大型儲(chǔ)罐罐底外壁陽(yáng)極布置與電位分布研究

馬含悅 黃春蓉 鄭大寶 牟 華 施岱艷

1. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司西南分公司, 四川 成都 610041;2. 中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司， 北京 100101

0 前言

在石油工程建設(shè)項(xiàng)目中,儲(chǔ)罐的安全運(yùn)行是其中一個(gè)重要方面,儲(chǔ)罐罐底外壁陰極保護(hù)技術(shù)作為保證儲(chǔ)罐安全運(yùn)行的措施,受到工程應(yīng)用及研究的重視。國(guó)內(nèi)外工程項(xiàng)目中,儲(chǔ)罐罐底外壁的陰極保護(hù)技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用成熟。但對(duì)于體量為10×104m3的大型儲(chǔ)罐,由于其本身的應(yīng)用局限性,導(dǎo)致其陰極保護(hù)技術(shù)的實(shí)施與研究也相對(duì)較少,對(duì)于如此大體量?jī)?chǔ)罐罐底外壁的陰極保護(hù)輔助陽(yáng)極的研究也相對(duì)有限,輔助陽(yáng)極布置與電位分布研究更是寥寥無(wú)幾,現(xiàn)有的文獻(xiàn)論證不夠全面深入,目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于這方面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范尚不完備。然而,隨著大型儲(chǔ)罐工程項(xiàng)目建設(shè)以及輔助陽(yáng)極應(yīng)用的需要,亟待進(jìn)行這部分內(nèi)容的深入研究。為了彌補(bǔ)該空缺,對(duì)大型儲(chǔ)罐罐底外壁陰極保護(hù)技術(shù)中輔助陽(yáng)極布置與電位分布的關(guān)系展開(kāi)研究,可為設(shè)計(jì)技術(shù)方案的制定,陰極保護(hù)系統(tǒng)的施工、運(yùn)行、檢測(cè)以及維護(hù)提供依據(jù)。經(jīng)查閱文獻(xiàn)資料[1-9],對(duì)某石化原油儲(chǔ)罐工程進(jìn)行運(yùn)行參數(shù)的測(cè)試、采集、整理、分析并得出結(jié)論。

1 某石化項(xiàng)目罐底外壁陰極保護(hù)系統(tǒng)

某石化項(xiàng)目在1#罐區(qū)和2#罐區(qū)內(nèi)的原油儲(chǔ)罐和消防水罐罐底外壁均采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù),陰極保護(hù)電源設(shè)備選用恒電位儀,罐底采用由鈦鍍貴金屬氧化物陽(yáng)極帶和鈦金屬導(dǎo)電片垂直交叉焊接在一起形成的網(wǎng)狀陽(yáng)極,陽(yáng)極帶及鈦金屬導(dǎo)電片敷設(shè)于罐底回填砂層內(nèi),陽(yáng)極帶四周填充焦炭屑,罐基礎(chǔ)回填砂層上方均采用瀝青砂墊層,罐底網(wǎng)狀陽(yáng)極側(cè)視圖見(jiàn)圖1。

圖1 罐底網(wǎng)狀陽(yáng)極側(cè)視圖

每座原油儲(chǔ)罐罐底及防火堤內(nèi)均安裝了防滲膜。每座原油儲(chǔ)罐由1臺(tái)陰極保護(hù)電源設(shè)備單獨(dú)供電,罐底網(wǎng)狀陽(yáng)極上方共安裝9支參比電極,其中5支為長(zhǎng)效硫酸銅參比電極,4支為高純鋅參比電極,間隔布置。為方便測(cè)試和電纜路由檢修,在各原油儲(chǔ)罐防火堤內(nèi)設(shè)置有1套陽(yáng)極/陰極防爆接線箱,防火堤外設(shè)置有1套測(cè)試樁。

每座消防水罐由1臺(tái)陰極保護(hù)電源設(shè)備單獨(dú)供電,罐底共安裝5支參比電極,其中3支為長(zhǎng)效硫酸銅參比電極,2支為高純鋅參比電極。在各消防水罐外設(shè)置有1套陽(yáng)極/陰極防爆接線箱、1套測(cè)試樁。

每座原油儲(chǔ)罐和消防水罐各安裝通電點(diǎn)2處,零位接陰連接點(diǎn)1處。通電點(diǎn)和零位接陰連接點(diǎn)位于罐底邊緣板上,陰極電纜和零位接陰電纜通過(guò)鋁熱焊與罐底邊緣板連接。

為防止雨水通過(guò)邊緣板與環(huán)梁基礎(chǔ)間縫隙滲入罐底,罐底邊緣板采用防水材料進(jìn)行防水密封。

儲(chǔ)罐罐底陰極保護(hù)系統(tǒng)連接原理見(jiàn)圖2,以原油儲(chǔ)罐為例的罐底網(wǎng)狀陽(yáng)極布置見(jiàn)圖3。

圖2 罐底陰極保護(hù)系統(tǒng)連接原理

圖3 原油儲(chǔ)罐罐底網(wǎng)狀陽(yáng)極布置

經(jīng)投產(chǎn)運(yùn)行調(diào)試,各儲(chǔ)罐陰極保護(hù)電源設(shè)備處測(cè)得的陰極保護(hù)電位基本處于GB 50393-2008《鋼質(zhì)石油儲(chǔ)罐防腐蝕工程技術(shù)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱GB 50393-2008)要求的斷電電位-850～-1 100 mV范圍內(nèi)[10],符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2 輔助陽(yáng)極布置研究

網(wǎng)狀陽(yáng)極[11-13]的布置是將MMO/Ti陽(yáng)極帶以一定間距平行布置于罐底板下側(cè)瀝青砂墊層中,在垂直方向以一定間距布置鈦金屬導(dǎo)電片,交叉點(diǎn)相互電氣連接,并形成均勻的網(wǎng)格狀,為進(jìn)一步降低接地電阻,有時(shí)也在陽(yáng)極周?chē)笤O(shè)焦炭屑。陽(yáng)極之間距離過(guò)大、過(guò)小都會(huì)導(dǎo)致罐底外壁獲得的電位分布不均,間距過(guò)小還將導(dǎo)致陽(yáng)極效率降低、成本增加,因此應(yīng)合理確定陽(yáng)極和導(dǎo)線各自之間的間距。其布置方式見(jiàn)圖4。

圖4 網(wǎng)狀陽(yáng)極布置方式

目前國(guó)內(nèi)儲(chǔ)罐罐底陰極保護(hù)系統(tǒng)常用的陽(yáng)極類(lèi)型除網(wǎng)狀陽(yáng)極外還有線性陽(yáng)極。線性陽(yáng)極分為導(dǎo)電聚合物型線性陽(yáng)極和MMO/Ti型線性陽(yáng)極。早期出現(xiàn)的導(dǎo)電聚合物型線性陽(yáng)極是以熱塑性導(dǎo)電聚合物作為內(nèi)部陽(yáng)極芯材,銅導(dǎo)線、焦炭屑、包覆織物等逐層包裹而成的陽(yáng)極;MMO/Ti型線性陽(yáng)極是采用MMO/Ti做陽(yáng)極,將其與銅導(dǎo)線以一定距離電氣連接,并共同包裹在焦炭屑、纖維織物中的一種陽(yáng)極。線性陽(yáng)極[14-21]布置方式大體分為盤(pán)旋式、回形針式等。其布置方式見(jiàn)圖5～6。

圖5 盤(pán)旋式線性陽(yáng)極布置方式

圖6 回形針式線性陽(yáng)極布置方式

3 網(wǎng)狀陽(yáng)極和線性陽(yáng)極電位分布計(jì)算

3.1 建模計(jì)算

為了更清楚地了解網(wǎng)狀陽(yáng)極和線性陽(yáng)極各種布置方式在罐底的電位分布情況,采用BEASY軟件進(jìn)行建模計(jì)算。

輸入條件參數(shù):輸入電流2 A,瀝青砂電阻率1 000 Ω·m,砂墊層電阻率200 Ω·m,罐外土壤電阻率20 Ω·m。陽(yáng)極邊界均采用的是MMO陽(yáng)極極化曲線,線電阻為0.001 Ω/m。網(wǎng)狀陽(yáng)極中MMO陽(yáng)極間距2 m(滿足GB 50393-2008的要求),導(dǎo)電片間距6 m(滿足GB 50393-2008的要求),線性陽(yáng)極間距5 m,罐底直徑80 m。網(wǎng)狀陽(yáng)極電位分布情況見(jiàn)圖7，圖7中電位均為消除IR降的斷電電位。

盤(pán)旋式線性陽(yáng)極電位分布情況見(jiàn)圖8。

回形針式線性陽(yáng)極電位分布情況見(jiàn)圖9。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)建模計(jì)算結(jié)果,在上述工況下,網(wǎng)狀陽(yáng)極、盤(pán)旋式線性陽(yáng)極和回形針式線性陽(yáng)極三種布置方式均能滿足陰極保護(hù)準(zhǔn)則的要求。

圖7 網(wǎng)狀陽(yáng)極電位分布

圖8 盤(pán)旋式線性陽(yáng)極電位分布

圖9 回形針式線性陽(yáng)極電位分布

網(wǎng)狀陽(yáng)極最小/最大的電位差為47 mV,盤(pán)旋式線性陽(yáng)極為192 mV,回形針式線性陽(yáng)極為200 mV,在所采取的輸入條件下,網(wǎng)狀陽(yáng)極電位分布相對(duì)更加均勻。需要說(shuō)明的是上述計(jì)算結(jié)果是在特定工況下計(jì)算的極化電位情況,實(shí)際工況中測(cè)得的罐底斷電電位還會(huì)受到陽(yáng)極間距調(diào)整、罐底氧濃差變化、參比電極狀況等外界因素影響。

盤(pán)旋式線性陽(yáng)極布置方式使得罐中心的電位具有更正的趨勢(shì),回形針式線性陽(yáng)極布置使得遠(yuǎn)端電位具有更正的趨勢(shì),兩種布置方式在相同條件下的電位差異不明顯。

4 結(jié)論

1)在本研究工況下,網(wǎng)狀陽(yáng)極、盤(pán)旋式線性陽(yáng)極和回形針式線性陽(yáng)極三種布置方式均能滿足陰極保護(hù)準(zhǔn)則的要求。在本研究選取的參數(shù)情況下,網(wǎng)狀陽(yáng)極電位分布相對(duì)更加均勻。

2)當(dāng)選用線性陽(yáng)極盤(pán)旋式布置方式時(shí),應(yīng)盡量使邊緣部位的電位調(diào)至更負(fù),以確保中心位置電位達(dá)到陰極保護(hù)準(zhǔn)則的要求。當(dāng)選用線性陽(yáng)極回形針式布置方式時(shí),應(yīng)盡量使陽(yáng)極起始部位的電位調(diào)至更負(fù),以確保陽(yáng)極末端乃至整個(gè)罐底電位達(dá)到陰極保護(hù)準(zhǔn)則的要求。

3)本研究結(jié)論可用于指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)技術(shù)方案的制定及陰極保護(hù)系統(tǒng)的施工、運(yùn)行、檢測(cè)、維護(hù),保障儲(chǔ)罐安全運(yùn)行。