Bài thiết kế anode hy sinh

Ti liu tham kho:
[1] Recommended practice DNV-RP-B401, Cathodic Protection design
[2] Norsok Common Requirements Cathodic Protection (M-CR-503 – 1994
BI TP THIT K CHNG ĂN MN BNG ANODE HY SINH
Lý thuyết tính toán
•
Cơ sở cho việc tính toán chống ăn mòn bằng anode theo ([1] quy phạm DnV RP B401-2005. ( Cathodic
Protection Design ).
•
Tuổi thọ của hệ thống bảo vệ bằng tuổi thọ của công trình (năm).
•
Diện tích bề mặt tuyến ống cần bảo vệ S, m
2
.
S
c
=(m
2
)

Trong đó:
+
D: Đường kính ngoài của ống thép, m
+
L: Chiều dài của tuyến ống, m
•
Cường độ dòng điện yêu cầu I
C
, (A) .
Lý thuyết tính toán
I

c
= S
c
.i
c
.f
c
Trong đó:
+
A
c
là diện tích bề mặt tuyến ống cần bảo vệ
+
f
c
là hệ số phá huỷ sơn, phụ thuộc vào đặc tính của chất sơn phủ ([1]/6.4.4), dùng hệ số phá hủy sơn trung bình để tính toán.
+
i
c
là mật độ dòng điện bảo vệ( A/m
2
).

t
f
là tuổi thọ thiết kế của công trình, t
f
= 25 năm.

Các hệ số a, b tra theo bảng ([1]/10.4)

2
.
f
cm
t
baf +=
Lý thuyết tính toán
Ở đây giả thiết sơn chống ăn mòn loại III ([1]/6.4.6), chiều dày nhỏ nhất của mỗi lớp là 5mm, độ sâu nước là 28 m, tra
bảng 10-4 ta được a = 0,02 ; b = 0,012
17,0
2
25
.012,002,0 =+=
cm
f
Lý thuyết tính toán
+
i
c
là mật độ dòng điện bảo vệ( A/m
2
). Mật độ của dòng điện bảo vệ - mật độ dòng điện thiết kế ban đầu phụ thuộc vào sự thay
đổi độ sâu đáy biển và nhiệt độ vùng cần bảo vệ, được lấy theo bảng sau: ([1]/10.2)
Bảng 5.2 Mật độ dòng điện thiết kế trung bình cho thép trần, A/m
2
Độ sâu
m
Nhiệt đới
>20
0

C
Cận nhiệt đới
12
0
- 20
0
C
Ôn đới
7
0
-12
0
C
Vùng lạnh
< 7
0
0 ÷ 30
0.07 0.08 0.10 0.120
> 30 0.06 0.07 0.08 0.100
Theo như điều kiện vùng thuộc nhiệt đới, độ sâu công trình 28 m < 30 m nên i
c
=0,07 A/m
2
.
•
Lựa chọn loại anode.
Lý thuyết tính toán
Do đường ống ngầm bọc bê tông gia tải nên không sử dụng anode dạng hình trụ và dạng hình thang. Ta sử dụng loại anode dạng hình bán
khuyên,vật liệu chế tạo anode sử dụng là hợp kim của nhôm và kẽm, loại này được áp dụng cho nhiều đường ống với các đặc trưng thích hợp như
hình dạng mặt cắt có dạng vành khuyên dễ dàng lắp đặt vào các đường ống có tiết diện hình tròn.

•
Điện trở bề mặt của anode - R
a
(omh). ([1]/10.7)
Lý thuyết tính toán
Bảng 10.7: Công thức xác định điện trở anode.
Loại anode Công thức xác định điện trở
L ≥ 4.r


L ≤ 4.r

L ≥ 4× bề dày
Dạng hình bán khuyên






−
π
ρ
= 1
r
L.4
ln
L 2
R
a















++

























++
π
ρ
=
L.2
r
1
L.2
r
11
r
L.2
ln
L 2
R
2
a
S2
R
a
×

ρ
=
a
a
A
R
ρ
.315.0
=
Trong đó:
+ ρ: Điện trở suất của môi trường, ohm.m
Lý thuyết tính toán
+
L: Chiều dài của anode, m.
+
r: Bán kính của anode, m.Nếu anode không ở dạng hình trụ thì r = C/2 π, với C là chu vi mặt cắt ngang của
anode.
+
S: Trung bình chiều rộng và dài của anode, m.
+
A
a
: Diện tích bề mặt của anode, m
2
•
Dòng điện ra của anode - I
a
(A):
Lý thuyết tính toán
Trong đó:

+
U là hiệu điện thế giữa điện thế làm việc tối thiểu của anode (V).
+
E
0
c
điện thế tuỳ thuộc vào loại anode được chọn (V)
+
E
0
a
điện thế nhỏ nhất để bảo vệ thép trần,([1]/5.4.1) E
0
a
= 0.8 V
0 0
( ).
c a
a
a a
E E
U
I A
R R
−
= =
•
Số lượng anode N.
Lý thuyết tính toán
u : Hệ số sử dụng anode, tra bảng ([1]/10.8)

Bảng 10.8 : Hệ số sử dụng anode, u.
Loại anode Hệ số sử dụng (u)
L ≥ 4 r
0.9
L <4r 0.85
L ≥ chiều dày
0.85
Loại nhiều cạnh hình xuyến 0.8
( ).
.
c
a
I
N anode
I u
=
Tính toán các thông số hệ thống Anode :
Số liệu đầu vào :
−
Tuyến đường ống nối 2 dàn RC6 – RP1 :
+
Chiều dài tuyến ống ( m ) 8803
+
Đường kính ngoài (mm) 168,3
+
Mác thép API 5L X60
+
Tuổi thọ thiết kế của công trình ( năm ) 25
−
Lớp sơn phủ:

+
Vật liệu sơn AE
+
Chiều dày, (mm) 5
−
Môi trường nước biển:
+
Nhiệt độ (
0
C) 18-28
Điện trở riêng ρ, ohm-m 0,2
Tính toán các thông số Anode :
−
Diện tích bề mặt tuyến ống :
S
c
=.D.L = .0,1683.8803=4654,4m
2

−
Hệ số phá huỷ sơn , f
c
= f
cm
= 0,14
−
Mật độ dòng điện bảo vệ : i
c
=0,07 A/m
2

−
Cường độ dòng điện yêu cầu bảo vệ, (A ):
I
c
= S
c
.f
cm
.i
c
= 4654,4.0,17.0,07=55,39 (A)
Lựa chọn anode cho tuyến ống:
Tuyến ống có đường kính D = 323,8 mm, chiều dày sơn chống ăn mòn là 5 mm,ta chọn anode loại BA 57 có các thông số kỹ
thuật :
o
Đường kính trong : 174 mm
o
Đường kính ngoài : 270 mm
o
Chiều dài : 500 mm
o
Điện thế bảo vệ : 1,09 ( V )
o
Khối lượg tịnh của 1 anode : 57 kg
Tính toán các thông số Anode :
Các thông số tính toán cho anode lựa chọn :

Chiều dài tuyến ống cần bảo vệ : 8803 m

Diện tích bề mặt tuyến ống cần bảo vệ : A

c
=4654,4 m
2
.

Điện trở của 1 anode :

Dòng điện ra của 1 anode :

Số lượng anode yêu cầu :
Vậy chọn 24 anode cho tuyến ống này
)(0968,0
5,0.270,0.
2,0.315,0.315,0
ohm
A
R
a
a
===
π
ρ
)(996,2
0968,0
8.009,1
A
R
EE
R
U

I
a
o
a
o
c
a
a
=
−
=
−
==
)(1,23
8,0.996,2
39,55
.
anode
uI
I
N
a
c
===

Khoảng cách giữa các anode :
Các thông số tính toán cho anode lựa chọn :
Theo quy phạm Norsok Common Requirements Cathodic Protection (M-CR-503 – 1994 mục 6.7), khoảng cách giữa các
anode không nên quá 200 m. Như vậy số lượng anode cần dùng là:
Ta chọn 45 anode cho tuyến ống. Khoảng cách giữa các anode là:

)(8,366
24
8803
mL ==
)(015,44
200
8803
anodeN ==
)(6,195
45
8803
mL ==
Kiểm tra hệ thống Anode đã thiết kế
Hệ thống anode tính toán cần thỏa mãn các yêu cầu sau ([1]/7.8.4)
C
a tot
= N.C
a
≥ I
cm
. t
f
.8760 ( 1 )
I
a tot i
= N.I
ai
≥ I
ci
( 2 )

I
a tot f
= N.I
af
≥ I
cf
( 3 )
Trong đó :
C
a tot
: Tổng điện dung dòng điện do hệ thống anode tạo ra ( A.h )
N : Số anode sử dụng
C
a
: Điện dung dòng điện của 1 anode ( A.h ).
I
cm
: Cường độ dòng điện trung bình yêu cầu ( A )
t
f
: Tuổi thọ của công trình , lấy bằng 30 năm.
8760 : Số giờ trong 1 năm.
I
a tot i
, I
a tot f
: Tổng cường độ dòng điện ra của hệ thống anode lúc đầu và trong giai đoạn cuối, ( A )
I
ai
, I

af
: Cường độ dòng điện ra của 1 anode lúc đầu và trong giai đoạn cuối.
I
ci
, I
cf
: Cường độ dòng điện yêu cầu lúc đầu và trong giai đoạn cuối.
Tính toán các thông số :
•
Tính C
a

C
a
= m
a
.ε.u
m
a
= 60 kg : Khối lượng tịnh của 1 anode
ε : Điện dung điện hóa thiết kế , ε = 2000 (Ah/kg ),([1]/10.6)
u : Hệ số sử dụng anode, u = 0,8
 C
a
= 60.2000.0,8 = 96000 ( A.h )
•
Tính I
cm
, I
ci

, I
cf

i
ci
, i
cm,
i
cf
: Mật độ dòng điện ban đầu, trung bình, cuối
cùng , tra [1], bảng 10.1 và 10.2, ta được :
. .
. .
. .
cm c cm cm
ci c ci ci
cf c cf cf
I A i f
I A i f
I A i f
=
=
=
Bảng 5.6 : Xác định mật độ dòng điện
i
ci
( A/m
2
) i
cm

( A/m
2
) i
cf
( A/m
2
)
0,15 0,07 0,1
Tính toán các thông số :
f
ci
, f
cm
, f
cf
: Hệ số phá hủy sơn ban đầu, trung bình và cuối cùng, xác định theo các công thức sau :
.
2
.
ci
f
cm
cf f
f a
t
f a b
f a b t
=
= +
= +

Kết quả tính toán :
Tính toán các thông số :
Bảng 5.7 : Xác định hệ số phá hủy sơn
a b
t
f
f
ci
f
cm
f
cf
0,02 0,012 25 0,02 0,17 0,32