1 dr inŜ. Jerzy Sibila PZA CORRSTOP Spółka z oo ZASYPKI

dr inŜ. Jerzy Sibila
PZA CORRSTOP Spółka z o.o.
ZASYPKI WĘGLOWE TRWALE OBNIśAJĄCE REZYSTANCJE UZIEMIEŃ
Część I.
Zasypki węglowe stosuje się powszechnie od kilkudziesięciu lat w ochronie
katodowej uznawanej za jedną z najskuteczniejszych metod zabezpieczania przed korozją
metalowych konstrukcji podziemnych bądź podwodnych.
Ochrona katodowa polega na spolaryzowaniu powierzchni zabezpieczanej metalowej
konstrukcji np. podziemnego rurociągu do takiej elektroujemnej względem otaczającego
środowiska wartości potencjału, przy którym zahamowane zostaną procesy korozji.
W praktyce, zgodnie z norma PN-EN 12954, ochronę katodową uwaŜa się za skuteczną, jeŜeli
szybkość korozji nie przekracza 0,01 mm na rok. Efekt ten osiąga się uzyskując na
zabezpieczanej konstrukcji potencjał ochronny wynoszący minus 0.85 V.
Polaryzację zabezpieczanej konstrukcji uzyskuje się za pomocą wpływającego do niej
poprzez grunt i defekty w powłoce izolacyjnej prądu stałego. Stosowane gęstości prądów
ochrony katodowej wahają się od kilku µA dla konstrukcji z wysokiej jakości powłokami
izolacyjnymi do 20 mA / m2 powierzchni dla konstrukcji „gołych”, bez powłoki ochronnej.
Aby wymusić przepływ prądu ochronnego prze granicę faz metal/ziemia najczęściej
stosuje się prostowniki prądu stałego, przy czym ujemny biegun prostownika łączy się
kablem
z zabezpieczaną konstrukcją a dodatni z oddalonym od konstrukcji o 200 – 300 m uziomem
anodowym. Najistotniejszą składową systemu ochrony katodowej stanowi uziom anodowy,
z którego prąd ochrony katodowej płynie poprzez glebę i wpływając np. do zabezpieczanego
przed korozją rurociągu polaryzuje go katodowo.
Uziomy anodowe wykonywane są w wersji powierzchniowej, gdzie anody są
umieszczane horyzontalnie lub wertykalnie pod powierzchnia gruntu, na głębokościach
1-10 metrów.
W przypadku instalowania uziomów anodowych w gruncie o wysokiej rezystywności
lub braku odpowiednio rozległego terenu na realizację rozbudowanego uziomu montuje się
uziomy głębokie w odwiertach sięgających nawet kilkuset metrów.
Ze względu na stosowane w ochronie katodowej prądy o natęŜeniu kilku do
kilkudziesięciu amper wymagana rezystancja uziomu anodowego z reguły nie przekracza 5Ω,
1
a dla uziomów głębokich 1Ω choć często, dla tych ostatnich, uzyskuje się rezystancje
o wartości poniŜej 0,3 Ω.
Podstawowymi elementami uziomu anodowego, który jest uziomem aktywnym
bowiem cały czas, przez minimum 20 lat, ma z niego wypływać prąd ochrony katodowej, są
anody i otaczające je zasypki.
Jako materiały na anody stosowane było dawniej Ŝeliwo wysokokrzemowe lub grafit,
a w ostatnich latach coraz powszechniej uŜywane są platynowany tytan oraz tlenki
szlachetnych metali. Te ostatnie mogą zapewnić nieprzerwane obciąŜenie uziomu anodowego
koniecznym do zapewnienia ochrony antykorozyjnej prądem stałym przez okres do 50 lat.
Anody otacza się zasypką. Zadaniem zasypki jest:
- zmniejszenie rezystancji przejścia anoda-ziemia,
- stabilizacja wartości rezystancji przejścia w ciągu wielu lat,
- wchłanianie i utrzymywanie wilgoci,
- powiększenie czynnych rozmiarów anody,
- ułatwienie odprowadzania wydzielających się na powierzchni anod, w wyniku elektrolizy,
gazów (chlorków, tlenu i tlenków węgla).
W dobrze zaprojektowanych uziomach wiodącą „rolę” odgrywa zasypka, a anody
słuŜą właściwie tylko jako element do podłączenia kabla anodowego do zasypki
i równomiernego rozprowadzenia w niej prądu ochronnego. Ponadto niska rezystywność
zasypek i ich dokładne przyleganie do ścianek anod/elektrod powoduje, Ŝe znaczna część
prądu wypływającego z anody do zasypki ma charakter elektronowy a nie jonowy,
co znacznie ogranicza konsumpcję materiału elektrod.
Zasypki są produkowane z kalcynowanego upłynnionego koksu naftowego.
W zaleŜności od przeznaczenia; uziom powierzchniowy czy głęboki, róŜnią się nieco
granulacją, gęstością, porowatością i składem chemicznym. Nie wykazują szkodliwego
oddziaływania na środowisko.
Specyfikacja typowej zasypki:
- zawartość związanego węgla:
minimum 99,35%
- zawartość popiołów:
maksimum 0,6%
- wilgotność:
0,05%
- rezystywność:
0,002 – 0,005 Ωm
- gęstość:
1188 kg/m3.
W uziomach elektroenergetycznych zasypki węglowe, zwane niekiedy grafitowym
cementem, zaczęto stosować w latach 1970 w Japonii i w Stanach Zjednoczonych [1, 2].
2
Zadanie, jakie ma do spełnienia zasypka w uziomie elektroenergetycznym ogranicza się
w zasadzie do zapewnienia długotrwałej, odpowiednio niskiej rezystancji uziomu.
Nie zachodzi potrzeba odprowadzania wydzielających się na anodach w czasie pracy uziomu
gazów oraz ograniczenia konsumpcji materiału anod/elektrod, poniewaŜ uziomy te pełnią
tylko rolę ochronną i nie zachodzi w nich proces elektrolizy.
Natomiast istotne jest trwałe obniŜenie rezystancji uziomu i stabilizacja jej wartości
przez wiele lat. To zadanie zasypki węglowe spełniają bardzo dobrze, znacznie lepiej aniŜeli
stosowane do lokalnego obniŜenia rezystywności gruntu środki chemiczne, które dość szybko
rozpuszczają się w wodzie i ulegają wypłukaniu, przez co czasowo zmniejszona lokalnie
rezystywność gruntu wraca do swojej pierwotnej wartości, co powoduje nieuchronny wzrost
rezystancji uziomu elektroenergetycznego.
Zaletą uziomów z zasypką z kalcynowanego koksu ponaftowego jest takŜe niska
impedancja udarowa (przepięciowa?), odporność na uszkodzenia i kradzieŜe, moŜliwość
instalowania tam gdzie jest cienka warstwa ziemi wierzchniej np. w górach i w rejonach
kamienistych.
Jednak za główną zaletę uziomów z zasypką naleŜy uznać stabilność ich rezystancji.
W Tabeli 1 podano przykładowe rezystancje wykonanych w Polsce w ubiegłych latach
uziomów anodowych i ich wartości zmierzone w grudniu 2006 roku. W większości uziomów
anodowych wzrost rezystancji wyniósł tylko 5-6%.
Tabela 1. Wartości rezystancji uziomów anodowych
Lokalizacja
Rok instalacji
Krajkowo
Puszczykówko 1
Puszczykówko 2
Mosina
Rogalinek
Krajkowo 2
1982
1986
1986
1984
1988
1988
Rezystancja
początkowa [Ω]
4,80
3,10
2,30
3,90
3,35
5,70
Literatura:
1. C. L. Hallmark, Lucent Technologies – CTIP, USA
2. Sankosha Corp., San-Earth technical Review, 1992,Tokyo, Japan
3
Rezystancja
w XII 2006 roku [Ω]
5,10
3,25
2,45
4,15
3,40
6,40
mgr inŜ. Leonard Gałęski
P.P.U. Elprojekt Sp. z o.o.
ZASYPKI WĘGLOWE TRWALE OBNIśAJĄCE REZYSTANCJĘ UZIEMIEŃ
(NISKOREZYSTANCYJNE) W ZASTOSOWANIU DO UZIEMIEŃ
DLA LINII ELEKTROENERGETYCZNYCH.
Część II.
Uziemienia w liniach elektroenergetycznych są jednym z waŜniejszych elementów,
zapewniających zwiększenie bezpieczeństwa ludzi korzystających z energii elektrycznej oraz
zapewniają zwiększenie Ŝywotności urządzeń podłączonych do tych linii.
WyŜej wymienione bezpieczeństwo zagroŜone moŜe być w przypadkach awaryjnych
zakłóceń pracy linii elektroenergetycznej (np. zwarcia przewodu fazowego z przewodami
ochronnymi PEN) jak równieŜ w przypadkach wyładowań atmosferycznych.
Uziemienia zgodnie z obowiązującymi przepisami i normami mogą pełnić funkcję
ochronną, roboczą i odgromową – przy zachowaniu odpowiedniej wartości rezystancji
przypisanej do tych funkcji.
Z uwagi na tak waŜną rolę, jaką spełniają uziemienia, ciągle trwają poszukiwania
optymalnego ich rozwiązania polegającego na: niskiej rezystancji uziomu, zapewnienia
stałości tej rezystancji, uniknięcia w maksymalnym stopniu korozji wszystkich elementów
uziomu.
Biorąc pod uwagę powyŜsze wymogi stawiane uziomom, P.P.U. ELPROJEKT Poznań we współpracy z P.Z.A. CORRSTOP Sp. z o.o. oraz w oparciu o literaturę
amerykańską opracował typ uziomu z wyŜej wspomnianą zasypką niskorezystancyjną.
Uziom ten ilustruje rysunek nr 1.
Opis rysunku nr 1:
Instalację uziomu wykonano w gruncie o rezystywności 500 Ωm, głębokość uziomu: 6 m.
W przypadku samego uziomu prętowego – bez zasypki uzyskano rezystancję uziomu 200 Ω.
Wykonując instalację z zasypką uzyskano rezystancję uziomu 67,6 Ω.
Z tego wynika, Ŝe przez zastosowanie zasypki niskorezystancyjnej uzyskuje się
korzystniejszą wartość rezystancji uziomu – rezystancja zmniejszona o ok. 65%.
Tego rodzaju uziomy od roku 2004 stosowane są na budowach wykonywanych przez P.P.U.
ELPROJEKT – Poznań.
4
Rys. 1.
Instalacja pionowa pręta
uziemiającego:
- średnica otworu odwiertu φ = 10cm,
- głębokość odwiertu – 6÷7 m
- pręt (elektroda) miedziana,
pomiedziowana, pocynkowana lub
stalowa dł. 1,5m; φ = 16mm
Krótka charakterystyka tego uziomu to:
- niska rezystancja i stabilizacja jej przez okres ok. 40 lat,
- brak rozpuszczalności zasypki w wodzie,
- wchłanianie i utrzymywanie wilgoci,
- powiększenie powierzchni czynnych uziomu,
- skuteczna ochrona przed korozją części metalowych uziomu.
Cytując opracowanie dr inŜ. Jerzego Sibili podaję specyfikację typowej zasypki:
- zawartość związanego węgla – minimum 99,35%
- zawartość popiołów – maksimum 0,6%
- wilgotność – 0,05%
- rezystywność – 0,002 – 0,005 Ωm
- gęstość – 1188 kg/m3.
PoniŜej podaję wyniki uzyskane na budowach, na których zastosowano promocyjnie
powyŜsze uziomy:
Poz.
Miejscowość
Rok
Rezystywność
gruntu
[Ωm]
Rezystancja
pojedynczego
uziemienia [Ω]
1
Strzeszyn (woj. wielkopolskie)
2004
440
73
2
Nekielka (woj. wielkopolskie)
2005
710
269
3
Soplicowo (woj. wielkopolskie)
2006
24
6,7
4
Niedoradz – Bobrowniki (woj. lubuskie)
2007
1130
47
5
Aby potwierdzić stabilność rezystancji wyŜej cytowanej zasypki, poniŜej podaję tabelę
z wykazem budów wykonanych przez P.Z.A. CORRSTOP Sp. z o.o.
W tabeli podano przykładowe rezystancje wykonanych w Polsce w ubiegłych latach
uziomów anodowych i ich wartości zmierzone w grudniu 2006r. W większości uziomów
anodowych wzrost rezystancji wyniósł tylko 5-6%.
Wartości rezystancji uziomów anodowych zmierzone w grudniu 2006r.
Lokalizacja
Rok instalacji
Rezystancja początkowa
[Ω]
Rezystancja
w grudniu 2006 roku
[Ω]
Krajkowo
1982
4,80
5,10
Puszczykówko 1
1986
3,10
3,25
Puszczykówko 2
1986
2,30
2,45
Mosina
1984
3,90
4,15
Rogalinek
1988
3,35
3,40
Krajkowo 2
1988
5,70
6,40
Zaznaczyć naleŜy, Ŝe zasypka ta jest przyjazna środowisku – nie ma ujemnego
oddziaływania na środowisko.
P.P.U. ELPROJEKT decydując się na wdraŜanie tego typu rozwiązania uziomu
przeprowadził równieŜ analizę kosztów w porównaniu do obecnych, tradycyjnych rozwiązań
uziomów. Analiza przeprowadzona w funkcji czasu (zakładając Ŝywotność uziomu
tradycyjnego max 10 lat, a „zasypkowego” 40 lat) wykazała w sposób jednoznaczny,
Ŝe uziom „zasypkowy” jest tańszy od dotychczasowych rozwiązań uziomów tradycyjnych.
Biorąc pod uwagę pozytywne cechy techniczne, wszystko przemawia za jego stosowaniem.
Uwaga!
Szczegóły techniczne dotyczące wykonawstwa omawianego uziomu ukaŜą się w najbliŜszym
„BIULETYNIE TECHNICZNYM” – wydawanym przez ELPROJEKT Poznań.
Dystrybucja przewidziana we wrześniu br. w ramach „ENERGETAB 2007” w Bielsku-Białej
oraz wysyłkowo do zainteresowanych firm.
6