Пример расчета одиночного горизонтального заземлителя по программе CAG

Требуется рассчитать одиночный горизонтальный заземлитель из стальной полосы длиной L = 7 м, шириной b = 0,08 м и толщи­ной б = 0,03 м в двухслойном грунте с толщиной верхнего слоя (от­носительно нижней границы слоя промерзания) h = 2,5 м, его удельным сопротивлением Ro 1 =20 Ом. м и удельным сопротивле­нием нижнего слоя Ro2 = 10 Ом. м. Коэффициент запаса Eps = 0,72, расход материала анода по току Ее = 10 кг/А.год. Заданный срок службы Т = 10 лет. Необходимо выбрать оптимальное расположе­ние анода в грунте, т.е. значение t, и определить допустимый ток на анод J и его сопротивление растеканию тока R.

Для расчета R принимаем наружный диаметр эквивалентного цилиндрического анода оЬкв = 0,5Ь = 0,5-0,08 = 0,04 м и с1в = 0 (см. Help).

Исходя из желательности наименьшего возможного заглубле­ния, принимаем, что в одном варианте (A) t = 0,2 м, т.е. анод распо­ложен в верхнем слое грунта, а в другом варианте (Б) t = 2,7 м, т.е. анод расположен в нижнем слое грунта, у его верхней границы.

В варианте А (схема 2.1 рис. С2) получаем R=3,626 Ом, в вари­анте Б (схема 2.2 рис. С2) R = 1,574 Ом, т.е. с точки зрения более низкого R вариант Б выгоднее.

В обоих вариантах значение J, естественно, одинаково и равно 0,49 А. Однако это значение необходимо скорректировать на отно­шение площади сечений используемой полосы и цилиндра диамет­ром с!экв (см. Help):

РД 153-39.4-091-01

Приложение Т

(Информационное)

Информация о компьютерной программе MLG-2

для расчета вертикальных анодных заземлителей

в многослойных грунтах⁴⁾

Т.1 Программа MLG-2 предназначена для технического расчета одиночных вертикальных заземлителей (в первую очередь, глубин­ных) систем катодной защиты подземных металлических сооруже­ний в многослойных грунтах с числом слоев п от 3 до 12. Вводимые характеристики таких грунтов берутся по данным вертикального электрического зондирования (ВЭЗ).

Т.2 Программа разработана как программное средство для лю­бых модификаций ПЭВМ от 286 до Pentium, совместимых с IBM PC AT. Программа может выполняться с операционной системой как DOS, так и Windows 95. Все необходимые для работы файлы поставляются в комплекте. Все комментарии и советы вызываются через Help. Применение мыши, учитывая активную работу с кла­виатурой, не предусмотрено. В результате выполнения программы вычисляются искомые значения, которые, кроме вывода на экран, могут сохраняться в файле результатов, формируемом по желанию пользователя для последующей распечатки и обработки.

Т.З Возможности и ограничения расчетов, обозначения и раз­мерности вводимых и вычисляемых параметров перечислены в Help. Выход на Help возможен и в процессе расчетов (клавиша F1 или строка Help).

Т.4 После запуска рабочего файла следует ответить на появ­ляющийся запрос: не нужен (п) или нужен (имя файла) файл ре­зультатов.

Т.5 Далее, исходя из принятой схемы строения горизонтально-слоистого грунта, следует ввести расстояния Yi каждого i-ro слоя от поверхности земли, заглубление t и принятые параметры анода. Нижний слой трактуется как бесконечный, поэтому, например, для

⁴ Модифицированная программа MLG-1. Разработчик - Академия коммунально­го хозяйства им. К.Д. Памфилова. Тел. 490-37-23.

РД 153-39.4-091-01

4-слойного грунта вводятся значения У1-УЗ для 3-х слоев и удель­ные сопротивления Rol-Ro4 для всех 4-х слоев.

С учетом п. 4.3.17 заглубление анода t и толщина Y1 верхнего слоя грунта отсчитываются от нижней границы слоя промерзания грунта.

Т.6 Ввиду большого количества вводимых и исходных данных их столбец занимает 2 экрана. Переход от 1-й половины столбца ко 2-й и обратно осуществляется командами соответственно Page Down и Page Up.

Т. 7 В столбце исходных параметров, наряду с их обозначения­ми, приведены их произвольные численные значения - кроме ко­эффициента запаса (Eps), нормативного коэффициента (Ен), к.п.д. преобразователя (w) и числа часов работы заземлителя в году (Тг). Для этих 4-х параметров даны значения, употребительные на мо­мент составления программы. Для изменения значения любого па­раметра, включая указанные 4, следует установить курсор на его символе и дать команды: Enter - нужное число - Enter. Могут вво­диться параметры как типовых, так и нетиповых заземлителей.

Т.8 После введения всех нужных численных значений парамет­ров можно вызвать схему принятого расположения анода в грунте принятого строения: курсор подводится к строке «схема» в столбце исходных данных и дается команда «Enter». Визуализированная на­глядная схема полезна для проверки, уточнения или исправления принятого размещения анода и (или) его длины.

В таблицу у схемы выводится ряд параметров, в частности тол­щина наиболее электропроводного слоя (Lmin, м), удельное сопро­тивление этого слоя (Romin, Ом.м) и среднее удельное сопротивле­ние грунта по длине анода (Rosr, Ом.м).

Т.9 После проверки схемы курсор подводится к строке «run» в столбце исходных данных и дается команда Enter. Если введенные числа не содержат ошибки и не попадают в зону ограничений воз­можностей расчета, в правой половине экрана появляются искомые значения - сопротивление растеканию тока анода (R,Om) и допус­тимая сила тока на анод (J,A), при которой обеспечивается введен­ный в столбец исходных данных срок службы анода (Т, годы).

Т.10Выход из программы: Esc+ Enter.

РД 153-39.4-091-01

Пример расчета анодного заземлителя по программе MLG-2

Требуется рассчитать основные эксплуатационные характери­стики вертикального трубчатого стального заземлителя длиной L = 20 м, наружным диаметром dH = 0,25 и внутренним диаметром ёв = 0,20 м, заглубленного на глубину t = 1,0 м в 4-слойный грунт со следующими характеристиками:

Y, = 3,0m Ro1=20Om.m

Y₂= 5,5 м Ro2 = 40 Ом.м

Y₃=9,5m Ro3 = 7 Ом.м Ro4 = 50 Ом.м

Выход по току Е_с = 8 кг/А.год, необходимый срок службы Т=10 лет, коэффициент запаса Eps = 0,72. Обсыпки нет (d0 = dH).

После введения перечисленных значений параметров по коман­де «схема» получаем на экране визуализированную схему разме­щения заземлителя в грунте (рис. Т1).

После выхода из «схемы» (Esc) и введения команды «ran» на эк­ран выведены искомые значения:

- сопротивление растекания тока заземлителя R = 1,041 Ом;

- допустимая сила тока J = 6,19 А.

Полученное значение J может оказаться недостаточным. В этом случае целесообразен расчет для заземлителя из более стойкого ма­териала. Например, приняв сплошной ферросилидовый заземлитель той же длины L = 20 м и наружным диаметром dH = 0,08 м, при Ес = 0,25 кг/А.год, Eps = 0,72 и Т = 20 лет получим R = 1,229 Ом, J = 38,08 А.

Рис. Т1. К программе MLG-2: пример возможного расположения анода в 4-слойном грунте

РД 153-39.4-091-01

Приложение У

(Информационное)

Методика расчета защиты гальваническими анодами (протекторами)

У.1 Исходными данными для проектирования гальванической защиты (ГЗ) - защиты гальваническими анодами (протекторами) -являются:

- геометрические и электрохимические характеристики гальва­-
нического анода;

- удельное электрическое сопротивление грунта в месте уста­
новки анода у трубопровода;

- диаметр и при необходимости переходное сопротивление тру­-
бопровода.

У.2 Расчет ГЗ сводится к определению:

- силы тока в цепи гальванический анод-труба;

- срока службы анода;

- необходимого числа анодов для защиты участка трубопровода.
У.З Сила тока J (А) в цепи одиночный гальванический анод (ГА) -

трубопровод в общем случае равна:

J! = [E_T(J) - E_ra(J)]/ R = [AE(J)]/ R]

где Er (J) и E_ra (J) - электродные потенциалы трубы и ГА при си­ле тока J, R (Ом) - омическое сопротивление в цепи ГА - труба.

Величины £_га и особенно Ет представляют собой сравнительно сложные функции силы тока J. Поэтому при проектировании ГЗ чаще всего упрощенно принимают AE(J)« 0,6 В. При этом

J,«0,6/R (У.1)

У.4 Омическое сопротивление R представляет собой сумму со­противлений растеканию тока ГА R_a, проводника, соединяющего ГА с трубой Re, и входного сопротивления трубопровода R_T:

R = R, + R_cn + R_T (У.2)

Принимается, что поляризационные сопротивления ГА и трубы не зависят от тока и входят в значения Ra и R_T соответственно.

У.5 Входное сопротивление трубопровода равно

(У.З)

РД 153-39.4-091-01

где R-прод - продольное сопротивление металла трубы на единицу ее длины; R_nep - переходное сопротивление труба-земля. R_npoa при известных удельном сопротивлении металла трубы, р_м (Ом.м), ее диаметра D (м) и толщине стенки 5 (мм) вычисляется легко:

R_n)XW (Ом.м) = р„ / [я-( 10³D - 6)-5] (У .4)

Значение R_nep вычислить сложнее:

(У.5)

Здесь R_H3 (Ом.м) - сопротивление изоляции на единицу длины трубы, р_г - (Ом.м) - удельное сопротивление грунта, h_T - расстоя­ние от поверхности земли до оси трубы. Значение R_H3 убывает во времени t, R_H3 = R_H3 (t), поэтому в уравнении (У.5) R_H3 при расчете ГЗ следует в зависимости от задачи относить к моменту качала или конца эксплуатации ГА. Если известно или принято удельное по­верхностное сопротивление изоляции R'_H3 (Ом.м²), то R_H3 вычисля­ется по формуле:

(У.6)

У.6 Сопротивление соединительного провода равно

(У.7)

где р_сп - удельное сопротивление металла провода (для меди и алюминия соответственно 0,0175 и 0,028 Ом.мм²/м), 1_СП (м) - длина, S (мм²) - сечение соединительного проводника.

У.7 Обычно основной вклад в величину R вносит сопротивление растеканию тока анода R_a, и чаще всего вместо уравнения (У.2) ис­пользуют упрощенную формулу

(У.8)

У.8 Значение R_a зависит от расположения анода в грунте, длины анода 1_а (м); его диаметра d_a (м); удельного сопротивления грунта р_г; отсутствия или наличия засыпки - активатора: специальной смеси для снижения и стабилизации сопротивления растеканию то­ка и предотвращения пассивации ГА.

При наличии засыпки в расчет вводятся ее удельное сопротив­ление р₃ (Ом.м); высота 1₃ (м) и диаметр d₃ (м) столба засыпки.

У.9 Для вертикального анода без засыпки сопротивление расте­канию тока равно:

(У.9)

РД 153-39.4-091-01

где h (м) - расстояние от поверхности земли до середины анода. У.10Для вертикального ГА с засыпкой (комплектного анода)

11Для горизонтального ГА без засыпки

12 Для горизонтального ГА с засыпкой (комплектного анода)

Формулы (У. 8) - (У.11) справедливы при условии 1_а > d_a, 1₃ > d₃. Формулы (У.9) и (УЛО) справедливы при условии соответственно 1_а < 4h, 1₃ < 4h.

У. 13 Значения R_a для выпускаемых магниевых протекторов типа ПМ-У при h < 2,5 м могут быть рассчитаны по эмпирической фор­муле

(У.13)

где А и В - численные коэффициенты, приведенные в таблице:

У.14Срок службы одиночного ГА, Т (годы), вычисляют по формуле

(У.14)

где G - масса ГА (кг); q - теоретическая токоотдача материала анода, А.ч/кг (для магниевых анодов 2330 А.ч/кг); Т|_п - к.п.д. анода (обычно принимают л_п = 0,6 или по технической документации на анод); л_и - коэффициент использования материала анода (обычно принимают г|_п = 0,90); J_cp (A) - средняя сила тока в цепи анод-труба за период эксплуатации анода Т.

У.15Количество одиночных анодов, необходимое для защиты сети трубопроводов, вычисляется из суммарного катодного тока J_c

РД 153-39.4-091-01

(А), требуемого для защиты сети. Значение J_c для построенных тру­бопроводов может быть найдено из данных опытного включения передвижных катодных станций, а для проектируемых трубопрово­дов - из необходимой плотности защитного тока (определенной, в частности, по методике Приложения П) и суммарной площади по­верхности трубопроводов. С учетом этого необходимое количество идентичных одиночных анодов N равно:

(У. 15)

где Ji определяется уравнением (У.1), а значение R в уравнении (У.1) - формулой (У.2) или (У.8).

У. 16 В целях эффективного использования и удобства контроля ГА при эксплуатации часто размещают группами. Количество групп, их местоположение и число анодов в каждой группе опреде­ляются при проектировании в зависимости от условий расстановки.

У. 17 Общее число анодов в группе, необходимое для защиты данного участка трубопровода, определяется по формуле:

(У. 16)

где J₃ - сила тока, необходимая для защиты участка; Т]_ср - средний коэффициент использования анода.

Значение η_ср может приниматься равным 0,85 при расстояниях между соседними анодами 2-5 м.

После размещения групп ГА на плане подземных сооружений вычисляется ожидаемая сила тока ]_ож в каждой группе:

(У.17)

где г| - коэффициент использования ГА. Значение г] для ряда вертикальных комплектных анодов может быть найдено по диа­грамме рис. У1 в зависимости от числа анодов в группе п_ф и отно­шения а/1₃ межанодного расстояния а (м) в группе к длине ком­плектного анода Ь (м).

У. 18 В случае применения ГЗ для защиты от опасного влияния блуждающих токов (п. 4.3.15 настоящей Инструкции) необходимый ток ГЗ определяют на построенном трубопроводе (путем опытного включения катодной станции или ГА) как величину, обеспечиваю-

РД 153-39.4-091-01

щую полное подавление положительного смещения суммарного потенциала от стационарного.

Рис. У1. Зависимость коэффициента использования (г|) анодов группы