Примеры решения задач

Пример 7.1. На территории площадью 15 га после завершения строительства будут размещены газопроводы и водопроводы. Определить радиус действия и количество катодных станций. Диаметры, длины трубопроводов и удельное сопротивление грунта приведены в таблице:

газопроводы			водопроводы
, мм	, м	, Ом∙м	, мм	, м	, Ом∙м
200	400	60	300	80	60
200	350	10	200	450	10
150	240	70	150	170	75
125	400	35	100	320	50
100	400	50	100	200	45
89	150	40

Решение. По формуле (7.5) определяем суммарную поверхность всех газопроводов и водопроводов:

м²

м²

Суммарная поверхность всех трубопроводов:

м²

Вычисляем соотношения:

Ом м²

Ом м²

м

м

Согласно формуле (7.14) среднее удельное сопротивление грунта равно:

По формулам (7.9) и (7.7) определяем удельный вес поверхности каждого из трубопроводов:

%

%

Зная площадь территории , га, на которой располагаются защищаемые трубопроводы, вычисляем плотность поверхности каждого из трубопроводов, приходящуюся на единицу поверхности территории (формулы (7.12), (7.10)):

м²/га

м²/га

Среднюю плотность тока, необходимого для защиты трубопроводов, определяем по формуле (7.13):

мА/м²

По формуле (7.16) вычисляем суммарную силу защитного тока:

А

Ориентировочно принимая ток одной катодной станции 25 А находим количество катодных станций:

шт.

По формуле (7.19) вычисляем коэффициент и находим радиус действия каждой катодной станции по формуле (7.18):

м²/га

Пример 7.2. Определить радиус действия и количество катодных станций для защиты подземных сооружений на территории квартала новой застройки площадью 10 га. На территории квартала, требующего защиты, расположены газопроводы низкого и среднего давления, теплопроводы и водопроводы следующих диаметров и длин:

газопроводы		водопроводы		теплопроводы
, мм	, м	, мм	, м	, мм	, м
200	732	2×100	100	2×125	155
150	624	100	480	2×70	134
100	323	2×150	80	2×200	284
89	70	200	253	2×100	266
		150	140	2×250	158

Коррозионная активность грунта на территории защищаемого района от 15 до 50 Ом∙м.

Решение. По формуле (7.5) определяем суммарную поверхность всех газопроводов, водопроводов и теплопроводов:

м²

м²

м²

Суммарная поверхность всех трубопроводов:

м²

Среднее удельное сопротивление грунта в данном случае определим как среднее арифметическое заданных значений: (15+50)/2=32,5 Ом∙м, принимаем Ом∙м

По формулам (7.7 – 7.9) определяем удельный вес поверхности каждого из трубопроводов:

%

%

%

Зная площадь территории , га, на которой располагаются защищаемые трубопроводы, вычисляем плотность поверхности каждого из трубопроводов, приходящуюся на единицу поверхности территории (формулы (7.10 – 7.12)):

м²/га

м²/га

м²/га

Среднюю плотность тока, необходимого для защиты трубопроводов, определяем по формуле (7.13):

мА/м²

По формуле (7.16) вычисляем суммарную силу защитного тока:

А

Ориентировочно принимая ток одной катодной станции 25 А находим количество катодных станций:

шт.,

приняв к установке 2 катодные станции, уточняем силу тока защиты:

А

По формуле (7.19) вычисляем коэффициент и находим радиус действия каждой катодной станции по формуле (7.18):

м²/га

Пример 7.3. На основании условия примера 7.2 подобрать катодные станции и анодное заземление. Тип грунта в районе защиты – супесь. Длина алюминиевого дренажного кабеля 150 м, а его сечение 3×16 мм².

Решение. На основании решения задачи 2 принимаем защитный ток одной катодной станции А, среднее значение сопротивления грунта – Ом∙м.

Согласно табл. 41 и с учетом рекомендаций табл. 39 принимаем глубинное анодное заземление «Менделеевец» – МГ с электродами из высококремнистого чугуна:

длина электродов – 5,6 м;

диаметр электродов – 80 мм;

масса электрода – 160 кг;

скорость растворения материала электродов анодного заземления 0,4 кг/А·год;

глубину заложения принимаем 8 м.

Сопротивление растеканию одного вертикально расположенного электрода заземлителя определяем по формуле (7.27):

Количество электродов в заземлении вычисляем по формуле (7.23), где величина принята по табл. 40 и равна 1,5 Ом:

К установке принимаем 5 электродов, установленных однорядно.

По формуле (7.25) определяем действительное сопротивление растеканию анодного заземления:

Силу тока, стекающего с заземления, определяем по формуле (7.33):

А

Срок службы анодного заземления находим по формуле (7.32):

Зная размеры и материал изготовления дренажного кабеля, рассчитываем его сопротивление (формула (7.21)):

Выходное напряжение установки катодной станции (преобразователя) вычисляем по формуле (7.20):

В

По формуле (7.22) определяем мощность УКЗ:

Вт

С учетом 30% запаса на развитие сети выбираем катодные станции (табл. 38) ПАСК-М 5,0-96/48 У1 с параметрами: В, А, кВт.

Пример 7.4. На основании условия примера 7.1 выполнить расчет дренажной защиты. Длина медного дренажного кабеля составляет 700 м.

Решение. Исходя из решения примера 7.1:

мА/м²

А

м²/га

Радиус действия усиленного дренажа определяем по формуле (7.1):

Сопротивление дренажного кабеля находим по формуле (7.3):

Сечение дренажного кабеля рассчитываем по формуле (7.4):

Принимаем кабель АВРГ4×40 (4 – количество жил, 40 – площадь сечения одной жилы, мм²).

Пример 7.5. Рассчитать систему протекторной защиты (ПЗ) для защиты двух почти параллельных новых построенных отводов от действующей газопроводной сети, электрически отсеченных от нее и от вводов в дома изолирующими фланцами. Диаметр каждого ввода 0,057 м, длина 30 м, расстояние между отводами 20 м, удельное сопротивление грунта 10 Ом м. Необходимый суммарный начальный ток защиты обоих отводов, определенный по данным опытного включения передвижной катодной станции равен 0,2 А. Для устройства ПЗ использовать типовые комплектные магниевые протекторы ПМ10У с активатором. Необходимый срок эксплуатации не менее 10 лет. Глубина установки протектора 1,6 м.

Решение. По формуле (7.35) для ПМ10У сопротивление растеканию протектора:

Ом

Приняв условно год^–1 (табл. 45) из формулы (7.36) при лет получим конечное значение силы защитного тока:

А

Ток, генерируемый одним протектором (формула (7.34)):

(ток требуемый для защиты обоих отводов)

Поэтому необходимо устройство группы протекторов.

Используя формулу (7.37) получим предварительное число протекторов в группе:

шт.

Принимаем 3 протектора с расстоянием между протекторами 2 м и отношением (где принята по табл. 43 для ПМ10У).

По графику рис. 15 находим коэффициент экранирования: 0,82. Он мало отличается от предварительно принятого, поэтому окончательно принимаем число протекторов – 3 шт.

Максимальная сила тока ПЗ должна быть равна (формула (7.39)):

А,

т.е. практически совпадает с необходимой конечной (через 10 лет) силой тока ПЗ (0,3 А). Для уменьшения этого тока до необходимой начальной величины в цепь протектор – трубопроводы необходимо включить регулируемый резистор. После его полного вывода через 10лет сила тока и станет равной 0,3 А.

Теперь оценим, будет ли приемлемой потеря массы протектора за 10 лет.

Начальный и конечный токи защиты на один протектор равны соответственно: А и А. Средний ток за 10 лет равен 0,084 А.

Потеря массы протектора за 10 лет эксплуатации по формуле (7.40) равна:

, отсюда кг.

Таким образом, масса протектора уменьшится всего на 18,5%. Однако ввиду необходимости дальнейшего (после 10 лет) увеличения защитного тока в результате старения изоляции защита трубопроводов данной группой протекторов не будет обеспечиваться, так как сила тока от нее не может превысить указанного максимального значения, рассчитанного по формуле (7.39). В этом случае через 10 лет необходимо заменить существующую группу протекторов на новую, с увеличенным числом протекторов, или выполнить расчет и установить протекторы другого типа.

Задачи

7.1. Выполнить расчет катодной защиты подземных сооружений на территории квартала новой застройки площадью 10 га (определить радиус действия, количество и тип катодных станций, подобрать анодное заземление). На территории квартала, требующего защиты, расположены газопроводы низкого и среднего давления, теплопроводы и водопроводы следующих диаметров и длин:

газопроводы		водопроводы		теплопроводы
, мм	, м	, мм	, м	, мм	, м
250	850	2×100	300	2×125	140
200	730	100	300	2×150	280
150	240	150	450	2×200	260
125	280	200	600	2×250	235
100	600	250	100	2×300	169

Средняя коррозионная активность грунта на территории защищаемого района 30 Ом∙м. Длина медного дренажного кабеля 215 м, а его сечение 3×25 мм².

7.2. Выполнить расчет катодной защиты подземных газопроводов низкого и среднего давления, расположенных на территории новой застройки площадью 7 га (определить радиус действия, количество и тип катодных станций, подобрать анодное заземление). Диаметры и длины газопроводов:

газопроводы
, мм	, м
150	800
125	635
100	480
80	320
70	50

Коррозионная активность грунта на территории защищаемого района от 20 до 60 Ом∙м. Длина медного дренажного кабеля 170 м, а его сечение 2×30 мм².

7.3. На территории площадью 18 га после завершения строительства будут размещены газопроводы и водопроводы. Выполнить расчет катодной защиты подземных сооружений (определить радиус действия, количество и тип катодных станций, подобрать анодное заземление). Диаметры, длины трубопроводов и удельное сопротивление грунта приведены в таблице:

газопроводы						водопроводы
, мм	, м	, Ом∙м	, мм	, м	, Ом∙м	, мм	, м	, Ом∙м
250	350	30	125	218	30	300	425	10
200	278	70	100	115	60	250	470	40
200	180	50	100	102	40	200	240	15
150	400	20	100	90	10	150	212	15
125	300	10				150	125	20

Длина алюминиевого дренажного кабеля 120 м, а его сечение 4×18 мм².

7.4. Выполнить расчет катодной защиты подземных газопроводов низкого и среднего давления расположенных на территории новой застройки площадью 12 га (определить радиус действия, количество и тип катодных станций, подобрать анодное заземление). Диаметры, длины трубопроводов и удельное сопротивление грунта приведены в таблице:

газопроводы
, мм	, м	, Ом∙м	, мм	, м	, Ом∙м	, мм	, м	, Ом∙м
250	400	40	150	180	20	100	180	20
200	380	50	150	240	10	100	212	60
200	260	20	125	420	40	80	70	10
150	125	30	125	301	30

Длина алюминиевого дренажного кабеля 200 м, а его сечение 4×21 мм².

7.5. Выполнить расчет катодной защиты подземных сооружений на территории квартала новой застройки площадью 11 га (определить радиус действия, количество и тип катодных станций, подобрать анодное заземление). На территории квартала, требующего защиты, расположены газопроводы низкого и среднего давления, теплопроводы и водопроводы следующих диаметров и длин:

газопроводы		водопроводы		теплопроводы
, мм	, м	, мм	, м	, мм	, м
250	470	100	350	2×125	150
200	560	150	800	2×150	310
150	700	200	120	2×200	420
125	318	250	80	2×250	412
100	212			2×300	170
80	100
70	60

Коррозионная активность грунта на территории защищаемого района от 10 до 40 Ом∙м. Длина алюминиевого дренажного кабеля 185 м, а его сечение 3×32 мм².

7.6. Выполнить расчет катодной защиты подземных газопроводов низкого и среднего давления и водопроводов, расположенных на территории новой застройки площадью 9 га (определить радиус действия, количество и тип катодных станций, подобрать анодное заземление). Диаметры и длины трубопроводов:

газопроводы		водопроводы
, мм	, м	, мм	, м
150	750	200	612
125	712	150	548
100	811	125	415
80	420	100	300
70	100

Средняя коррозионная активность грунта на территории защищаемого района 20 Ом∙м. Длина медного дренажного кабеля 100 м, а его сечение 2×17 мм².

7.7. На территории площадью 14 га после завершения строительства будут размещены газопроводы, водопроводы и теплопроводы. Выполнить расчет катодной защиты подземных сооружений (определить радиус действия, количество и тип катодных станций, подобрать анодное заземление). Диаметры, длины трубопроводов и удельное сопротивление грунта приведены в таблице:

газопроводы			водопроводы			теплопроводы
, мм	, м	, Ом∙м	, мм	, м	, Ом∙м	, мм	, м	, Ом∙м
250	350	30	125	218	30	2×125	425	10
200	278	70	100	115	60	2×150	470	40
200	180	20	100	102	40	2×200	240	15
150	400	20	100	90	10	2×250	212	15
125	300	10

Длина алюминиевого дренажного кабеля 135 м, а его сечение 3×18 мм².

7.8. Выполнить расчет дренажной защиты подземных сооружений на территории квартала новой застройки площадью 10 га. На территории квартала, требующего защиты, расположены газопроводы низкого и среднего давления, теплопроводы и водопроводы (диаметры и длины принять по табл. задачи 7.1). Средняя коррозионная активность грунта на территории защищаемого района 32 Ом∙м. Длина медного дренажного кабеля составляет 720 м.

7.9. Выполнить расчет дренажной защиты подземных газопроводов низкого и среднего давления, расположенных на территории новой застройки площадью 5 га. Диаметры и длины газопроводов принять по табл. задачи 7.2. Коррозионная активность грунта на территории защищаемого района от 20 до 60 Ом∙м. Длина медного дренажного кабеля 500 м.

7.10. На территории площадью 20 га после завершения строительства будут размещены газопроводы и водопроводы. Выполнить расчет дренажной защиты подземных сооружений. Диаметры, длины трубопроводов и удельное сопротивление грунта принять по табл. задачи 7.3. Длина алюминиевого дренажного кабеля 800 м.

7.11. Выполнить расчет дренажной защиты подземных газопроводов низкого и среднего давления расположенных на территории новой застройки площадью 15 га. Диаметры, длины трубопроводов и удельное сопротивление грунта принять по табл. задачи 7.4. Длина алюминиевого дренажного кабеля 400 м.

7.12. Выполнить расчет дренажной защиты подземных сооружений на территории новой застройки площадью 18 га. На территории, требующей защиты, расположены газопроводы низкого и среднего давления, теплопроводы и водопроводы диаметров и длин приведенных в табл. задачи 7.5. Коррозионная активность грунта на территории защищаемого района от 10 до 30 Ом∙м. Длина алюминиевого дренажного кабеля 1000 м.

7.13. На территории площадью 16 га после завершения строительства будут размещены газопроводы, водопроводы и теплопроводы. Выполнить расчет дренажной защиты подземных сооружений. Диаметры, длины трубопроводов и удельное сопротивление грунта принять по табл. задачи 7.7. Длина алюминиевого дренажного кабеля 915 м.

7.14. Выполнить расчет дренажной защиты газопроводов, находящихся на расстоянии 1,5 км от метрополитена, если расстояние до ближайшей тяговой подстанции 1,3 км, срок службы газопроводов 6 лет, изоляция усиленного типа на основе полиолефина. Плотность защитного тока принять 15 мА/м², удельную плотность трубопроводов – 98,7 м²/га.

7.15. Выполнить расчет дренажной защиты газопроводов, находящихся на расстоянии 300 м от трамвайного пути, если расстояние до ближайшей тяговой подстанции 2 км, срок службы газопроводов 17 лет, изоляция усиленного типа на основе полиолефина. Плотность защитного тока принять 17 мА/м², удельную плотность трубопроводов – 100 м²/га.

7.16. Выполнить расчет дренажной защиты газопроводов, находящихся на расстоянии 5 км от железной дороги, если расстояние до ближайшей тяговой подстанции 10 км, срок службы газопроводов 12 лет, изоляция усиленного типа на основе термоусаживающихся материалов. Плотность защитного тока принять 19 мА/м², удельную плотность трубопроводов – 112,5 м²/га.

7.17. Выполнить расчет дренажной защиты двух параллельно уложенных газопроводов, находящихся на расстоянии 600 м от трамвайного пути, если расстояние до ближайшей тяговой подстанции 800 м, срок службы газопроводов 2 года, изоляция усиленного типа на основе термоусаживающихся материалов. Плотность защитного тока принять 21 мА/м², удельную плотность трубопроводов – 154 м²/га.

7.18. Выполнить расчет дренажной защиты двух параллельно уложенных газопроводов, находящихся на расстоянии 2,3 км от железной дороги, если расстояние до ближайшей тяговой подстанции 30 км, срок службы газопроводов 8,5 лет, изоляция усиленного типа на основе термоусаживающихся материалов. Плотность защитного тока принять 23 мА/м², удельную плотность трубопроводов – 168 м²/га.

7.19. Рассчитать систему протекторной защиты (ПЗ) нового построенного отвода от действующей сети газоснабжения, электрически отсеченного от нее изолирующим фланцевым соединением. Диаметр отвода 80 мм, длина 20 м, удельное сопротивление грунта 20 Ом м. Необходимый суммарный начальный ток защиты, определенный по данным опытного включения передвижной катодной станции равен 0,15 А. Необходимый срок эксплуатации не менее 15 лет. Глубина установки протектора 1,6 м. Для устройства ПЗ использовать типовые комплектные магниевые протекторы ПМ10У с активатором.

7.20. Решить задачу 7.19 при условии использования для устройства протекторной защиты типовых комплектных магниевых протекторов ПМ20У с активатором.

7.21. Определить зону защиты, срок службы и общее число протекторов ПМ5У с активатором в группе, установленных для защиты нового отвода, электрически отсеченного от действующей газопроводной сети. Диаметр отвода 100 мм, длина 50 м, изоляционное покрытие на основе термоусаживающихся материалов, удельное сопротивление грунта 10 Ом м. Начальная и конечная сила тока защиты соответственно 0,25 А и 0,5 А. Глубину установки протекторов принять 1,6 м, площадь защищаемой территории 2 га.

7.22. Решить задачу 7.21 при условии использования протекторов ПМ5У без активатора.

7.23. Определить зону защиты, срок службы и общее число протекторов ПМ20У в группе, установленных для защиты нового отвода, электрически отсеченного от действующей газопроводной сети. Диаметр отвода 50 мм, длина 25 м, удельное сопротивление грунта 20 Ом м. Начальная и конечная сила тока защиты соответственно 0,18 А и 0,42 А. Глубину установки протекторов принять 1,6 м, площадь защищаемой территории 1,2 га.

7.24. Решить задачу 7.23 при условии использования протекторов ПМ20У с активатором.

7.25. Рассчитать систему протекторной защиты (ПЗ) для защиты двух почти параллельных новых построенных отводов от действующей газопроводной сети, электрически отсеченных от нее и от вводов в дома изолирующими фланцами. Диаметр каждого ввода 70 мм, длина 40 м, расстояние между отводами 25 м, удельное сопротивление грунта 15 Ом м. Необходимый суммарный начальный ток защиты обоих отводов, определенный по данным опытного включения передвижной катодной станции равен 0,3 А. Необходимый срок эксплуатации не менее 20 лет. Глубина установки протектора 1,6 м. Для устройства ПЗ использовать типовые комплектные магниевые протекторы ПМ10У с активатором.

7.26. Решить задачу 7.25 при условии использования протекторов ПМ10У без активатора.

Таблица 31 – Зависимость коррозионной агрессивности грунта и скорости

коррозии трубопроводов от удельного сопротивления почвы

Удельное электрическое сопротивление грунта, , Ом∙м	Коррозионная агрессивность грунта	Скорость почвенной коррозии, мм/год
более 100	Низкая	до 0,3
20 – 100	Средняя	0,3 – 0,8
10 – 20	Повышенная	0,8 – 1,6
5 – 10	Высокая	1,6 – 2,6
менее 5	Особо высокая	выше 2,6

Таблица 32 – Основные технические характеристики

электрифицированного транспорта

Вид электрифицированного транспорта	Род тока	Номинальное напряжение, кВ	Средняя потребляемая мощность на 1 км линии, кВт	Средняя удельная тяговая нагрузка на 1 км линии, А	Среднее расстояние между тяговыми подстанциями, км
Железнодорожный	постоянный переменный	3,3 27,5	300 – 600 300 – 600	100 – 200 15 – 30	10 – 20 40 – 60
Метрополитены	постоянный	0,825	600 – 800	800 – 1000	1 – 3
Трамвай	постоянный	0,6	180 – 300	300 – 500	1 – 3

Таблица 33 – Значение коэффициентов К₁ и К₂

Расстояние, км	Величина коэффициента
до 0,5	0,9	0,9
0,5 – 1	0,7	0,6
1 – 2	0,4	0,35
2 – 3	0,2	0,2
более 3	0,1	0,1

Таблица 34 – Значение коэффициента К₃

Тип изоляционного покрытия трубопровода	Величина коэффициента
Трех-, двухслойное полимерное покрытие на основе термореактивных смол и полиолефина; покрытие на основе термоусаживающихся материалов	0,3
Вес остальные покрытия усиленного типа, кроме мастичных и полимерно-битумных	0,5
Мастичные и полимерно-битумные покрытия	0,8
Все покрытия нормального типа	0,9

Таблица 35 – Значение коэффициента К₄

Срок службы трубопровода, годы	Величина коэффициента
менее 3	0,5
5 – 7	0,6
7 – 10	0,8
10 – 15	0,9
более 15	1,0

Таблица 36 – Значение коэффициента К₅

Количество параллельных трубопроводов	Величина коэффициента
1	0,75
2	0,85
3	0,93
4	0,97
более 4	1,00

Таблица 37 – Технические характеристики преобразователей катодной защиты

Наименование параметров	Единица измерения	Тип преобразователя
		ПТА-1,6	ПТА-3,0	ОПС-25-24-У1	ОПС-50-24-У1	ОПС-63-48-У1
Напряжение однородной питающей сети частотой 50 Гц	В	220 20		220 (+10; -20)
Номинальная выходная мощность	кВт	1,6	3,0	0,6	1,2	3,0
Номинальное выпрямленное напряжение	В	48/24	96/48	24	24	48
Номинальный выпрямленный ток	А	33/66	31/62	25	50	63
КПД, не менее	%	70		67		70
Коэффициент мощности, не менее	-	0,85		0,8
Диапазон установки защитного потенциала	В	-0,8…-3,5
Точность поддержания защитного потенциала	%	2		1
Режим работы	-	автоматический		автоматический, ручной (резервный)
Габаритные размеры	мм	612 654 458		600 540 900
Масса	кг	95	116	92	106	115

Таблица 38 – Технические характеристики преобразователей

автоматических сетевых катодных (ПАСК)

Наименование параметров	Единица измерения	Тип преобразователя
		ПАСК-М 0,6-48/24 У1	ПАСК-М 1,2-48/24 У1	ПАСК-М 2,0-96/48 У1	ПАСК-М 3,0-96/48 У1	ПАСК-М 5,0-96/48 У1
Напряжение однородной питающей сети частотой 50 Гц	В	220 22
Номинальная выходная мощность	кВт	0,6	1,2	2,0	3,0	5,0
Номинальное выпрямленное напряжение	В	48/24	48/24	96/48	96/48	96/48
Номинальный выпрямленный ток	А	12,5/25	25/50	21/42	31/62	52/104
КПД, не менее	%	63		65	67	68
Коэффициент мощности, не менее	-	0,85
Диапазон установки защитного потенциала	В	-0,8…-3,5
Точность поддержания защитного потенциала	%	2
Режим работы	-	автоматический
Габаритные размеры	мм	500 380 1000		700 450 1300
Масса	кг	110	123	135	155	205

Таблица 39 – Рекомендуемые условия применения анодных материалов

Анодный материал	Удельное электрическое сопротивление грунта, Ом·м	Конструкция анодного заземления
Высококремнистый чугун	менее 20	подпочвенное
Графит, графитизированные и графитсодержащие материалы	от 15 до 40	глубинное со сроком службы не более 10 лет
Высококремнистый чугун в коксовой засыпке	от 15 до 40	глубинное, подпочвенное
Магнетит	менее 10
Графит, графитизированные и графитсодержащие материалы в коксовой засыпке	от 10 до 60	все типы
Сталь низкоуглеродистая (лом)	более 40	глубинное, подпочвенное
Сталь низкоуглеродистая в коксовой засыпке	более 60	подпочвенное

Таблица 40 – Условия применения различных типов анодных заземлений и требования к максимальному значению