальном или горизонтальном расположении электродов

(8.1)

где R_зl - сопротивление растеканию тока одного электрода, Ом;

R_з - сопротивление растеканию тока заземления, состоящего из N электродов, Ом;

при комбинированном заземлении из вертикальных электродов, соединенных горизонтальным электродом

(8.2)

где R_вl - сопротивление растеканию тока одного вертикального электрода, Ом;

R_г- сопротивление растеканию тока одного горизонтального электрода, Ом.

Начальное сопротивление растеканию тока анодного заземления R_з в различных грунтах не должно превышать величин, указанных в таблице 8.2.

8.8 Расчет сопротивления растеканию тока подповерхностного анодного заземления.

8.8.1 Сопротивление растеканию одного подповерхностного заземлителя R_pl, Ом, вычисляют по следующим формулам:

для вертикального расположения электрода заземлителя

(8.3)

где r_г - удельное электрическое сопротивление грунта, Ом·м;

l_э - длина электрода заземлителя, м;

d_э - диаметр электрода заземлителя, м;

h - глубина (до середины заземлителя) заложения электрода заземлителя, м;

Таблица 8.2 - Условия применения различных типов анодных заземлений и требования к максимальному значению начального сопротивления растеканию тока

Грунт	Рекомендуемый тип анодного заземления	Удельное сопротивление грунта, Ом м	Сопротивление растеканию тока анодного заземления, не более, Ом
Солончаки, соры	Подповерхностное	менее 10	0,5
Болота, влажные глины, суглинки	Подповерхностное	от 10 до 50	1,0
Супесь	Подповерхностное или глубинное	от 50 до100	1,5
Пески	Подповерхностное или глубинное	от 100 до 500	3,0
Скальный грунт, сухие пески	Глубинное	более 500	10,0

для горизонтального расположения электрода заземлителя при l_з < h, то есть для короткого электрода

(8.4)

для горизонтального расположения электрода анодного заземлителя при l_з > 12h, то есть для протяженного электрода

(8.5)

для горизонтального расположения электрода при l_з > h и l_з >> d_з в коксовой засыпке

(8.6)

для горизонтального расположения электрода при l_з > 12h в коксовой засыпке

(8.7)

Для электродов прямоугольного сечения (например, полосовой заземлитель) в формулы (8.3-8.7) вместо d_э подставляют значение2·b/p (где b - ширина полосы, м).

При прямоугольном сечении коксовой засыпки в формулы вместо d_а подставляют где а_а, b_а - соответственно толщина и ширина коксовой засыпки, м.

8.9 Расчет глубинного анодного заземления.

8.9.1 Исходными данными для проектирования глубинного анодного заземления являются данные, указанные в 8.1, и данные о геоэлектрическом разрезе: мощность и удельное электрическое сопротивление верхних пластов земли на глубине установки заземления.

8.9.2 Длину рабочей части глубинного заземления l_з, м, вычисляют по формуле

(8.8)

где R_з - сопротивление растеканию глубинного анодного заземления (см. таблицу 8.3), Ом;

r_i - удельное электрическое сопротивление i-гo слоя земли, в котором располагается анодное заземление, Ом·м.

8.10 Срок службы анодного заземления Т, годы, проверяют по следующим формулам:

для подповерхностного анодного заземления

(8.9)

где G_з - масса материала электродов заземления (без коксовой засыпки), кг;

q_з - скорость растворения материала электродов анодного заземления, кг/А·год;

k_u - коэффициент использования массы заземлителя (принимают равным 0,77);

i_з.ср - средняя сипа тока, А, стекающего с заземления, за планируемый период эксплуатации заземления равна

(8.10)

где i_н и i_к - сила тока соответственно в начальный и конечный периоды планируемого срока работы анодного заземлителя, А;

для глубинных и протяженных анодных заземлений

(8.11)

где G_зк - масса рабочей части заземления в k-м слое грунта, кг;

k_г - коэффициент неоднородности грунта, определяемый по формуле

(8.12)

где l_зк - длина рабочей части заземления, находящейся в k-м слое грунта, м;

r_к - удельное электрическое сопротивление k-го слоя грунта, имеющего минимальное удельное электрическое сопротивление из всех n слоев, Ом·м;

l_зi - длина рабочей части заземления, находящейся в i-м слое грунта, м;

r_i - удельное электрическое сопротивление i-го слоя грунта, Ом·м;

n - число слоев грунта, пересекаемых рабочей частью заземления.

8.11 Если срок службы по данным расчета окажется менее проектного (как правило, 30 лет), то необходимо увеличить либо количество электродов, либо их массу, либо рабочую длину заземления на величину k_т которая равна

(8.13)

где Т - планируемый срок службы, год;

Т_р - расчетный срок службы, год.

8.12 Выполняют расчет сопротивления растеканию анодного заземления со скорректированным количеством электродов (или длиной). Рассчитанную величину сопротивления растеканию тока анодного заземления используют для расчетов требуемой мощности преобразователя в соответствии с 7.8.

Протекторная защита

9.1 Комплектные магниевые протекторы типа ПМУ, применяемые для защиты подземных сооружений от коррозии, представляют собой магниевые аноды, помещенные вместе с порошкообразным активатором в хлопчатобумажные мешки.

Типоразмеры комплектных магниевых протекторов приведены в таблице 9.1.

9.2 Исходными данными для проектирования протекторной защиты являются:

- сопротивление изоляционного покрытия;

- удельное электрическое сопротивление грунта вдоль сооружения;

- электрохимические характеристики протекторов;

- диаметр трубопровода.

Таблица 9.1 - Технические характеристики комплектных магниевых протекторов типа ПМУ

Тип протектора	Масса, кг	Рабочая поверхность, м2	Значения коэффициентов А и В для расчета сопротивления растеканию тока комплектных магниевых протекторов
А, 1/м	В, Ом
ПМ5У		0,16	0,57	0,24
ПМ10У		0,23	0,47	0,18
ПМ20У		0,35	0,41	0,15

9.3 Расчет протекторных установок заключается в определении:

- силы тока в цепи "протектор-труба";

- длины участка трубопровода, защищаемого протектором;

- срока службы протектора.

9.3.1 Силу тока в цепи "протектор-труба" i_n, А, вычисляют по формуле

(9.1)

где U_n - стационарный потенциал протектора, В;

U_е - естественная разность потенциалов труба-земля, В;

U_тзм - минимальная защитная наложенная разность потенциалов труба-земля, В;

S_n - рабочая поверхность протектора, м², (см. таблицу 9.1);

R_nm - сопротивление цепи "протектор-труба", Ом.

Если значения U_n и U_е неизвестны, то разность потенциалов (U_n - U_е) для протекторов на основе магния рекомендуется принимать равной 1,0 В.

9.3.2 Сопротивление цепи "протектор-труба" R_nm, Ом, вычисляют по формуле

R_nm = R_np + R_рn, (9.2)

где R_np - сопротивление провода, соединяющего протектор с трубопроводом, Ом;

R_рn - сопротивление растеканию одного протектора, Ом.

9.3.3 Сопротивление провода, соединяющего протектор с трубопроводом R_np, Ом, вычисляют по формуле

(9.3)

где r_n - удельное электрическое сопротивление материала провода (для меди r_n = 1,8·10^-8 Ом·м, для алюминия r_n = 2,8·10^-8Ом·м);

l_n - длина соединительного провода, м;

S_n - сечение провода, м².

9.3.4 При расчете сопротивления растеканию магниевых протекторов R_рn, Ом, типа ПМ5У. ПМ10У. ПМ20У можно пользоваться формулой

R_рn = А · r_г + В, (9.4)

где А и В - коэффициенты, зависящие от размеров протектора. В таблице 9.1 приведены усредненные значения коэффициентов Аи В при установке протектора на глубину до 2,5 м.

9.4 Длину участка трубопровода, защищаемого одним протектором на конец планируемого периода защиты, м, вычисляют по формуле

(9.5)

где R_пн - начальное значение переходного сопротивления трубопровода, Ом·м²;

Т_п - планируемый срок эксплуатации протектора, годы.

9.5 Количество протекторов, необходимое для защиты участка трубопровода N_п, шт., определяется по формуле

(9.6)

где l_з - длина участка трубопровода, которую необходимо защитить протекторами.

9.6. Срок службы протекторов Т_n, годы, вычисляют по формуле

(9.7)

где т_п - масса протектора, кг;

q - теоретическая токоотдача материала протектора (2330 А·ч/кг);

h_п - коэффициент полезного действия протектора (для сплава МП1 h_п = 0,65, для сплава МП2 h_п = 0,60);

h_u- коэффициент использования материала протектора (h_u - 0,90);

i_п.ср - средняя сила тока в цепи "протектор-труба" за планируемый период времени Т_п, А.

9.7 Среднюю силу тока в цепи "протектор-труба" i_с.ср А, вычисляют по формуле

(9.8)

Если при расчете срок службы Т_п получается меньше запланированного срока, то нужно длину участка трубопровода l_зп, защищаемого одним протектором, пересчитать в соответствии с расчетным Т_п. Протекторы на трассе трубопровода необходимо устанавливать согласно вновь полученной длине защитной зоны l_зп.

9.8 При расчете групповых протекторных установок определяют следующие параметры:

- количество протекторов в группе;

- расстояние между протекторами в группе;

- расстояние между групповой протекторной установкой и трубопроводом.

9.8.1 Количество групповых протекторных установок, необходимое для защиты участка трубопровода N, шт., вычисляют по формуле

(9.9)

где h_э - коэффициент экранирования протекторов в групповой протекторной установке, определяемый из рисунка 9.1.

9.8.2 Количество протекторов в группе для обеспечения защиты трубопровода N, шт., должно быть

(9.10)

где F - поправочный коэффициент, вычисляемый по формуле

(9.11)

9.8.3 Расстояние между групповыми протекторами и трубопроводом у_пг, м, вычисляют по формуле

(9.12)

где i_пг - сила тока групповой протекторной установки в начальный период;

R_пн - переходное сопротивление трубопровода в начальный период, Ом·м²;

l_з - длина участка трубопровода, защищаемая групповой протекторной установкой, м.

9.8.4 Силу тока групповой протекторной установки i_пг, А, рассчитывают по формуле

i_пг = i_п · N_пг · h_э (9.13)

Рисунок 9.1 - Коэффициент экранирования протекторов в групповой протекторной установке в зависимости от отношения расстояния между ними и их длиной [а/l_а] (глубина установки протекторов в грунт 1,6 м)