Определить мощность и число СКЗ магистрального трубопровода диаметром Dн = 1020 мм, с толщиной стенки δ = 10 мм, протяженностью L = 1000 км. Трубопровод проложен на местности с удельным электро-сопротивлением ρгр = 30 Ом∙м. Анодное заземление выполнить из вертикальных упакованных электродов, дренажную линию – воздушной, с подвеской из алюминиевого провода, марка электрода АК-1 , тип линии – воздушная. Начальное переходное сопротивление «трубопровод-грунт» Rпн = 8000 Ом∙м2. Средняя стоимость электроэнергии σэ = 0,02 руб/кВт∙ч.
Продольное сопротивление единицы длины трубопровода
.
где ρт – ориентировочное удельное электросопротивление строительной стали, ρт = 0,245∙10-6 Ом∙м.
Ом∙м.
Сопротивление единицы длины изоляции
Rиз = = 2497 Ом.
Входное сопротивление трубопровода
= 0,069 Ом.
Постоянная распределения токов и потенциалов вдоль трубопровода = 5,56 · 10-5 м-1.
При определении параметров системы электрохимзащиты следует стремиться к минимуму капитальных и эксплуатационных затрат на одну катодную установку. Производится расчет различных вариантов конфигурации СКЗ для определения оптимальных параметров оборудования. Технико-экономические показатели рассчитаны в ценах 1980 г.
Последовательно задаем удаление анодного заземления от трубопровода у от 100 до 450 м с шагом 50 м и определяем параметр θ:
= 0,688;

= 0,459;
= 0,344;
= 0,275;
= 0,229;
= 0,197;
= 0,172;
= 0,153.

Коэффициент взаимного влияния СКЗ друг на друга
,
где Emin, Emax – минимальный и максимальный наложенные защитные потенциалы, Emin= — 0,3 В, Emax= — 0,55 В.
= 0,586;
= 0,571;
= 0,563;
= 0,559;
= 0,557;
= 0,555;
= 0,553;
= 0,552.
Протяженность зоны защиты трубопровода одной СКЗ:
= 22167 м;
= 28392 м;
= 31793 м;
= 33947 м;
= 35438 м;
= 36535 м;
= 37371 м;
= 38032 м.
Среднее значение силы тока нагрузки СКЗ:
= 3,49 А;
= 4,23 А;
= 4,70 А;
= 5,02 А;
= 5,25 А;
= 5,43 А;
= 5,57 А;
= 5,68 А.
Сопротивление растеканию одиночного вертикального электрода
,
где la – длина электрода, da – диаметр электрода, по табл. 1 для анодного заземлителя АК-1 la=1400 мм, da=50 мм; Глубину заложения середины электродов примем равной h=2,5м.
= 14,21 Ом.

Таблица 1
Габаритные размеры и масса анодных заземлителей из железокремневых сплавов

Тип анода Размеры анода, мм
Размеры анода с активатором и металлическим кожухом, мм
Масса анода, кг

Диаметр Длина Диаметр Длина
ЗЖК-12 40 1365 — _ 12
ЗЖК-41 г 75 1365 — — 41
АК-1 50 1400 185 1420 21
АК-3 40 1365 185 1420 12
AK-1 г 75 1365 225 1700 41
АК-2г 40 1365 150 1700 12
АКО-1 30 1400 — − 54
АКО-2 80 1500 — − 52
АКО-3 80 550 — − 28
АКО-4 60 1500 − − 40
АКО-5 80 600 − − 54
АКО-6 56 1940 — — 32
АКО-7 180 2000 − — 140

Оптимальное количество электродов анодного заземления
,
где σэ – средняя стоимость электроэнергии, σэ = 0,02 руб/кВт·ч; σа – стоимость одного электрода, σа = 20 руб; η – КПД катодной установки, η=0,7; ηn – доля энергии, не расходуемой на входном сопротивлении трубопровода, ηn=0,95; ηэ – доля энергии, не теряемой в дренажной линии, ηэ=0,85; ε – нормативный коэффициент окупаемости капитальных вложений, ε = 0,12 год-1; ζ – норматив амортизационных отчислений для установок электрохимзащиты, ζ = 0,148 год-1.
= 3,16
округляя до целого числа, получим: nв=3;
= 3,84
округляя до целого числа, получим: nв=4;
= 4,26
округляя до целого числа, получим: nв=5;
= 4,55
округляя до целого числа, получим: nв=5;
= 4,76
округляя до целого числа, получим: nв=5;
= 4,92
округляя до целого числа, получим: nв=5;
= 5,05
округляя до целого числа, получим: nв=5;
= 5,15
округляя до целого числа, получим: nв=5.
Сопротивление анодного заземления
,
где ηв – коэффициент экранирования.
В первом приближении для вычисления величин Rа число электродов анодного заземления необходимо определять, выбирая ηв согласно табл. 2.
Таблица 2
Ориентировочные величины коэффициентов экранирования

a/lа 0,5 1 2 3 4 6 10
ηв
0,54 0,65 0,74 0,81 0,86 0,90 0,95
Примечание: a – длина электрода.
Принимаем a/lа = 3 тогда сопротивление анодного заземления составит:
= 5,85 Ом;
= 4,18 Ом;
= 3,34 Ом.
Оптимальная площадь сечения дренажного провода
,
где ρпр – удельное электросопротивление алюминиевого провода, ρпр = 0,029 Ом·мм2/м; С1 – коэффициент зависимости стоимости 1 п. м дренажной линии от сечения проводов.
Для алюминиевого кабеля при подвеске по столбам воздушной линии С1 = 0,0035 руб/м·мм2.
= 9,67 мм2;
= 11,74 мм2;
= 13,03 мм2;
= 13,92 мм2;
= 14,57 мм2;
= 15,06 мм2;
= 15,45 мм2;
= 15,76 мм2.
Для всех удалений по табл. 3 выбираем провод А-16 с фактическим сечением 15,89 мм2.
Сопротивление дренажного провода
,
где lпр – длина провода, lпр = y.
Таблица 3
Характеристика алюминиевых проводов линии электропередачи

Марка
проводов Число и диаметр
проводов, мм
Фактическое
сечение, мм2
А-16 7 х 1,70 15,89
А-25 7 x 2,10 24,25
А-35 7 x 2,50 34,36
А-50 7 х 3,00 49,48
А-70 7 х 3,54 68,90
А-95 7 x 4,15 94,90
А-120 19 x 2,80 117,0

0,18 Ом;
0,27 Ом;
0,37 Ом;
0,46 Ом;
0,55 Ом;
0,64 Ом;
0,73 Ом;
0,82 Ом.

Напряжение на контактах СКЗ
.
В.
В.
В.
В.
В.
В.
В.
В.
Необходимая мощность СКЗ
.

74,25 Вт;
= 80,89 Вт;
= 83,12 Вт;
= 97,03 Вт;
= 108,70 Вт;
= 118,83 Вт;
= 127,80 Вт;
= 135,93 Вт.

Стоимость анодного заземления
.
руб.;
20∙4 = 80 руб.;

20∙5 = 100 руб.
Стоимость опор воздушной линии
,
где σко , σпо – стоимость конечной и промежуточной опор воздушной линии, ориентировочно σко = 85 руб, σпо = 25 руб.

= 195 руб.
= 220 руб.
= 245 руб.
= 270 руб.
= 295 руб.
= 320 руб.
= 345 руб.
= 370 руб.

Стоимость проводов (кабеля)
,
где С2 – коэффициент зависимости стоимости 1 п. м дренажной линии σпр от сечения проводов, С2 = 0,025 руб/м.
8,06 руб.;
12,09 руб.;
16,12 руб.;
20,15 руб.;
24,18 руб.;
28,22 руб.;
32,25 руб.;
36,28 руб.
Общие капиталовложения в одну СКЗ
,
где Кст – стоимость катодной станции, по табл. 4 выбираем КСГ (КСК)-500, Кст=122 руб.
60 + 195 + 8,06 + 122 = 385,06 руб.;
80 + 220 + 12,09 + 122 = 434,09 руб.;
100 + 245 + 16,12 + 122 = 483,12 руб.;
100 + 270 + 20,15 + 122 = 512,15 руб.;
100 + 295 + 24,18 + 122 = 541,18 руб.;
100 + 320 + 28,22 + 122 = 570,22 руб.;
100 + 345 + 32,25 + 122 = 599,25 руб.;
100 + 370 + 36,28 + 122 = 628,28 руб.
Стоимость потребляемой электроэнергии в течение года на катодную защиту
ЭЗ,
— число часов работы катодной станции в году, = 24∙365,25 ч.
= 13,02 руб./год;
= 14,18 руб./год;
= 14,57 руб./год;
= 17,01 руб./год;
= 19,06 руб./год;
= 20,83 руб./год;
= 22,41 руб./год;
= 23,83 руб./год.
Приведенные годовые затраты по одной СКЗ
.
= 116,21 руб./год;
= 130,52 руб./год;
= 144,05 руб./год;
= 154,27 руб./год;
= 164,09 руб./год;
= 173,65 руб./год;
= 183,00 руб./год;
= 192,21 руб./год.
На основании проведенных расчетов построим график функции П/lскз, изображенный на рис. 1. Минимум функции на графике показывает оптимальное удаление станции от трубопровода y = 200 м, соответствующее минимуму приведенных затрат на единицу защищаемой длины.

Рис. 1.
Таблица 4
Технико-экономические характеристики катодных станций
Тип катодной
Номинальные выходные параметры Стоимость, руб.
станции Мощность, кВт Напряжение, В
Ток, А
КСГ (КСК)-500 0,5 10-50 10 122
КСГ (КСК)-1200 1,2 10-60 20 190
КСС — 600 0,6 24/12 25/50 329
КСС- 1200 1,2 24/12 50/100 478
ТСКЗ-1500 1,5 60/30 25/50 344
ТСКЗ — 3000 3 60/30 50/100 424
ТСКЗ — 6000 6 120/60 50/100 504
ПСК- 1,2 1,2 48/24 25/50 459
ПСК-5,0 5,0 96/48 52/104 560

Число СКЗ
NСКЗ = L/ lСКЗ = 1000∙1000/31793 ≈ 32.

Определить мощность и число СКЗ магистрального трубопровода диаметром Dн = 1020 мм