站庫管線與儲罐底板陰極保護評價和優化設計研究*

孫佳妮

(中國石油化工股份有限公司西北油田分公司油氣運銷部,新疆 輪臺 841600)

金屬儲罐底板外壁的陰極保護可有效保護外壁免受腐蝕影響,延長儲罐的服役壽命,防止儲罐泄漏造成的經濟損失和環境污染,具有一定的經濟效益和社會效益[1]。

底板外壁的陰極保護電位分布是衡量陰極保護效果的一項重要指標,罐底板圓形區域的電流分布不均勻,非均勻的電流分布破壞了保護電流向儲罐底板中心的傳輸,造成罐底中心欠保護。Smyrl和Newman提出了一個在遠陽極保護下、無過保護時確定可保護儲罐最大尺寸的標準和最大保護半徑公式。

梁宏等[2]利用電場疊加理論,計算出了儲罐底板電位不均勻性的最大值,并推導了計算公式,指出陰極電場是影響儲罐底板電位不均勻的主要因素。另一方面,站場內管道、通信、電氣等系統聯合接地作為一種經濟有效的接地防護措施已在國內外得到了廣泛使用[3]。針對復雜油氣站場的區域性陰極保護,其保護對象數量繁多,不同接地材料的電化學性能[4-5]與埋地管道、儲罐等存在差異,對陰極保護系統產生較大的影響。接地系統導致陰極保護系統異常及誘發埋地設施腐蝕的案例[6-8],許多國家均有報道。

近年來,使用數值模擬計算方法研究陰極保護體系的電位和電流分布成為陰極保護技術發展的新方向,有限元法[9-10]、有限差分法、邊界元法等多種方法已成功應用于陰極保護問題的數值模擬計算中,具有預知保護效果、理論依據強、消除或屏蔽干擾等優勢。

該文針對某站庫內管線和儲罐底板欠保護狀況,評估現有陰極保護系統問題,優化陰極保護系統,計算分析不同陽極形式對儲罐底板陰極保護系統的影響,給出合理化建議。

1 現場測試及模擬條件確定

1.1 陰極保護系統現場測試

某站庫現有6座大型儲罐,其中1—4號儲罐由圍繞在周邊的20支淺埋陽極提供保護;5—6號儲罐由底板正下方的MMO網狀陽極提供保護。另有線性陽極和淺埋陽極若干,保護站內埋地管線站內接地采用銅接地。站內現有8套陰極保護系統,見表1。

表1 某站庫陰極保護系統簡介

測試各陰極保護系統的陽極接地電阻、長效參比電極、絕緣接頭等,性能良好。在站內典型位置測試極化電位,典型位置如圖1所示,數據見表2。

圖1 某站庫陰極保護電位測試位置

表2 某站庫陰極保護電位測試數據

由測試結果可知,16處測試位置中電位達標的有12處,其中1—4號罐區及工藝區域管線陰極保護效果較好,滿足標準[11]要求;5—6號罐區及消防泡沫管線陰極保護水平較差。

1.2 三維模型建立和網格劃分

根據某站庫管線、接地安裝圖紙和儲罐設計資料,結合現場勘探結果,利用BEASY[12]軟件GID模塊進行三維模型繪制,并對模型進行網格劃分,得到某站庫各區域模型及總模型,如圖2、圖3所示。

圖2 某站庫各區域模型

圖3 某站庫埋地金屬結構模型和網格劃分

1.3 邊界條件確定

采用現場饋電試驗確定邊界條件。針對網狀陽極及淺埋陽極系統分別進行現場饋電試驗,過程如下:

(1)選取1號罐、4號罐、5號罐、6號罐、工藝區管網等5處位置進行測試;

(2)針對一個區域進行饋電試驗時,僅開啟該區域的恒電位儀,以恒電流模式運行,關閉其他恒電位儀;

(3)調整恒電位儀以不同電流輸出,對被保護對象進行極化,極化時間至少2 h;

(4)等比例調整增大恒電位儀輸出電流,至保護對象電位達到保護準則要求或者恒電位儀輸出達到額定輸出的70%;

(5)待被保護對象極化穩定后,利用瞬間斷電法測試不同位置的通、斷電電位并記錄。

將不同結構饋電試驗結果帶入模型計算,對比計算結果與現場測試的斷電電位,結果如圖4所示,誤差均小于3%。表明可以采用饋電試驗結果作為后續模擬計算的邊界條件。

圖4 計算結果與現場測試結果比對

2 陰極保護系統現狀評估

2.1 現有陰極保護效果評估

利用已經確定的三維幾何模型和邊界條件,采用BEASY軟件進行計算,不同區域管線和儲罐的電位分布如圖5所示。

圖5 現有陰極保護效果評估

由圖5可知,管線整體陰極保護水平明顯優于儲罐底板,但罐右側的消防、泡沫管線由于受到銅接地的影響,陰極保護水平也相對較差。5—6號罐區及消防、泡沫管線陰極保護系統輸出電流仍有較大提升空間,可通過增大輸出電流提升陰極保護水平。

因此,銅接地和恒電位儀輸出電流較小是因為消防、泡沫管線及5—6號罐區極化電位測試中電位較低。

2.2 初步調整后保護效果評估

調整現有陰極保護系統輸出:將罐區及消防、泡沫管線陰極保護系統均調至恒流輸出,輸出電流均設置為額定輸出的70%;工藝區管線陰極保護系統輸出保持不變,總輸出電流為315 A。

初步調整后保護效果如圖6所示。由圖6可知,當站內陰極保護系統輸出達到額定輸出的70%時,仍有部分管線以及大部分儲罐底板不滿足保護準則要求。

圖6 初步調整后保護效果評估

2.3 存在問題

根據現場測試和模擬計算結果,總結出某站庫陰極保護系統主要存在以下3個問題:

(1)部分管線因輔助陽極不足,導致欠保護;

(2)接地附近的管線存在屏蔽電流的問題;

(3)罐底陽極布置不合理,導致輸出電流較大,儲罐底板欠保護。

3 陰極保護系統優化設計

3.1 在欠保護位置增設淺埋陽極

針對因輔助陽極不足導致部分管線欠保護的問題,需在部分區域增設淺埋陽極。此時不考慮儲罐,僅考慮管線和接地。通過調整恒電位儀的輸出電流、增加和優化淺埋陽極數量及位置,經多次模擬計算,最終的優化方案為在罐區新增淺埋陽極23支,將工藝區淺埋陽極優化至19支,位置及數量如圖7所示。由圖7中的電位分布可知,優化后,管線整體保護效果良好。此時陰極保護系統總輸出電流為82 A,各系統輸出電流見表3。

圖7 增設淺埋陽極后的電位分布

表3 增設淺埋陽極后的輸出電流

3.2 接地絕緣或采用負電性接地材料

由于站場內現有接地材料為銅包鋼,電位較正,吸收大量陰極保護電流,對附近管線造成屏蔽。為解決這一問題,需對接地材料進行處理或更換為其他電位較負的材料。

搭建試驗場,開展不同接地材料對陰極保護系統的影響試驗,材料包括鋅包鋼、銅包鋼及SWL-M低電阻模塊。

將恒電位儀輸出設定為恒電流模式,更換不同的接地材料,記錄管道陰極保護系統保護電位的變化情況,如圖8所示。

圖8 不同接地材料試驗結果

由圖8可知,當接地材料為鋅包鋼時,電源輸出較小的電流就可使管道保護電位達到-1.0 VCSE左右;而SWL-M低電阻模塊、銅包鋼接地材料會降低管道的保護電位。

由試驗結果可知,鋅包鋼接地材料對陰極保護系統產生有益影響,而銅包鋼、SWL-M低電阻模塊接地材料對陰極保護系統產生不利影響。

分別對銅接地、接地絕緣、鋅接地3種方式進行模擬計算,得出不同接地方式下的電流分配及電位分布情況,不同接地方式下電流分配情況見表4,不同接地方式下的電位分布如圖9所示。

圖9 不同接地方式下的電位分布

表4 不同接地方式下電流分配比較

由模擬計算結果可知,針對1—4號儲罐陰極保護系統,若采用原有的銅接地方式,只有15.72%的電流流入儲罐底板,造成儲罐欠保護;若將接地絕緣處理,流入儲罐底板的電流增大到30.15%,雖然儲罐底板保護依然欠佳,但滿足100 mV極化準則;若采用鋅接地方式,總輸出電流降低的同時可滿足100 mV極化準則,此時流入儲罐底板的電流增大到30.74%,無電流流入接地系統,儲罐得到的電流量與接地絕緣時接近。

3.3 儲罐底板采用其他陽極形式保護

由模擬計算結果可知,針對1—4號儲罐陰極保護系統,由于輔助陽極布置不合理,儲罐周邊的管線、接地和底板外緣均會屏蔽淺埋陽極的電流,造成底板中心得到的電流很少,保護效果不佳。下面分別采用網狀陽極、淺埋陽極、深井陽極這三種形式保護儲罐底板,比較電流分配情況,見表5。

表5 儲罐不同陽極形式下的電流分配

由表5可知,采用網狀陽極,電流基本沒有流失,均用于保護儲罐底板;采用淺埋陽極,39%左右的電流流入儲罐底板,其他電流則流入周邊的管線,導致底板中心欠保護;采用深井陽極,只有18.5%的電流流入底板,底板基本得不到保護。具體電位分布如圖10所示,僅網狀陽極保護下電位符合標準要求[13]。

圖10 不同陽極形式下儲罐底板的電位分布

4 結 論

(1)在罐區新增23支淺埋陽極,將工藝區淺埋陽極優化至19支并調整局部位置,可解決部分管線欠保護問題,提升管線整體保護水平。

(2) 將接地材料由銅包鋼更換為鋅包鋼,可降低站庫區域陰極保護系統總體電流需求量,同時可使儲罐底板陰極保護系統滿足100 mV極化準則要求。

(3)罐底板采用MMO網狀陽極,保護底板的電流幾乎無流失,保護效果最好,且站庫區域陰極保護系統整體電流需求量最小。所以,對于新建儲罐,應盡量將陽極布置在儲罐底板下方。