儲罐底板陰極保護技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展

王 東

(中國石化集團勝利油田，山東 德州 251508)

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儲罐底板陰極保護技術(shù)現(xiàn)狀及其發(fā)展

王 東

(中國石化集團勝利油田，山東 德州 251508)

對于儲罐底板內(nèi)外側(cè)的腐蝕，陰極保護是最為經(jīng)濟有效的防腐措施。根據(jù)測量的電位來判斷儲罐底板是否得到有效保護，把保護電位作為調(diào)整陰極保護系統(tǒng)運行的重要參數(shù)。遇到罐底板中心部位電位不容易檢測的時候，為了保證儲罐底板中心得到充分保護，需要利用數(shù)學(xué)方法，根據(jù)陰極保護電位數(shù)值計算理論，建立陰極保護的數(shù)學(xué)模型，求解得到整個儲罐底板的電位分布。此舉措對于提高整個儲罐底板的陰極保護效果，延長站內(nèi)儲罐的使用壽命有非常重要的意義。

儲罐底板 陰極保護 電位分布 邊界元法

儲罐是聯(lián)合站、集油站內(nèi)接收、儲存油品的重要設(shè)備，儲罐的正常運行對整個站場的安全、穩(wěn)定、長期生產(chǎn)運行起著十分重要的作用。隨著站內(nèi)儲罐運行時間延長，儲罐底板安全度下降，一旦發(fā)生腐蝕穿孔，會導(dǎo)致油品泄漏直接造成經(jīng)濟損失，也會對周圍的環(huán)境造成嚴重的破壞，甚至引發(fā)火災(zāi)與爆炸等重大安全事故。

陰極保護投資成本僅為儲罐建設(shè)成本的1%，可以成倍地延長更換儲罐底板的周期。根據(jù)石油天然氣行業(yè)標準SY/T 0088-2006 《鋼質(zhì)儲罐罐底外壁陰極保護技術(shù)標準》與NACE RP0193-2001 《在級碳鋼儲罐底的外部陰極保護》的規(guī)定，在施加陰極保護的情況下，使用銅/飽和硫酸銅參比電極(CSE)測得罐/地極化電位應(yīng)為-0.85～-1.2 V。為精確測量保護電位，要求盡可能地降低土壤IR降的影響，參比電極應(yīng)安置在盡量靠近被測試構(gòu)件的位置。

1 儲罐底板陰極保護技術(shù)現(xiàn)狀

從陰極保護技術(shù)誕生到現(xiàn)在，已經(jīng)發(fā)展了190多年。目前許多發(fā)達國家已經(jīng)將在大型油庫、輸油和輸氣站場等強制實施區(qū)域性陰極保護寫入法律，并且做到了陰極保護系統(tǒng)和主體工程同時設(shè)計、同時施工和同時投產(chǎn)。

國外從20世紀60年代就開始了儲罐底板外側(cè)陰極保護技術(shù)的應(yīng)用與研究，國內(nèi)開始應(yīng)用儲罐底板的陰極保護只有20多年的歷史。

20世紀70年代，區(qū)域性陰極保護技術(shù)首次在中國石化和勝利油田東辛采油廠得到利用，站內(nèi)的儲罐和埋地管線都得到了有效保護[1]。1989年，福建省東山油罐區(qū)的5座儲油罐把犧牲陽極材料鋅基埋設(shè)在儲罐周邊1m外地下土層內(nèi)，采用犧牲陽極方法對儲罐底板進行陰極保護。由于犧牲陽極材料的驅(qū)動電位較低，所以只適用于小型的儲罐。目前對于儲罐底板的陰極保護工程，國內(nèi)外多選擇強制電流陰極保護技術(shù)。

外加強制電流陰極保護技術(shù)是防止儲罐底板外側(cè)腐蝕的有效手段，網(wǎng)狀陽極是目前最為理想的儲罐底板外加強制電流陰極保護系統(tǒng)的陽極形式，給儲罐底板提供均勻的保護電流，使儲罐底板中心和周圍的電位分布均勻。對于已建儲罐底板施加陰極保護，常采用深井陽極的形式，此形式下儲罐底板保護電位沿直徑方向分布不均勻。

目前可以通過儲罐底板下部埋設(shè)了參比電極的方法，測試儲罐底板外側(cè)的保護效果，而長效參比電極埋設(shè)在儲罐底板周圍時，則只能測得儲罐底板邊緣的保護電位。因此，為了實現(xiàn)對深井陽極形式下儲罐底板外側(cè)的保護效果的準確預(yù)測，有必要對儲罐底板外側(cè)的電位分布進行研究。

2 儲罐底板陰極保護模擬技術(shù)

2.1 電位解析方法研究

解析計算公式比較直觀，在工程應(yīng)用中比較方便。長距離埋地管道陰極保護電位和電流密度分布的解析式已經(jīng)在工藝計算和設(shè)計當中得到廣泛應(yīng)用，儲罐底板陰極保護電位分布不能直接套用管道的陰極保護電位分布公式。

在整個儲罐底板上的電流密度非常均勻的假設(shè)前提下，Morgan推導(dǎo)得到了儲罐底板陰極保護的電位分布公式，電位與距罐中心距離呈線性關(guān)系，但是與實際電位分布存在很大差異，只適用于罐底板直徑非常小的情況。后來Morgan考慮了儲罐底板電流密度的不均勻性問題，從帶電圓盤電荷分布公式出發(fā)，推導(dǎo)得到距罐底中心距離為處罐底的保護電流密度為：

(1)

式中:x為距罐底中心的距離，m；r為罐底板半徑，m；is為罐底平均電流密度，A/m2。

李湘怡[2]等將被保護儲罐底板和其相鄰?fù)寥澜橘|(zhì)當作兩個體系，一個為陽極電場，另一個為陰極電場，陽極電場是由陽極流向大地的無窮遠處產(chǎn)生的，而陰極電場是由大地的無窮遠處流入儲罐底板時產(chǎn)生的。利用穩(wěn)流電場理論推導(dǎo)出罐底陰極保護電位分布模型解析公式，并驗證了該數(shù)學(xué)模型，利用簡化的解析公式可以方便計算儲罐底板電位分布，為儲罐底板陰極保護的評價和檢測提供理論支撐。

φ=Um-(Ua+Uc)

(2)

式中:Um為罐底板上流動的電流在罐底板產(chǎn)生的電位，V；Ua為陽極流向大地無窮遠處的電流在罐底板產(chǎn)生的電位，V；Uc為大地無窮遠處流入罐底板的電流在罐底板產(chǎn)生的電位，V。

翁永基[3]等將式(1)級數(shù)展開，省略高次項，引入描述電流密度不均勻性的經(jīng)驗常數(shù)k，得到距離罐底中心x處電流密度為：

(3)

式中:y為距罐底中心的比例距離，m；i0為罐底中心的電流密度，A/m2；k為經(jīng)驗常數(shù)，取30。

李湘怡以式(3)為基礎(chǔ)，根據(jù)三種恒流電場理論，分別計算三種穩(wěn)流電場的電位分布，疊加各個電場電位分布，罐底板上流動的電流在罐底板產(chǎn)生的電位太小，可以忽略，當不考慮陽極電位影響時，可以得到陰極保護條件下儲罐電位分布解析公式：

(4)

式中：ρ土壤電阻率，Ω·m。

以三種恒流電場的疊加理論為基礎(chǔ)，梁宏進一步討論了單陽極、雙陽極、三陽極和四陽極等幾種陽極形式的陽極電位分布，得出單陽極形式下罐底板電位分布的不均勻程度比其他三種形式下大。耿曉梅也利用了三種穩(wěn)流電場理論建立了站庫追加陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計計算模型，并利用序列二次規(guī)劃方法優(yōu)化了陽極位置，使被保護區(qū)域在最小的陽極電流情況下得到保護。

杜艷霞[4]改進了式(1)，引入電流密度修正系數(shù)，采用灰色關(guān)聯(lián)法確定了陽極埋深、數(shù)量、罐底板直徑是影響的主要因素，得到距離罐底中心x處電流密度為：

(5)

式中：δ為電流密度修正系數(shù)，無量綱。

根據(jù)電場疊加理論，應(yīng)用電磁學(xué)基本原理和儲罐底板陰極保護系統(tǒng)的幾何特征，推導(dǎo)了罐旁單側(cè)布置深井陽極和罐周圍對稱布置兩口深井陽極情況下儲罐底板外側(cè)陰極保護電位分布的解析公式。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，數(shù)據(jù)擬合得到了與陽極埋深、數(shù)量、罐底板直徑的關(guān)系式。

儲罐底板陰極保護電位分布解析公式基本都是采用三種恒流電場理論，未考慮儲罐底板的非線性極化特性。同時解析公式受到陽極的布置方式和陽極數(shù)量的限制，對罐旁單側(cè)深井陽極陰極保護電位分布的研究較多，其它復(fù)雜陽極形式下的儲罐底板陰極保護電位分布研究較少。

2.2 電位數(shù)值模擬技術(shù)研究

隨著電化學(xué)技術(shù)和計算機技術(shù)的快速發(fā)展，為人們獲取儲罐底板陰極保護電位的分布提供了有效的途徑，人們嘗試采用數(shù)值計算的方法來獲取被保護體表面的電位分布。20世紀80年代，國外已有學(xué)者開始利用計算機技術(shù)進行陰極保護設(shè)計工作。如今人們可以利用現(xiàn)成的計算程序軟件包如FLUENT，ANSYS和MATLAB進行數(shù)值計算，節(jié)省編制復(fù)雜程序的時間。

2.2.1 數(shù)學(xué)模型

(1)控制方程

基于恒電流理論，對深井陽極儲罐底板電位分布公式進行了推導(dǎo)，推導(dǎo)得到Poisson方程為電位的控制方程，根據(jù)實際狀況，以研究區(qū)域絕緣面電流為零，無窮遠處電位為零，實驗室實測的極化曲線為儲罐底板外側(cè)陰極保護電位分布問題的邊界條件，建立了儲罐底板陰極保護電位分布數(shù)學(xué)模型。

(6)

當所研究的恒定電場中存在恒定的點源，電位分布滿足Poisson方程，在給定邊界條件時，可通過求解該方程可以得到電位的分布。

(2)邊界條件

根據(jù)儲罐底板陰極保護電位分布的物理模型，所研究的區(qū)域為Ω，被表面Γ所包圍，總邊界Γ包括：無限大地面表面邊界Γd、儲罐底板外表面邊界Γc、虛設(shè)半無限域土壤球冠邊界Γ∞。

地表面邊界Γd與大氣相接觸，外加陰極保護電流只能在土壤介質(zhì)中流動，不能流入大氣，因此可以把地表面當作絕緣面，其邊界條件滿足：

(7)

可以忽略陽極對無限大土壤表面的影響，所以在無窮遠處表面的電流密度也為零，即滿足以下邊界條件：

(8)

陰極的邊界條件采用描述電流密度和電位之間函數(shù)關(guān)系的極化函數(shù)來定義：

J=f(φ-φeq)

(10)

式中：φ為儲罐底板施加陰極保護后的極化電位值；φeq為儲罐底板在土壤環(huán)境中的自腐蝕電位，f(φ-φeq)為陰極極化函數(shù)。

隨著電化學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人們開始認識到極化電位和電流密度有關(guān)，人們可以通過電化學(xué)實驗測得描述這種關(guān)系的陰極極化曲線。Ashworth提出建立正確的極化模型將直接影響到整個陰極保護模型的準確性。葛艾天根據(jù)Butler-Volmer極化動力學(xué)原理，考慮陽極極化過程由活化極化控制，陰極極化過程由活化極化和濃差極化混合控制，推導(dǎo)出了對于管道和鋼質(zhì)管件采用的陰極邊界條件。蔣卡克采用BEASY邊界元數(shù)值模擬軟件計算了實際工程中，外加電流陰極保護系統(tǒng)中，輔助陽極采用恒電流密度與陽極極化曲線作為邊界條件模擬誤差對比分析。

一般陰極電位和電流密度的關(guān)系是非線性的，其模擬處理直接影響計算結(jié)果的精度和計算的時間，常采用的是三種方法：一是公式法，Danson認為電位和電流密度之間存在類似塔菲爾方程的關(guān)系；二是Newton-Raphson迭代法，該方法是將非線性擬合得到的函數(shù)用泰勒級數(shù)展開，只取展開項的前兩項作為函數(shù)的近似值；三是分選線性擬合方法，將實測極化曲線分為若干段，每一段都進行線性擬合，分段線性擬合對擬合實驗測得的極化曲線有非常好的靈活性。

2.2.2 數(shù)值模擬技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

可用包含邊界條件的數(shù)學(xué)物理方程來描述陰極保護場域的數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值計算方法求解偏微分方程，用網(wǎng)格離散連續(xù)場域，包含邊界的微分方程被含有限未知數(shù)的代數(shù)方程組所代替，通過求解代數(shù)方程組得到未知節(jié)點上的函數(shù)值大小。目前應(yīng)用于腐蝕場的數(shù)值計算方法主要包括有限差分法、有限元法和邊界元法。

邱楓[5]等運用有限元法，利用計算機編寫了程序，計算了儲罐底板外側(cè)陰極保護時的電位和電流分布，討論了土壤電阻率、儲罐底板涂層、陽極距儲罐近陽極點的距離、陽極極化值、陽極的數(shù)量和布置方式等多種因素對電位分布的影響。

馬偉平[6]等從陰極保護數(shù)學(xué)模型控制方程和熱流體能量方程相似性入手，把恒定電場問題推廣到研究熱流場。討論如何設(shè)定儲罐底板、計算區(qū)域邊緣和輔助陽極的邊界條件，利用兩種電流密度分布假設(shè)，對深井陽極儲罐底板的陰極保護進行了數(shù)值模擬。

杜艷霞[7]考慮陰極條件由活化極化和濃差極化混合控制，改進了儲罐底板外側(cè)陰極保護電位分布數(shù)學(xué)模型，利用國際上流行的軟件包FLUENT模擬計算了儲罐底板外側(cè)的陰極保護電位分布，與室內(nèi)建立的實驗?zāi)M裝置測量結(jié)果對比分析，模擬數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)比較吻合，驗證了求解方法的準確性。進一步考察了實際生產(chǎn)中常用的六種陽極埋設(shè)方式儲罐底板陰極保護電位分布規(guī)律以及保護效果進行了對比分析。并考察了土壤電阻率、儲罐底板直徑、接觸介質(zhì)性質(zhì)、陽極埋深和數(shù)量、與儲罐水平距離等因素對電位分布的影響。

齊建濤[8]等采用了邊界元方法對儲罐罐底水相區(qū)的陰極保護進行了數(shù)值模擬和仿真，通過調(diào)整外層陽極的數(shù)量和陽極布置的位置來對陰極保護系統(tǒng)進行了優(yōu)化，提高了側(cè)壁的保護效果，改善了儲罐底板上的過保護問題，使水相區(qū)電位和電流密度分布也更加均勻。

張豐[9]等采用陰極保護領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛的BEASYCP軟件對深井陽極和近網(wǎng)狀陽極對儲罐底板電位分布進行分析，通過電化學(xué)實驗測得A3鋼在土壤溶液、土壤、干燥瀝青砂和含水瀝青砂中的極化曲線。

夏宗春[10]采用邊界元法計算了罐底板外側(cè)陰極保護電位分布，討論了多種影響電位分布的因素，包括土壤電阻率大小，儲罐罐底板外側(cè)的表面狀態(tài)，陽極的數(shù)量和分布情況等。

國內(nèi)外對埋地管道電位分布數(shù)值模擬的文獻較多，由于受陽極布置方式、儲罐底板非線性極化特性等因素影響，對深井陽極罐底板電位分布進行數(shù)值模擬的文獻相對較少。隨著電化學(xué)技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)值計算方法具有顯著的優(yōu)勢，能夠更準確、高效地計算儲罐底板的電位分布，研究陽極設(shè)置參數(shù)、罐底板直徑和土壤電阻率對電位分布的影響，也成為國內(nèi)外研究的熱點。

3 結(jié)論和建議

(1)強制電流陰極保護技術(shù)是防止儲罐底板外側(cè)腐蝕的有效手段，目前大型儲罐的陰極保護技術(shù)雖然得到了大規(guī)模的推廣應(yīng)用，但是不夠完善。

(2)由于受介質(zhì)分布不均勻、陽極布置方式、儲罐底板非線性極化特性等因素影響，儲罐底板陰極保護電位分布解析方法方面的研究十分困難。

(3)采用數(shù)值計算的方法來獲取被保護體表面的電位分布。相對于傳統(tǒng)設(shè)計方法，計算機技術(shù)可以高效、準確地判斷儲罐底板陰極保護的效果。

[1] 馬偉平, 張國忠. 區(qū)域性陰極保護技術(shù)研究進展[J]. 油氣儲運, 2005, 24( 9): 38-42.

[2] 李相怡, 翁永基. 陰極保護電位分布數(shù)學(xué)模型的研究及其應(yīng)用[J]. 腐蝕科學(xué)與防護技術(shù), 1998, 10(2): 64-69.

[3] 翁永基. 陰極保護設(shè)計中的模型研究及其應(yīng)用[J]. 腐蝕科學(xué)與防護技術(shù), 1999, 11(2): 99-110.

[4] 杜艷霞. 金屬儲罐底板外側(cè)陰極保護電位分布規(guī)律研究[D]. 青島：中國石油大學(xué)(華東), 2007.

[5] 邱楓, 徐乃欣. 鋼質(zhì)貯罐底板外側(cè)陰極保護時的電位分布[J]. 中國腐蝕與防護學(xué)報, 1996, 16(1): 29-36.

[6] 馬偉平, 張國忠, 梁昌華，等. 兩點法電位檢測儲罐底板陰極保護效果評價[J]. 油氣儲運, 2005, 24(4): 40-42.

[7] 杜艷霞, 張國忠. 儲罐底板外側(cè)陰極保護電位分布的數(shù)值模擬[J]. 中國腐蝕與防護學(xué)報, 2006, 26(6): 346-349.

[8] 齊建濤, 李焰. 海運石腦油儲罐水相區(qū)陰極保護電場的數(shù)值模擬[J]. 海洋科學(xué), 2012, 36(11): 79-80.

[9] 張豐, 陳洪源, 李國棟，等. 數(shù)值模擬在管道和站場陰極保護中的應(yīng)用[J]. 油氣儲運, 2011, 30(3): 208-211.

[10] 夏宗春. 地面鋼質(zhì)貯罐底板外側(cè)陰極保護電位分布計算[D]. 大連：大連理工大學(xué), 2000.

(編輯 張向陽)

Overview and Development of Tank Bottom Cathodic Protection Technology

WangDong

(LinpanOilProductionPlantofShengliOilField,Dezhou251508,China)

At present, cathodic protection is the most effective and economic anti-corrosion measure for the internal and external sides of bottom plates. Whether the tank bottom plate has been effectively protected or not can be determined according to the measured electric potential parameters. Protection potential is an important parameter to adjust the operation of cathodic protection system. When it is difficult to get the protective electric potential of the tank center bottom and it is important to protect the tank center bottom plate, it is necessary to establish mathematical model of cathodic protection to get the electric potential distribution of the whole bottom plate by using numerical simulation based upon numerical calculation theory for cathodic protection electric potential. It is very significant for improving effectiveness of cathodic protection and extending the service life of tanks in the station.

tank bottom plate, cathodic protection, potential distribution, boundary element method

2016-01-06；修改稿收到日期：2016-02-25。

王東(1988-)，碩士，勝利油田臨盤采油廠壓氣一站主要從事腐蝕與安全方面研究。E-mail:shengli_2006@163.com