книги / Типовые расчёты при проектировании и эксплуатации нефтебаз и нефтепроводов

R lB, R lr - сопротивление растеканию одиночного электрода соответ­ ственно вертикального и горизонтального; пв, пг - количество вертикально и горизонтально расположенных электродов в заземлении;

TiB, т|г - коэффициенты их экранирования (см. рис. 13.1,13.2). Электроды анодного заземления могут устанавливаться либо

непосредственно в грунт, либо в коксовую засыпку, существенно уменьшающую скорость их растворения. Сопротивление растеканию тока с вертикального и горизонтального электродов в коксовой за­ сыпке определяется по формулам:

где La - высота (при вертикальном расположении) или длина (при горизонтальном расположении) электрода, включая засыпку; da, d - диаметры соответственно засыпки и электрода; h - расстояние от поверхности земли до середины электрода; ра - удельное электро­ сопротивление активатора.

При расчетах комбинированного анодного заземления величина La равна длине горизонтальной шины, a Rir вычисляют по формуле

При установке электродов анодного заземления непосредствен­ но в грунт

где L3 - длина электрода.

541

Габаритные размеры электродов различных типов приведены в табл. 13.3.

Таблица 13.3

Габаритные размеры, масса и стоимость анодных заземлителей из железокремневых сплавов

Величина коэффициентов экранирования т|в и т|г учитывающих взаимное влияние электродов, зависит от числа заземлителей, рас­ стояния между ними и параметров одиночного заземлителя;она вы­ числяется по формуле

где R„ RK— сопротивления растеканию соответственно с централь­ ного и крайнего электродов заземления

Ai-E.+^l + CA,-^)2

542

При оптимизационном расчете величины коэффициентов экра­ нирования используют для определения числа электродов заземле­ ния, функциями которого являются сами т)в и т|г, то есть при оптими­ зации параметров СКЗ определение коэффициентов экранирования может выполняться только методом подбора. В первом приближении для вычисления величин Ru и RKчисло электродов анодного заземле­ ния необходимо определять, выбирая т|в и т|г согласно табл. 13.4.

Таблица 13.4

С целью упрощения расчетов для стальных трубчатых электро­ дов и электродов из уголка построены графики зависимости коэф­ фициентов экранирования от числа заземлителей (рис. 13.1,13.2).

Часть этих данных представлена в табл. 13.5,13.6.

Таблица 13.5

Коэффициент экранирования т|в вертикальных трубчатых заземлителей,

размещенных в ряд, без учета влияния соединительной полосы

Примечание: наименьшие значения TI„соответствуют L3/d3 = 20, а наибольшие L3/d3 = 68, где d3диаметр заземлителя.

543

Таблица 13.6

Коэффициенты экранирования для горизонтальной рабочей шины

анодного заземления, состоящ его из расположенных в ряд

вертикальных трубчатых электродов, объединенных шиной в земле

С учётом расчётных значений потребной мощности Рскз силы тока нагрузки 1др и напряжения на выходных контактах СКЗ ДЕ по табл. 13.7 выбирается тип СКЗ.

В практике катодной защиты применяют медные и алюминие­ вые провода. Сведения о них приведены в табл. 13.8.

Таблица 13.7

Технико-экономические характеристики катодных станций

где G - вес одного электрода, кг; т|и - коэффициент использования электродов, Т1И= 0,77; п - число электродов анодного заземления;

1др— среднее значение силы тока в цепи СКЗ, A; q — электрохими­ ческий эквивалент материала электродов, кгДАтод).

544

Рис. 13.1. Зависимость коэффициента экранирования вертикальных электродов от их числа при различных отношениях а/1:

а- без засыпки;

б—в коксовой засыпке

Рис. 13.2. Зависимость коэффициента экранирования стальных электродов от их числа при различных отношениях а/1:

а- горизонтальные электроды без засыпки;

б- вертикальные электроды из уголка в коксовой засыпке

546

Величины электрохимического эквивалента электродов из раз­ личных материалов следующие: стальные аноды без активатора - 10 кг/(Атод); стальные аноды с активатором - 3,4 кг/(Атод); желе­ зокремнистые аноды без активатора — 0,2 кг/(Атод); железокрем­ нистые аноды с активатором - 0,1 кг/(А-год).

Практика эксплуатации установок катодной защиты, а также специальные исследования показали, что срок службы анодных за­ землений, установленных непосредственно в грунт, мало зависит от плотности тока, растекающегося с заземления. Однако при плотно­ сти тока выше ЮА/м2 на поверхности электродов возможно образо­ вание слоя продуктов коррозии, обладающих высоким сопротивле­ нием, что потребует увеличения напряжения, а следовательно, и потребляемой мощности СКЗ.

У электродов, устанавливаемых в коксовую мелочь, заметное изменение напряжения СКЗ наблюдается при плотности тока более

где КР - коэффициент снижения скорости разрушения анодов, за­ висящий (рис. 13.3) от плотности тока j, которая равна

(13.28)

Sa - суммарная поверхность рабочих электродов анодного заземления. Если по условию задана величина электрохимического эквива­ лента материала электрода в коксовой засыпке, расчёт срока службы

заземления следует вести по формуле (13.26).

Срок службы анодного заземления для строящихся и реконстру­ ируемых трубопроводов должен составлять не менее 15 лет, а для эксплуатируемых - не менее 10 лет. В случае, когда расчётный срок службы анодного заземления меньше, необходимо увеличить число электродов в нем.

Количество электродов анодного заземления п является технико­ экономической величиной. С увеличением п, с одной стороны, воз­ растают капитальные затраты на электроды и амортизационные от­ числения по ним, а с другой —уменьшается сопротивление растеканию тока с анодного заземления. Минимальной величине приведённых затрат на сооружение и эксплуатацию анодного заземления соответ­ ствует оптимальное число электродов, вычисляемое по формуле,

(13.29)

547

одного электрода, руб.; т| - КПД катодной установки, т| = 0,7; е - нормативный коэффициент окупаемости капитальных вложений, е = 0,12 1/год; £ - норматив амортизационных отчислений для ус­ тановок электрохимической защиты, £ = 0,148 1/год.

Поскольку величина коэффициента экранирования зависит от числа электродов заземления, то уравнение (13.29) относительно попт может быть решено только методом последовательных при­ ближений. Удобнее всего сделать это графически.

Полезная энергия, идущая на защиту трубопровода, расхо­ дуется на входном сопротивлении трубопровода. Она составля­ ет в среднем 1...5% от общего энергопотребления на катодную защиту. Другие виды потерь энергии не имеют прямого отно­ шения к защите, однако без них невозможно её обеспечить. Так, потеря электроэнергии в дренажной линии составляют практи­ чески от 10 до 50% от общего расхода энергии на защиту трубо­ провода.

При уменьшении сопротивления дренажной линии за счёт уве­ личения сечения проводов Snp может значительно сократиться рас­ ход бесполезно теряемой электроэнергии. Однако при увеличе­ нии Snp возрастает стоимость дренажной линии. Реш ение

Рис. 13.3. Зависимость коэффициента Кр от анодной плотности тока j

548

технико-экономической задачи даёт следующее выражение для оптимального сечения дренажного провода:

(13.30)

где С, - коэффициент зависимость стоимости устройства 1 п.м дре­ нажной линии а пр от сечения проводов

Дренажный кабель может быть проложен либо по столбам воз­ душной линии, либо в траншее. Прокладка кабеля в траншее, как правило, обходится дороже. Так, для алюминиевого кабеля типа АСБ- 1 в траншее = 0,01 руб/м-мм2; С2 = 1,3 руб/м, а для его подвески по столбам воздушной линии Cj = 0,0035 руб/м-мм2; С2 = 0,025 руб/ м (цены 1980 г.).Однако, при прокладке кабеля в траншее возможен его порыв сельскохозяйственной техникой. Поэтому в дальнейшем будем рассматривать только вариант прокладки дренажного кабеля по столбам воздушной линии. Характеристика проводов линий элек­ тропередачи приведена в табл. 13.8.

С увеличением расстояния между анодным заземлением и тру­ бопроводом У увеличивается длина плеча защиты одной катодной станции, а следовательно, уменьшается их число и стоимость катод­ ной защиты. Однако при увеличении У возрастает стоимость соору­ жения линии постоянного тока, питающей СКЗ.

Кроме того, с удалением анодного заземления от трубопровода при той же разности потенциалов «трубопровод-грунт» в точке дре­ нажа увеличивается сила тока катодной установки, потребляемая ею мощность, сечение проводов линии постоянного тока, число заземлителей и стоимость анодного заземления.

Выбор оптимального удаления анодного заземления от трубопро­ вода производится из условия минимума отношения величины приве­ денных расходов на сооружение и эксплуатацию одной катодной уста­ новки к длине защищаемого ею участка, то есть по минимуму функции

ПК3(е + 4) + Э3

(13.31)

Капитальные затраты К3 на осуществление катодной защиты складывается из следующих величин:

- стоимости анодного заземления

(13.32)

549

- стоимости станции катодной защиты Кст и составляют

550