汽车失效保护系统

汽车失效保护系统（共3篇）

汽车失效保护系统 篇1

0 引言

电网可靠性所研究的继电保护系统是指由互感器、断路器、数字式继电器和有关二次接线构成的闭环体系,国内外已经有不少文献[1,2,3,4,5,6,7,8]就其可靠性模型和概率算法进行了研究。这些研究有的只利用长期统计数据,其结论不能反映系统的实时风险,有的用状态分析法仅重点计算由继电器硬件引起的失效概率。近来的相关研究[9,10,11,12,13,14]已经深入到了继电保护系统的主要硬件和软件模块层次,考虑到了保护原理、配置和整定情况,以及电网运行状态对其失效概率的影响。计算继电保护系统失效概率的主要目的之一是量化其对电网运行可靠性的影响,而实际电网中的继电保护常常是多重化配置的,组合情况也是多样的,需要统一的继电保护系统可靠性模型来反映保护原理、配置方案、配合关系、电网状态及一次系统故障类型等诸多因素的综合影响,并提出广泛适用的失效概率计算方法。

1 继电保护系统的可靠性模型

图1中的字母代表编号,所研究的继电保护系统将用下标(i,j)表示,而下标(i,j,l)表示其中一个软件功能模块,例如阶段式保护中的某一段、某种差动保护、某种高频保护等。元件是指变压器、线路等,元件v或x是特指元件j的相邻元件(包括正、反两方向上的)。如果元件是三绕组变压器则会使图中的相邻分支数量增加,但对各继电保护系统而言其配合的逻辑关系并无变化,图1的模型结构仍然适用。

一次元件j在今后t时间内的实时故障概率PFj以指数模型表示如下:

${\rm P}{}_j^{\text{F}}=1-\text{e}{}^{-\lambda {}_{j}t}(1)$

式中:λj为元件j的故障率。

1.1 一类失效

一次系统运行方式对继电保护系统硬件故障率的影响极小,而硬件故障在运行中随机发生,此时的失效概率可以用经失效原因分析后的统计数据计算,它是继电保护系统实时失效概率的一部分。由硬件故障引起的继电保护系统失效被称为一类失效,其中,一类拒动是隐蔽性故障,而一类误动是显性故障,它们此时的失效概率用指数模型分别表示为PJi,j 和PWi,j,其中的故障率是在一个统计周期内,对电网中同电压等级的n个继电保护系统进行统计获得的,按下式计算:

$\begin{array}{l}\{\begin{array}{l}\lambda {}_{i,j}^{\text{J}1}=\frac{C{}_1^{\text{J}1}+C{}_2^{\text{J}1}+C{}_3^{\text{J}1}}{n{\rm T}{}_{\text{a}}}\\ {\rm P}{}_{i,j}^{\text{J}1}=1-\text{e}{}^{-\lambda {}_{i,j}^{\text{J}1}t}\end{array}(2)\\ \{\begin{array}{l}\lambda {}_{i,j}^{\text{W}1}=\frac{C{}_1^{\text{W}1}}{n{\rm T}{}_{\text{a}}}\\ {\rm P}{}_{i,j}^{\text{W}1}=1-\text{e}{}^{-\lambda {}_{i,j}^{\text{W}1}t}\end{array}(3)\end{array}$

式中:Ta为进行统计的时间周期;CJ11和CW11为统计期间发生一类拒动和误动的次数;CJ12为统计期间在检测中被发现的会导致一类拒动的次数;CJ13为可能出现漏检情况的次数。

1.2 二类失效

将电网发生故障时某一保护功能模块的核心动作方程被满足的情况称为保护动作,能否使断路器跳闸还要取决于动作时间以及各种闭锁环节。当被保护元件发生故障而保护功能模块不动作称为二类拒动;当相邻元件发生故障时,保护功能模块动作而且能够使断路器跳闸称为二类误动:这2种二类故障都是隐蔽性故障。

一般而言,一次系统实际故障情况与理论计算总是有一定的误差,同时,继电保护系统的各测量部分也会产生误差,所以当故障发生时能否满足动作方程就存在不确定性,在此用不动作概率来量化这种不确定性。

PIi,j,l(k)表示继保系统(i,j)的模块l在被保护元件发生k类故障时的(平均)不动作概率;PAi,j,l(v,k)表示继保系统(i,j)的模块l在正方向或反方向的相邻元件v发生k类故障时的(平均)动作概率,显然它与此时的(平均)不动作概率PIi,j,l (v,k)的关系为:

${\rm P}{}_{i,j,l}^{\text{A}}(v,k)=1-{\rm P}{}_{i,j,l}^{\text{Ι}}(v,k)(4)$

这里的“平均”是指一般都假设故障会均匀随机地发生在一次系统元件的任一位置,对于不同的故障位置,保护的实时灵敏度不同,不动作概率的值也就不同,而这些值的平均就是某一保护功能模块对于元件发生故障时的不动作概率。

2 不动作概率的分布模型

按动作方程反映的动作特性,主要指综合考虑整定值的物理属性(电流、差电流、阻抗等)、动作方程的数学形式以及作为动作判据的动作特性曲线等。将继电保护分为以下4种类型来讨论:

1)电流保护、线路横差和纵差保护、变压器差动速断保护、母线保护的整定值xop和测量值xr都是标量,其动作方程的形式为xr≥xop。当xr=xop时,保护不动作概率为Pmid(取值在0.5左右)。当xr向xop的两侧变化时,保护不动作概率分别向0和1变化。随着xr越远离xop,其误差对保护动作与否的影响越小,所以认为不动作概率的变化率在这一过程中由大变小是合理的假设。

参照文献[15]用含有双曲正切函数的计算式(式(5))来表示此类保护不动作概率,如图2所示。

${\rm P}{}^{\text{Ι}}(x{}_{\text{r}},x{}_{\text{o}\text{p}})=a{}_1(1+\tanh (b{}_{1}x{}_{\text{r}}+c{}_1))(5)$

式中:a1,b1,c1是待定参数,由下式确定:

$\{\begin{array}{l}{\rm P}{}^{\text{Ι}}(x{}_{\text{o}\text{p}}(1-e),x{}_{\text{o}\text{p}})={\rm P}{}_0\\ {\rm P}{}^{\text{Ι}}(x{}_{\text{o}\text{p}},x{}_{\text{o}\text{p}})={\rm P}{}_{\text{m}\text{i}\text{d}}\\ {\rm P}{}^{\text{Ι}}(x{}_{\text{o}\text{p}}(1+e),x{}_{\text{o}\text{p}})={\rm P}{}_1\end{array}(6)$

e为继电保护系统的百分比测量误差,取值为20%～30%;P0和P1的取值分别接近0和1,例如可以为0.000 1和0.999 9。

被保护元件或相邻元件k类故障位置的变化可以影射到xr的取值范围上,所以PI(xr,xop)对于该取值范围的平均值即为PIi,j,l (k)或PIi,j,l (v,k)。

对于带方向的电流或零序电流保护功能模块,当v是反方向的相邻元件,发生故障时通常只要方向元件工作正常,保护就不会动作。考虑功率方向元件的失效概率(主要由测量误差、二次回路断线、变送器损坏等引起),可以直接令PIi,j,l (v,k)等于接近1的数值,作为近似处理,以减少计算量。

2)对于采用闭锁信号的高频或光纤差动保护,其两侧跳闸启动元件的动作方程与第1类情况相同。但是,区内故障时任意一侧跳闸启动元件不动作,则该侧发信机不会停信,信道中存在闭锁信号而拒动,所以任意一侧的PIi,j,l (k)等于其两侧对于区内故障时PI(xr,xop)的平均值之和;区外故障时两侧跳闸启动元件都动作而发信机都停信时信道中才无闭锁信号而误动,所以任意一侧的PAi,j,l (v,k)等于两侧对于区外故障时1-PI(xr,xop)的平均值之积。

3)距离保护在复阻抗平面上的动作区域用S(Zop)表示,Zop为整定阻抗,其测量阻抗为Zr。Zr的顶点到该区域边界的最小距离为d(Zr,S),令

$D({\rm Z}{}_{\text{r}},S)=\{\begin{array}{l}-d({\rm Z}{}_{\text{r}},S){\rm Z}{}_{\text{r}}\text{在}S\text{内}\\ d({\rm Z}{}_{\text{r}},S){\rm Z}{}_{\text{r}}\text{在}S\text{外}\end{array}(7)$

距离保护不动作概率用对于D的双曲正切函数表示:

${\rm P}{}^{\text{Ι}}(D)=a{}_2(1+\tanh (b{}_{2}D+c{}_2))(8)$

式中:a2,b2,c2为待定参数,由下式确定:

$\{\begin{array}{l}{\rm P}{}^{\text{Ι}}(D({\rm Z}{}_{\text{o}\text{p}}(1-e),S))={\rm P}{}_0\\ {\rm P}{}^{\text{Ι}}(0)={\rm P}{}_{\text{m}\text{i}\text{d}}\\ {\rm P}{}^{\text{Ι}}(D({\rm Z}{}_{\text{o}\text{p}}(1+e),S))={\rm P}{}_1\end{array}(9)$

元件k类故障位置的变化通过Zr可以影射到D的取值范围上,所以距离保护的PIi,j,l (k)或PIi,j,l(v,k)就是PI(D)对于该取值范围的平均值。

4)可以直接应用文献[11]中基于实时灵敏系数的变压器比率差动保护故障概率的分析结论,即文中的式(20)和式(22),在k类型故障情况下进行计算,分别对应于PIi,j,l (k)和PAi,j,l (v,k)。

PIi,j,l (k)和PAi,j,l (v,k)是计算继电保护系统二类故障概率的基础参数。

3 拒动概率

可以统计各类一次元件发生k类故障的百分比ωk,继电保护系统(i,j)的模块l对于该元件发生各种故障的不动作概率为:

${\rm P}{}_{i,j,l}^{\text{Ι}}={\displaystyle \sum _k\omega }{}_k{\rm P}{}_{i,j,l}^{\text{Ι}}(k)(10)$

当所有保护功能模块都不动作时,继电保护系统(i,j)将拒动,其二类拒动概率记为:

${\rm P}{}_{i,j}^{\text{J}2}={\displaystyle \prod _l{\rm P}}{}_{i,j,l}^{\text{Ι}}(11)$

考虑一类拒动和二类拒动的共同影响,总的拒动概率用交集运算表示为:

${\rm P}{}_{i,j}^{\text{J}}={\rm P}{}_{i,j}^{\text{J}1}+{\rm P}{}_{i,j}^{\text{J}2}-{\rm P}{}_{i,j}^{\text{J}1}{\rm P}{}_{i,j}^{\text{J}2}(12)$

拒动都是隐蔽性故障,式(12)是以元件j发生故障为前提的条件概率,所以继电保护系统(i,j)的拒动全概率记为:

$\widehat{{\rm P}}{}_{i,j}^{\text{J}}={\rm P}{}_{i,j}^{\text{J}}{\rm P}{}_j^{\text{F}}(13)$

4 误动概率

二类误动表现为反方向动作和超越动作,所以其概率与某一相邻元件的继电保护系统(u,v)有关,也就是说,继电保护系统(i,j)或其中各模块有几个相邻元件,它们就会有几个二类误动概率。

继电保护系统(i,j)的模块l对于相邻元件v发生各类故障的动作概率为:

${\rm P}{}_{i,j,l}^{\text{A}}(v)={\displaystyle \sum _k\omega }{}_k{\rm P}{}_{i,j,l}^{\text{A}}(v,k)(14)$

是否导致二类误动还要由动作时间来确定,并且应排除其作为远后备保护动作的情况,这个问题在文献[10]中有详细的分析。

下式为继保系统(i,j)的模块l在相邻元件v发生故障时的二类误动概率:

$\begin{array}{l}{\rm P}{}_{i,j,l}^{\text{W}2}(v)={\rm P}{}_{i,j,l}^{\text{A}}(v){\displaystyle \prod _{m}f}{}_{i,j,m}(v)\cdot \\ {\displaystyle \prod _{p}g}{}_{i,j}(u,v,p)\left(1-{\displaystyle \prod _{p}h}{}_{i,j}(u,v,p)\right)(15)\end{array}$

式中:

$\begin{array}{l}f{}_{i,j,m}(v)=\{\begin{array}{l}1-{\rm P}{}_{i,j,m}^{\text{A}}(v)t{}_{i,j,m}<t{}_{i,j,l}\\ 1t{}_{i,j,m}\ge t{}_{i,j,l}\end{array}\\ g{}_{i,j}(u,v,p)=\{\begin{array}{l}{\rm P}{}_{u,v,p}^{\text{Ι}}t{}_{u,v,p}<t{}_{i,j,l}\\ 1t{}_{u,v,p}\ge t{}_{i,j,l}\end{array}\end{array}$

表示动作时间关系的影响;

$h{}_{i,j}(u,v,p)=\{\begin{array}{l}1t{}_{u,v,p}<t{}_{i,j,l}\\ {\rm P}{}_{u,v,p}^{\text{Ι}}t{}_{u,v,p}\ge t{}_{i,j,l}\end{array}$

是针对作为后备保护动作情况的修正;ti,j,l和ti,j,m为继电保护系统(i,j)中任一模块的动作时间;tu,v,p为相邻继电保护系统(u,v)中任一模块p的动作时间。

在相邻元件v发生故障时继电保护系统二类误动概率为各保护模块二类误动概率之和,即

${\rm P}{}_{i,j}^{\text{W}2}(v)={\displaystyle \sum _l{\rm P}}{}_{i,j,l}^{\text{W}2}(v)(16)$

一类误动是显式故障,二类误动是隐蔽性故障,考虑它们在运行中会同时产生影响,所以继电保护系统(i,j)的误动全概率为:

$\begin{array}{l}\widehat{{\rm P}}{}_{i,j}^{\text{W}}={\rm P}{}_{i,j}^{\text{W}1}+{\displaystyle \sum _v\left({\rm P}{}_{i,j}^{\text{W}2}(v){\rm P}{}_v^{\text{F}}{\displaystyle \prod _{x\ne v}(}1-{\rm P}{}_x^{\text{F}})\right)}-\\ {\rm P}{}_{i,j}^{\text{W}1}{\displaystyle \sum _v\left({\rm P}{}_{i,j}^{\text{W}2}(v){\rm P}{}_v^{\text{F}}{\displaystyle \prod _{x\ne v}(}1-{\rm P}{}_x^{\text{F}})\right)}(17)\end{array}$

式中:x为v的任一相邻一次元件。

5 综合二类误动概率

在第4节中明确了二类误动概率与相邻一次元件的一一对应关系,但是几个独立的二类误动概率PW2i,j,l (v)不能反映所有相邻一次元件及其保护对继电保护系统(i,j) 二类误动概率的综合影响。为了能计算这个重要的可靠性指标,对几个相邻一次元件发生单独故障的情况进行等效处理,提出继电保护系统(i,j)的综合二类误动概率为:

$\overline{{\rm P}}{}_{i,j}^{\text{W}2}=\frac{{\displaystyle \sum _v\left({\rm P}{}_{i,j}^{\text{W}2}(v){\rm P}{}_v^{\text{F}}{\displaystyle \prod _{x\ne v}(}1-{\rm P}{}_x^{\text{F}})\right)}}{{\displaystyle \sum _v\left({\rm P}{}_v^{\text{F}}{\displaystyle \prod _{x\ne v}(}1-{\rm P}{}_x^{\text{F}})\right)}}(18)$

6 一次元件的停运概率

6.1 元件j单独停运概率POj

1)元件j发生单独故障而继电保护系统正确动作将其切除。

2)元件j的任一继电保护系统发生一类误动。

${\rm P}{}_j^{\text{Ο}}={\rm P}{}_j^{\text{F}}+{\rm P}{}_{i,j}^{\text{W}1}+{\rm P}{}_{u,j}^{\text{W}1}(19)$

6.2 元件j和v双重及连锁停运概率POj,v

1)元件j和v同时故障而被继电保护系统正确切除。

2)元件v发生故障,并引起元件j的继电保护系统二类误动;或元件j发生故障,并引起元件v的继电保护系统二类误动。

3)元件v发生故障,其u侧保护拒动引起元件j的保护动作;或元件j发生故障,其u侧保护拒动引起元件v的保护动作。

$\begin{array}{l}{\rm P}{}_{j,v}^{\text{Ο}}={\rm P}{}_j^{\text{F}}{\rm P}{}_v^{\text{F}}+{\rm P}{}_v^{\text{F}}({\rm P}{}_{i,j}^{\text{W}2}(v)+{\rm P}{}_{u,j}^{\text{W}2}(v))+\\ {\rm P}{}_j^{\text{F}}({\rm P}{}_{w,v}^{\text{W}2}(j)+{\rm P}{}_{u,v}^{\text{W}2}(j))+{\rm P}{}_v^{\text{F}}\widehat{{\rm P}}{}_{u,v}^{\text{J}}+{\rm P}{}_j^{\text{F}}\widehat{{\rm P}}{}_{u,j}^{\text{J}}\\ (20)\end{array}$

7 结语

继电保护系统失效概率分析的难点在于其保护原理、配置情况、配合关系以及一次元件拓扑关系的多样性。保护功能模块的不动作概率的提出,使得后续的分析不受保护原理多样性的干扰,能够获得在输电网中普遍适用的继电保护系统失效概率算法。所采用的继电保护系统可靠性模型能够全面反映相邻一次元件的拓扑关系和其保护的配置、配合情况,结合对一类、二类失效机理的合理区分,提出的继电保护系统及其各功能模块失效概率算法对于评估输电网运行可靠性具有实用价值,是量化继电保护对一次元件可靠性影响程度的理论基础。

汽车失效保护系统 篇2

为了进一步掌握国产发动机正时系统的质量现状与国外的差距, 着重进行了发动机正时链系统的实验分析, 实验中详细的分析了正时链系统的主要失效形式和破坏机理。

1.实验部分

实验分析链条为国产491Q车发动机06B-2滚子链条。链条节数60节;发动机额定转速4800rpm, 怠速800rpm, 额定功率70kW;主动轮齿数Z1为18, 从动轮齿数Z2为36, 试验条件为柏油路面, 行驶里程11万km。

失效后的实验链条磨损伸长率为0.94%, 低于汽车正时链条允许1.5%的磨损伸长率, 也低于国外1.0%的要求, 但这并不代表该链条质量可靠, 优质的正时链条可连续工作40～60万km无故障。实验的正时链系统失效的真正原因不是链条的伸长, 而是滚子的破碎、导板和张紧器工作表面的磨损。该型号发动机正时链失效占发动机首次维修的70%, 因此可以看出我国的正时链质量问题是目前影响发动机产品质量现状的瓶颈, 也是影响汽车性能的一个因素。

2.正时链的破坏方式及磨损机制分析

实验的滚子表面出现不同程度的磨损, 一部分滚子表面出现0.3～1.2mm长度的沟痕或不同程度的啃伤, 链条之间的连接明显松弛, 磨损严重, 有一个滚子破碎断裂、2个滚子出现横向及纵向二次微裂纹。

滚子表面破碎及裂纹:滚子纵向一端的断口呈现出河流花样的解理断口, 且断口的形貌差异较大, 断口中有夹杂物及析出相, 横断面的破坏则呈现出解理性沿晶断裂。滚子的破碎是由于交变载荷作用发生的疲劳破坏, 在滚子加工的台阶处的应力集中区首先出现裂纹, 继而裂纹延伸最终导致滚子破碎。

表面裂纹的出现是滚子受到高速交变载荷的冲击, 而导致表面的破坏, 在破坏的表面可以看到有微小的夹杂, 夹杂是滚子出现裂纹的诱因。

滚子裂纹及剥离出现在滚子的表面工作位置, 在电子显微镜下可以清楚的看到这个滚子表面裂纹的膨起部分、剥落和夹杂情况, 而且裂纹两侧不在一个平面上, 浅表层的夹杂, 致使滚子在多种工况下出现裂纹, 继而扩展导致表面局部脱落。

在正时链工作中, 滚子是主要的啮合元件, 并承受着较大的冲击交变载荷。如果表面或浅表层存在夹杂, 这里就先出现微裂纹, 并逐渐向深层延伸并扩展, 最终导致滚子破碎。

滚子内配合面的磨损:滚子的内表面用肉眼看起来较光滑但颜色较黑的部位, 在SBM扫描电镜下放大4000倍时可以看到剥落和翘曲, 这种破坏形貌的形成为该表面在受到交变载荷与磨料磨损、并伴有氧化腐蚀的共同作用下形成。而且多次受到表面塑性变形后形成浅表层的微裂纹, 当裂纹穿透亚表层后裂纹改变方向, 发展成横向裂纹, 滚子的内表面形成翘曲的片状, 在热应力作用下形成泥花样的微裂纹并最终脱落, 最后又形成配合面内的磨料。

套筒表面的磨损机制:在套筒内表面的点蚀区域有明显的剥落坑、点蚀和少量的犁沟磨损, 可以断定这部分主要的磨损机制为疲劳点蚀及氧化磨损。

销轴表面的磨损形式:实验的销轴硬度为HY1.0791, 比较同样销轴的硬度为HV1.0900低, 销轴磨损量为20μm。硬度的降低是因为套筒与销轴表面之间的磨损, 将表面的渗碳层磨损后导致销轴表面的硬度降低。

3.正时链系统的保养与维修

正时链系统失效的主要原因是破碎与磨损, 因此在提高链条产品加工质量的基础上, 主要是确保机油处于正常的润滑状态, 系统得到充分的润滑, 这样才能降低正时链系统的磨损速度, 提高系统的使用寿命。

在正时链系统的维护中, 检查链条是否能正常工作, 首先检查链板是否有断裂及滚子表面是否有裂纹与破碎, 并检查正时系统的减震导板表面及张紧器表面是否能够正常工作。在检查这些项目后, 还应测量链节长度是否在正常范围内, 如果链条的磨损伸长率较大时, 会导致气门开启角滞后, 降低发动机的功率, 增加燃油消耗量。

汽车失效保护系统 篇3

某核电站输送海水管道为钢质管道 (TU42B) , 内壁涂覆Interzone 954油漆, 同时实施外加电流阴极保护系统进行联合防护。经调试 (约1.5 a) 和一个换料周期 (1 a) 运行后, 发现管道内壁部分区域防护层大面积鼓泡, 与设计寿命40年破损≤50%相差较大。以下对这种失效原因进行分析, 并对阴极保护系统的防腐蚀能力加以估评, 以确定其维修方案。

1 失效原因分析

1.1 防护涂层

检查发现, 防护涂层失效位置主要集中在阴极保护系统辅助阳极附近, 且防护层的鼓泡呈炸裂状, 破损处有白色沉积物堆积, 除去堆积物, 管道未见腐蚀痕迹。

1.2 阴极保护系统

管道长约280 m, 阴极保护系统为悬臂式点状阳极分布, 安装有54只辅助阳极, 其最大间距为5.6 m;12只Ag/Ag Cl参比电极均匀分布于管道中, 将其所测的电位值加权平均值作为输入信号反馈至恒电位仪。阴极保护系统按照恒电位模式运行, 运行状态:2010年12月前多处于不稳定状态, 电位出现多次正向波动, 引起电流增大, 达到40 A;2011年4月开始, 各参比电极电位差突然增大, 其中R1.3, R2.3电位值接近-2 000 m V, 远超过阴极保护要求的-1 050m V, R2.2的电位值上升到-200 m V左右, 正于碳钢在海水中的自腐蚀电位 (-600 m V左右) [1], 电流逐渐增大, 约3个月后到达80 A, 且持续稳定, 远远高于设计值。发生以上情况的原因是: (1) 管道被阳极极化, (2) 参比电极发生故障。

拆卸参比电极用10%稀盐酸清洗后, 测得的12只参比电极与校准参比电极 (218型Ag/Ag Cl参比电极) 的电位差见表1。可见, 只有R1.6, R2.1 2只参比电极接近标准要求 (±5 m V) [2], 其余的偏离标准-480~-740 m V。而现场管道电位相对参比电极电位要求为-800~-1 050 m V, 其真实电位应加上校准测得的电位差, 以参比电极电位偏离取平均值-610 m V, 管道控制电位取平均值-925 m V, 计为-1 535 m V左右, 达到析氢电位, 管道表面阴极过程产生的大量OH-与防护层发生化学作用导致防护层被破坏[3]。从测量过程中同样发现参比电极在失效后不同时间段测量到的电位并不固定, 而是在不断变化, 因此参比电极已失去其基准功能, 反馈给恒电位仪的是虚假信号。

综合可知, 参比电极故障导致阴极保护系统反馈信号失真, 造成输出电流过大引起过保护, 进而导致防护层被损坏。因此, 参比电极故障是防护层失效的根本原因。

2 阴极保护系统评估

由于对防护层破损或老化的修复窗口较短, 需要多次分段修复, 因此急需评估阴极保护系统的保护能力, 以判断防护层的破损程度并进行维修。

常通过计算保护半径、电位分布获得阴极保护系统保护能力, 但不同的计算方法假设的条件不同, 计算结果的裕度存在差异。。

2.1 保护范围计算法

式 (1) 为点状辅助阳极保护半径 (L) 计算式[4], 保护电位按照标准选取-1.05 V[5]:

式中ΔU———被保护物阴极保护允许最正电位与最负电位之差, 有防护层时为0.25 V (最正电位-0.80 V, 最负电位-1.05V) , 无防护层时取0.40 V (最正电位-0.80 V, 最负电位-1.20 V)

d———管道直径, 取0.7 m

Js———有效保护电流密度, 等于裸钢保护电流密度j0=0.15 A/m2与防护层破损率f的乘积

R’———单位长度管道内海水电阻, R’=4ρ/ (d2π) , ρ为海水电阻率, 取0.25Ω·m

式 (1) 可简化为式 (2) :

该管道内不同防护层破损率下点状辅助阳极最大保护距离见表2。本系统中辅助阳极最大间距为5.6 m, 最大保护距离小于5.6 m时, 阴极保护系统不能达到防腐蚀效果, 需要对防护层进行维修。因此本系统防护层允许的最大破损率为30%。

注:*新涂装管道孔隙率约3%;**预计运行40年后破损率;***裸钢, 极限恶劣条件, 最负部分允许达到-1.20 V, 管道防护均由阴极保护系统承担。

2.2 管道内壁电位分布法

管道内壁阴极保护电位分布符合式 (3) 双曲余弦规律[6]:

式中E0———管道壁辅助阳极处电位

E———管道内壁距离辅助阳极点为x处的管壁电位

ρ———海水电阻率 (0.25Ω·m)

d———管道直径 (0.7 m)

L———辅助阳极间距

R———极化电阻

要求按照R=ΔU’/Js (ΔU’=0.2 V, 为管道施加阴极保护前的电位与施加阴极保护后的电位之差) , 根据上述公式计算间距为5.6 m时被保护管道内电位分布规律:随破损率增大, 管道内壁电位随距离变化速率迅速增大, 当防护层破损率达到70%时, 便不能满足近阳极点 (辅助阳极所在位置) 和远阳极点 (两只辅助阳极中心位置) 同时处于保护范围内 (-0.80~-1.05 V) 。因此, 当破损率达到70%时应安排窗口对防护层进行修复。

由于该管道所在系统承担该反应堆安全功能, 防护层破损率超过30%时应予以修复, 以保证管道系统处在保护状态下运行。

3 结论

(1) 过保护会导致防护层破损, 保护距离减小, 增大防护层和阴极保护系统失效的风险。运行过程中需要加大对阴极保护系统的维护力度, 保证管道内壁处于保护状态。

(2) 随防护层破损, 阴极保护系统对管道的保护能力将降低, 对管道防护层应有计划地修复, 由于该管道所在系统承担核反应堆安全功能, 防护层破损率超过30%时应予以修复, 以保证破损率始终保持在30%以下。

参考文献

[1]Stephen D C.ASM Handbook Vol.13B:Corrosion:Materials[K].Nevada:ASM International, 2005:672.

[2]BS 7361-1, Cathodic protection Part 1:Code of practice for land and marine applications[S].

[3]Armstrong R D, Johnson B W, Wright J D.An investigation into the cathodic disbondment of epoxy-polyamine protective coatings[J].Electrochim Acta, 1991, 36:1 915~1 923.

[4]Baeckmann W V著, 赖敬文译.阴极保护简明手册[K].北京:石油工业出版社, 1987:123~126.

[5]GJB 156A, 港工设施牺牲阳极保护设计和安装[S].