马含悦 黄春蓉 郑大宝 牟 华 施岱艳

1. 中国石油工程建设有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中国石油工程建设有限公司， 北京 100101

0 前言

在石油工程建设项目中,储罐的安全运行是其中一个重要方面,储罐罐底外壁阴极保护技术作为保证储罐安全运行的措施,受到工程应用及研究的重视。国内外工程项目中,储罐罐底外壁的阴极保护技术已经应用成熟。但对于体量为10×104m3的大型储罐,由于其本身的应用局限性,导致其阴极保护技术的实施与研究也相对较少,对于如此大体量储罐罐底外壁的阴极保护辅助阳极的研究也相对有限,辅助阳极布置与电位分布研究更是寥寥无几,现有的文献论证不够全面深入,目前国内外关于这方面的标准规范尚不完备。然而,随着大型储罐工程项目建设以及辅助阳极应用的需要,亟待进行这部分内容的深入研究。为了弥补该空缺,对大型储罐罐底外壁阴极保护技术中辅助阳极布置与电位分布的关系展开研究,可为设计技术方案的制定,阴极保护系统的施工、运行、检测以及维护提供依据。经查阅文献资料[1-9],对某石化原油储罐工程进行运行参数的测试、采集、整理、分析并得出结论。

1 某石化项目罐底外壁阴极保护系统

某石化项目在1#罐区和2#罐区内的原油储罐和消防水罐罐底外壁均采用强制电流阴极保护,阴极保护电源设备选用恒电位仪,罐底采用由钛镀贵金属氧化物阳极带和钛金属导电片垂直交叉焊接在一起形成的网状阳极,阳极带及钛金属导电片敷设于罐底回填砂层内,阳极带四周填充焦炭屑,罐基础回填砂层上方均采用沥青砂垫层,罐底网状阳极侧视图见图1。

图1 罐底网状阳极侧视图

每座原油储罐罐底及防火堤内均安装了防渗膜。每座原油储罐由1台阴极保护电源设备单独供电,罐底网状阳极上方共安装9支参比电极,其中5支为长效硫酸铜参比电极,4支为高纯锌参比电极,间隔布置。为方便测试和电缆路由检修,在各原油储罐防火堤内设置有1套阳极/阴极防爆接线箱,防火堤外设置有1套测试桩。

每座消防水罐由1台阴极保护电源设备单独供电,罐底共安装5支参比电极,其中3支为长效硫酸铜参比电极,2支为高纯锌参比电极。在各消防水罐外设置有1套阳极/阴极防爆接线箱、1套测试桩。

每座原油储罐和消防水罐各安装通电点2处,零位接阴连接点1处。通电点和零位接阴连接点位于罐底边缘板上,阴极电缆和零位接阴电缆通过铝热焊与罐底边缘板连接。

为防止雨水通过边缘板与环梁基础间缝隙渗入罐底,罐底边缘板采用防水材料进行防水密封。

储罐罐底阴极保护系统连接原理见图2,以原油储罐为例的罐底网状阳极布置见图3。

图2 罐底阴极保护系统连接原理

图3 原油储罐罐底网状阳极布置

经投产运行调试,各储罐阴极保护电源设备处测得的阴极保护电位基本处于GB 50393-2008《钢质石油储罐防腐蚀工程技术规范》(以下简称GB 50393-2008)要求的断电电位-850～-1 100 mV范围内[10],符合标准要求。

2 辅助阳极布置研究

网状阳极[11-13]的布置是将MMO/Ti阳极带以一定间距平行布置于罐底板下侧沥青砂垫层中,在垂直方向以一定间距布置钛金属导电片,交叉点相互电气连接,并形成均匀的网格状,为进一步降低接地电阻,有时也在阳极周围敷设焦炭屑。阳极之间距离过大、过小都会导致罐底外壁获得的电位分布不均,间距过小还将导致阳极效率降低、成本增加,因此应合理确定阳极和导线各自之间的间距。其布置方式见图4。

图4 网状阳极布置方式

目前国内储罐罐底阴极保护系统常用的阳极类型除网状阳极外还有线性阳极。线性阳极分为导电聚合物型线性阳极和MMO/Ti型线性阳极。早期出现的导电聚合物型线性阳极是以热塑性导电聚合物作为内部阳极芯材,铜导线、焦炭屑、包覆织物等逐层包裹而成的阳极;MMO/Ti型线性阳极是采用MMO/Ti做阳极,将其与铜导线以一定距离电气连接,并共同包裹在焦炭屑、纤维织物中的一种阳极。线性阳极[14-21]布置方式大体分为盘旋式、回形针式等。其布置方式见图5～6。

图5 盘旋式线性阳极布置方式

图6 回形针式线性阳极布置方式

3 网状阳极和线性阳极电位分布计算

3.1 建模计算

为了更清楚地了解网状阳极和线性阳极各种布置方式在罐底的电位分布情况,采用BEASY软件进行建模计算。

输入条件参数:输入电流2 A,沥青砂电阻率1 000 Ω·m,砂垫层电阻率200 Ω·m,罐外土壤电阻率20 Ω·m。阳极边界均采用的是MMO阳极极化曲线,线电阻为0.001 Ω/m。网状阳极中MMO阳极间距2 m(满足GB 50393-2008的要求),导电片间距6 m(满足GB 50393-2008的要求),线性阳极间距5 m,罐底直径80 m。网状阳极电位分布情况见图7，图7中电位均为消除IR降的断电电位。

盘旋式线性阳极电位分布情况见图8。

回形针式线性阳极电位分布情况见图9。

3.2 结果分析

根据建模计算结果,在上述工况下,网状阳极、盘旋式线性阳极和回形针式线性阳极三种布置方式均能满足阴极保护准则的要求。

图7 网状阳极电位分布

图8 盘旋式线性阳极电位分布

图9 回形针式线性阳极电位分布

网状阳极最小/最大的电位差为47 mV,盘旋式线性阳极为192 mV,回形针式线性阳极为200 mV,在所采取的输入条件下,网状阳极电位分布相对更加均匀。需要说明的是上述计算结果是在特定工况下计算的极化电位情况,实际工况中测得的罐底断电电位还会受到阳极间距调整、罐底氧浓差变化、参比电极状况等外界因素影响。

盘旋式线性阳极布置方式使得罐中心的电位具有更正的趋势,回形针式线性阳极布置使得远端电位具有更正的趋势,两种布置方式在相同条件下的电位差异不明显。

4 结论

1)在本研究工况下,网状阳极、盘旋式线性阳极和回形针式线性阳极三种布置方式均能满足阴极保护准则的要求。在本研究选取的参数情况下,网状阳极电位分布相对更加均匀。

2)当选用线性阳极盘旋式布置方式时,应尽量使边缘部位的电位调至更负,以确保中心位置电位达到阴极保护准则的要求。当选用线性阳极回形针式布置方式时,应尽量使阳极起始部位的电位调至更负,以确保阳极末端乃至整个罐底电位达到阴极保护准则的要求。

3)本研究结论可用于指导工程设计技术方案的制定及阴极保护系统的施工、运行、检测、维护,保障储罐安全运行。