水罐內表面強制電流陰極保護陽極的布置

陳玨伶,朱加祥,趙常英,秦海燕,王 璇,李 鑫

(中國石油工程建設有限公司華北分公司,任丘 062552)

油氣田地面工程和油氣儲運工程中鋼質原油罐浸水部分及各類鋼質水罐的內腐蝕問題一直是儲罐腐蝕控制的重點[1-6]。儲罐內表面的防腐蝕方法主要是涂敷涂層[7-10]。然而,涂層不可避免會存在針孔或缺陷,當儲罐中含有強腐蝕性介質時,涂層不能滿足腐蝕控制要求,需要同時采取陰極保護進行聯合保護[11-12]。儲罐內表面的陰極保護可采用犧牲陽極或強制電流陰極保護,這兩種陰極保護方式具有各自的優缺點,一般會根據具體情況選擇合理的陰極保護方式。在實際應用中,原油儲罐浸水部分和水罐內表面大多采用犧牲陽極陰極保護。目前,已有許多關于儲罐內表面犧牲陽極陰極保護的研究[11-13],也有關于儲油罐內底板陰極保護犧牲陽極布置方式的探討[14]。而針對介質礦化度高、腐蝕性強以及保護面積較大的水罐,考慮陽極消耗和陰極保護壽命等問題,水罐內表面采用了強制電流陰極保護[15-18],但目前關于強制電流陰極保護條件下的陽極布置相關研究報道較少,基于此,筆者對罐內強制電流陰極保護的輔助陽極進行合理布置,以期為鋼質儲罐所有內表面浸水部分得到有效的陰極保護提供理論依據。

1 水罐內表面陰極保護存在問題

1.1 犧牲陽極陰極保護

1.2 強制電流陰極保護

當鋼質儲罐內介質的腐蝕性較強,儲罐浸水面積較大,或保護電流需求較大時,在滿足強制電流的情況下,逐漸出現了儲罐內表面強制電流陰極保護系統的應用[15-18],然而在該應用過程中,發現儲罐內表面會出現局部涂層鼓泡、剝落和腐蝕等問題。除水罐內表面涂層質量原因外,陰極保護電流分布不均勻造成陰極保護的過保護或欠保護,也可能是造成涂層破壞和罐壁腐蝕的原因之一。對于水罐內表面的陰極保護,必須采用設計合理、數量適當、布置合理的陽極,以確保適宜的電流分布[19]。

2 強制電流陰極保護陽極用量的計算

2.1 項目基礎資料

以海外某碳鋼注水罐內表面強制電流陰極保護為例,開展水罐內表面強制電流陰極保護陽極布置的討論。基礎設計參數如下:

3 400 m3注水罐(碳鋼,錐頂罐);儲罐直徑D為15 m,儲罐高度H為19.2 m,浸水部分罐壁高度HWL為16.5 m,設計壽命25 a,操作溫度60 ℃,注水罐中介質為原油分離水,礦化度高(由于沒有采出水,具體值未知);注水罐內防腐蝕采用酚醛環氧涂層(干膜厚度300 μm)。

2.2 輔助陽極用量計算

2.2.1 保護電流密度及涂層破損率

由于還沒有采出水,無法通過試驗選取保護電流密度,結合該儲罐前一階段的陰極保護設計文件及NACE SP0575標準要求,在缺乏數據的情況下,裸鋼的陰極保護電流密度可選取110 mA/m2。按照設計文件規定,壽命為25 a的情況下,涂層后期的破損率為20%。

2.2.2 罐內浸水部分面積

注水罐內需要陰極保護的部分包括罐底板、罐壁浸水部分以及罐內浸水鋼質附件,保護面積按照公式(1)計算。計算時,需要根據實際情況考慮一定的余量或系數。

(1)

式中:S為保護面積,m2;Sa為罐內浸水鋼質附件外表面,m2;D為罐底直徑,m;HWL為浸水部分罐壁高度,m。

2.2.3 總保護電流

被保護體需要的總保護電流I總按式(2)計算。

I總=S·J

(2)

式中:S為保護面積,m2;J為陰極保護電流密度,A·m-2。

2.2.4 輔助陽極

罐內強制電流陰極保護系統的輔助陽極選用混合金屬氧化物陽極(管狀MMO輔助陽極),尺寸為φ25 mm×1 000 mm,輔助陽極表面MMO膜厚度不小于6 g/m2,消耗率為6×10-6kg/(A·a)。MMO輔助陽極表面MMO膜層總質量Wat及MMO輔助陽極數量Na按照公式(3)和(4)計算。

(3)

式中:Wat為輔助陽極表面MMO膜層總質量,kg;Ta為輔助陽極設計壽命,a;ωa為輔助陽極表面MMO膜層的消耗率, kg/(A·a);I為保護電流, A;K為輔助陽極利用系數(0.7～0.85)。

(4)

式中 :Na為輔助陽極的支數,支;Wa為單支輔助陽極表面MMO膜的質量, kg。

由表1可見:該注水罐在進行強制電流陰極保護時,選取的MMO輔助陽極數量不少于11支。

表1 輔助陽極用量計算結果

3 輔助陽極布置

3.1 輔助陽極布置方案

根據2.2節的計算結果,確定三種輔助陽極布置方案。

方案一:需要12支MMO輔助陽極,2支一串,共設6串陽極串,6串陽極串布置成一圈環形陣列;

方案二:需要11支MMO輔助陽極,其中10支陽極,2支一串,共設5串陽極串,5串陽極串布置成一圈環形陣列,另外1支布置在中心;

方案三:需要12支MMO輔助陽極,3支一串,共設4串陽極串,4串陽極串布置成一圈環形陣列。

3.2 輔助陽極布置要求

根據SHEPARD等[20]的研究結果,陽極布置需滿足如下條件:① 陽極串最下方的陽極底部與罐底間的距離Sab應該和陽極距側壁之間的距離Sas大致相同;② 多于1串陽極串的陽極環形陣列的半徑r應滿足罐壁與陽極之間的距離Sas,近似于陽極間距(圓周距離)Saa的一半;③陽極串中的陽極端部-端部間距aa最大為2Sas。根據NACE陰極保護培訓教材,陽極對正下方的罐底的保護半徑保守確定為1.5Sab或Sas。

3.3 輔助陽極布置參數

陽極組環形陣列最優半徑r計算公式[21]見式(5)。

(5)

式中:D為罐底直徑,m;N為陽極串數量,串。

陽極間距(圓周距離)Saa、陽極串的底部與罐底間的距離Sab、陽極距側壁之間的距離Sas按照公式(6)和公式(7)計算。

Saa=(2πr)/N

(6)

Sab=Sas=Saa/2

(7)

三種陽極布置方案的各參數計算結果如表2所示。

表2 三種陽極布置方案的參數計算結果

根據上述結果,按照三種布置方案進行輔助陽極布置,各項參數見表3,罐內MMO陽極布置如圖1～3所示。

圖2 方案二MMO輔助陽極布置圖Fig.2 MMO auxiliary anode layout for Scheme 2

圖3 方案三MMO輔助陽極布置圖Fig.3 MMO auxiliary anode layout for Scheme 3

表3 三種陽極布置方案的各項參數

采用方案二時,中心設置1串陽極,儲罐罐底中心部分區域完全受到陰極保護。陽極串中的陽極間距aa按照最大的間距(2Sas)考慮,陽極串最上方的陽極頂部與儲罐液面的距離Sat>Sab(或Sas),且Sat>1.5Sab(或Sas),說明采用方案二不能使儲罐罐壁上部浸水區域完全受到陰極保護。

采用方案三時,陽極串上方陽極頂部與儲罐液面的距離Sat=Sab(或Sas),表明儲罐罐壁浸水區域在陰極保護的范圍內;2.5Sab(或Sas)>儲罐半徑7.5 m,說明儲罐罐底所有區域在陰極保護的范圍內。

綜上,方案一和方案二不能滿足保護要求,方案三滿足要求,能夠完全保護罐壁內表面和罐底內表面,因此該3 400 m3注水罐的強制電流陰極保護系統采用方案三的MMO輔助陽極布置方式。

4 結 論

(1) 經過計算和輔助陽極布置方案對比,最終確定方案三的MMO輔助陽極布置方式為該3 400 m3注水罐強制電流陰極保護系統最合理的陽極布置方式。

(2) 根據計算結果,只進行簡單的經驗性輔助陽極布置,有可能造成罐壁或罐底部分區域不在有效陰極保護范圍內,即使調節恒電位儀調節也處于欠保護狀態,過度調節還有可能出現其他區域過保護。

(3) 對水罐內表面強制電流陰極保護系統的陽極進行合理布置,需要考慮輔助陽極對罐壁和罐底內表面的保護范圍,關注罐壁上部和下部、罐底中心和邊緣是否均處于保護,進行陽極串最上方陽極頂部與儲罐內液面的距離、2.5Sab等參數的計算和核算,確保采取的陽極設置方案合理性,才能有效對水罐內表面進行陰極保護。