深井陽極陰極保護技術優(yōu)化設計研究

張偉姜勇楊曉泉林純省馬偉平

深井陽極陰極保護技術優(yōu)化設計研究

張偉1姜勇2楊曉泉3林純省4馬偉平5

（1.中國石油北京銷售公司倉儲分公司石樓油庫；2.中國石油北京油氣調(diào)控中心；3.中國石油管道局工程有限公司第四分公司；4.中國航空油料有限責任公司溫州分公司；5.中國石油管道研究中心）

深井陽極技術具有性能穩(wěn)定、電流分布均勻等優(yōu)點，廣泛應用于儲罐底板陰極保護工程。基于深井陽極技術施工難度和經(jīng)濟性因素，提出了研究確定合理的深井陽極埋深的需求。根據(jù)經(jīng)典帶電圓盤電流密度分布假設，考慮土壤和瀝青砂基礎的不均勻性，提出了求解儲罐底板陰極保護電位的新方法。研究了不同深井陽極埋深對應的儲罐底板保護電位分布情況，得出結論：針對單個儲罐和單支深井陽極的情形，合理的深井陽極埋深范圍是25～45 m，儲罐電位分布較均勻，可有效避免電流流失和儲罐欠保護問題。

深井陽極；陰極保護；電位；儲罐；埋深

引言

國內(nèi)大型儲罐工程廣泛應用了深井陽極陰極保護技術[1]。相對罐周均布淺埋陽極和犧牲陽極，深井陽極具有接地電阻小、占地少、性能穩(wěn)定、使用壽命長、罐底板電流均勻等優(yōu)點。深井陽極施工應滿足水文地質(zhì)結構，已建深井陽極調(diào)整非常困難，合理的深井陽極設計可以使儲罐處于良好保護狀態(tài)，恒電位儀電能消耗較小；因此，新建儲罐陰極保護工程的關鍵問題是確定深井陽極埋深和位置。國內(nèi)外深井陽極工程實踐表明，深井陽極距離儲罐水平距離應大于30 m才能獲得較好保護效果[2]，距離過小導致部分保護電流流回整流器影響保護電位和電流密度分布的均勻性。但針對埋深沒有統(tǒng)一規(guī)定，從施工難度和經(jīng)濟性考慮，應用單支陽極是最實用的，研究單支深井陽極埋深對儲罐底板保護電位的影響具有實際意義。

目前，新建儲罐陰極保護工程設計中深井陽極埋深一般根據(jù)實踐經(jīng)驗確定或者電位疊加法估算。近年來，應用有限元（ANSYS）、邊界元（BEASYCP）、Fluent等數(shù)值方法進行陰極保護系統(tǒng)優(yōu)化設計成為技術發(fā)展方向[3]。本研究根據(jù)經(jīng)典帶電圓盤電流密度分布假設，提出了求解儲罐底板陰極保護電位的新方法。針對不同深井陽極埋深計算了對應的儲罐底板保護電位，根據(jù)數(shù)值計算結果對深井陽極合理的埋深進行了研究。

1 儲罐底板陰極保護系統(tǒng)數(shù)學模型

穩(wěn)態(tài)分布型儲罐底板陰極保護系統(tǒng)電位分布滿足Laplace方程，即

φ=φ0（第一類邊界條件）

式中：φ0——深井陽極表面極化電位值，V；

σ——儲罐底板區(qū)域環(huán)境介質(zhì)電導率，Ω·m；

f(φ)——儲罐底板表面電流密度，mA/m2。

1.1 深井陽極極化電位

根據(jù)陰極保護體系物理模型計算深井陽極極化電位[4]，其表達式為

式中：U——恒電位儀輸出電壓值，V；

國際預科證書課程（International Baccalaureate Diploma Program，簡稱IB課程），是由國際文憑組織為高中生設計的為期兩年的課程，現(xiàn)在在國際上非常有影響力。那么，在當前中國課程改革與教育改革的背景下，IB課程能夠?qū)嵤┫氯幔空n程改革會有怎樣的走向？我們拭目以待。

I0——所需保護電流，A；

R——深井陽極接地電阻，Ω；

RW——深井陽極電纜電阻，Ω；

ξ——焦炭回填料反電動勢，2 V。

1.2 儲罐底板電流密度

文獻[5]根據(jù)經(jīng)典靜電學原理推導出無限大空間帶電圓盤電流密度i分布公式，即

式中：i——圓盤導體距圓心a處的電流密度，mA/m2；

a——該點距圓盤中心距離，m；

r——圓盤半徑，m；

1.3 儲罐底板環(huán)境介質(zhì)參數(shù)

儲罐底板和以瀝青砂為主要成分的基礎層接觸，基礎層與土壤電阻率、密度差異很大，在以往儲罐陰極保護模擬研究中認為土壤均勻各向同性[6]，計算結果存在誤差。本研究中儲罐底板環(huán)境介質(zhì)由土壤和瀝青砂基礎構成[7]，土壤電阻率5Ω·m，瀝青砂基礎電阻率200Ω·m，儲罐底板環(huán)境介質(zhì)參數(shù)和深井陽極參數(shù)見表1。土壤自然腐蝕電位-0.55 V，儲罐底板保護電位最小值-0.85 V，儲罐底板保護電位最大值-1.2 V，儲罐底板平均電流密度6 mA/m2。

表1 儲罐底板環(huán)境介質(zhì)參數(shù)和深井陽極參數(shù)

1.4 計算實例Ⅰ

文獻[8]提供了應用多孔PVC參比電極測量實際儲罐底板保護電位的數(shù)據(jù)，儲罐直徑36 m，罐邊緣到罐中心徑向方向等間隔測量13個點，保護電流密度6 mA/m2，在一側(cè)安裝深井陽極，距儲罐邊緣近端52 m，埋深30 m，長度15 m，測試電位期間恒電位儀輸出電壓4.85 V。

數(shù)值結果與實測電位數(shù)據(jù)見表2，其中10個檢測位置的測試電位值與數(shù)值方法結果的相對誤差小于6%。深井陽極距儲罐邊緣近端0～3.0 m范圍內(nèi)電位結果相差較大，主要原因是深井陽極極化電位是動態(tài)變化的。本研究根據(jù)陰極保護系統(tǒng)設計參數(shù)近似計算深井陽極極化電位，該值固定不變，因此計算結果存在一定誤差。剔除深井陽極極化電位動態(tài)變化因素影響，數(shù)值結果和實測電位數(shù)據(jù)的誤差在工程允許誤差范圍內(nèi)，驗證了儲罐陰極保護系統(tǒng)數(shù)值模擬的可靠性。

表2 數(shù)值結果和實測電位數(shù)據(jù)對比

2 深井陽極埋深對儲罐陰極保護電位的影響

以2×104m3浮頂儲罐為例，罐直徑40 m，儲罐一側(cè)安裝深井陽極，材質(zhì)YJB3SiCr-75×1000 mm（由15組單支深井陽極串接而成），深井陽極距離儲罐近端30 m（圖1）。研究儲罐特殊位置點的電位值，特殊點分布見圖2。

圖1 儲罐一側(cè)安裝深井陽極示意圖

圖2 儲罐特殊點分布

預先設定深井陽極埋深，調(diào)整恒電位儀輸出電壓使儲罐底板保護電位處于-0.85～-1.2 V范圍內(nèi)，控制儲罐邊緣和儲罐中心的電位差盡可能小；保持恒電位儀輸出電壓不變，改變深井陽極埋深，研究深井陽極埋深對儲罐底板電位分布的影響（圖3、圖4）。可以看出，深井陽極埋深在15～45 m范圍內(nèi)，儲罐底板電位分布變化較為平緩；深井陽極埋深小于15 m或者大于45 m，即深井陽極埋深過淺或者過深，儲罐底板電位分布變化劇烈，儲罐底板部分區(qū)域甚至存在欠保護問題。

為了進一步確定較為合理的深井陽極埋深，以儲罐中心軸線（A3、A7）為例，繪制了不同深井陽極埋深情況下儲罐底板水平軸線電位分布的規(guī)律，重點針對深井陽極埋深10 m、20 m、30 m和40 m的情形（圖5）。

圖3 深井陽極埋深對儲罐底板電位分布的影響

圖4 深井陽極埋深對儲罐底板電位分布的影響

圖5 深井陽極埋深對儲罐水平軸線電位的影響

可以看出，如深井陽極埋深較淺（介于10～20 m），大部分保護電流流向土壤，導致儲罐遠陽極端地表區(qū)域（100 m處）的電壓較高。雖然深井陽極埋深10 m和40 m對應的儲罐底板的保護電位相差不大，但是對于儲罐區(qū)安全是不利的。國內(nèi)儲罐接地為了避免扁鋼接地造成的保護電流流失，一般采用鋅接地。鋅在土壤中開路電位是-1.1 V，深井陽極埋深10～20 m時儲罐遠陽極端地表區(qū)域（100 m處）的電位大大高于鋅接地極的開路電位，會造成大量電流流失。雖然深井陽極埋深10～20 m和30～40 m條件下儲罐底板保護電位差異不大，也可以達到保護狀態(tài)，但實際上是不可取的。此外，深井陽極埋深30～40 m條件下儲罐遠陽極端地表區(qū)域（100 m處）的電位與鋅接地極的開路電位接近。綜上所述，針對儲罐單側(cè)安裝深井陽極，深井陽極合理的埋深范圍是25～45 m。

3 結論

建立了儲罐底板陰極保護體系的數(shù)值計算新方法，針對儲罐一側(cè)安裝深井陽極陰極保護技術，研究了深井陽極埋深對儲罐底板電位的影響：

1）深井陽極埋深在15～45 m范圍內(nèi)，儲罐底板電位分布變化較為平緩；深井陽極埋深小于15 m或者大于45 m，即深井陽極埋深過淺或者過深，儲罐底板電位分布變化劇烈。

2）針對儲罐一側(cè)安裝深井陽極的情形，合理的深井陽極埋深范圍是25～45 m，深井陽極埋深過淺或者過深，可能造成儲罐底板的欠保護問題和保護電流流失問題。

3）深井陽極埋深對儲罐近陽極端區(qū)域保護電位的影響大于遠陽極端，深井陽極埋深對罐中心保護電位的影響介于近陽極端和遠陽極端之間。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2017.06.003

2017-03-21

（編輯 李發(fā)榮）

張偉：2007年畢業(yè)于中國石油大學（華東）（油氣儲運工程專業(yè)），從事成品油油庫安全及設備管理工作，E-mail：suncl2@cnooc.com.cn，地址：北京市房山區(qū)石樓鎮(zhèn)石樓大街2號中油北京銷售有限公司石樓油庫，102422。