李佳潤(rùn)李言濤孫虎元王傳興錢洲亥侯保榮

(1.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所,山東青島266071;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049; 3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院,浙江杭州310006)

鋼質(zhì)原油儲(chǔ)罐底板外壁的陰極保護(hù)

李佳潤(rùn)1,2,李言濤1,孫虎元1,王傳興1,錢洲亥3,侯保榮1

(1.中國(guó)科學(xué)院海洋研究所,山東青島266071;2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京100049; 3.國(guó)網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院,浙江杭州310006)

以單臺(tái)100 000 m3原油儲(chǔ)罐為對(duì)象,從設(shè)計(jì)過(guò)程、施工流程、測(cè)試結(jié)果分析等多方面系統(tǒng)介紹了原油儲(chǔ)罐外壁強(qiáng)制電流近陽(yáng)極地床陰極保護(hù)工程。在合理選擇參數(shù)的情況下,通過(guò)計(jì)算提出陰極保護(hù)技術(shù)方案,并與國(guó)標(biāo)推薦做法進(jìn)行了對(duì)比。投入運(yùn)行后,對(duì)陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了通電和瞬斷電位測(cè)試,發(fā)現(xiàn)罐底板電位均處于保護(hù)范圍內(nèi),說(shuō)明陰極保護(hù)系統(tǒng)有效運(yùn)行。運(yùn)行1年后,陰極保護(hù)系統(tǒng)存在輸出電流增大,回路電阻減小的情況,這是由涂層破損,介質(zhì)腐蝕性提高協(xié)同作用引起的。

陰極保護(hù); 原油儲(chǔ)罐; 強(qiáng)制電流; 腐蝕; 混合金屬氧化物陽(yáng)極

原油儲(chǔ)罐是石油化工行業(yè)最重要的設(shè)備之一,有設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng),施工成本高,維護(hù)工作復(fù)雜的特點(diǎn)。儲(chǔ)罐設(shè)備運(yùn)行的好壞直接關(guān)系到石油化工的生產(chǎn)效率和安全[1-3]。除自然災(zāi)害和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)以外,儲(chǔ)罐最容易受到由腐蝕問(wèn)題引起的泄漏,嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生爆炸[4-5]。儲(chǔ)罐的腐蝕主要分為儲(chǔ)罐外壁的大氣腐蝕,罐內(nèi)底板的沉積水腐蝕以及罐底板外壁與瀝青砂接觸的界面腐蝕[1,4,6]。儲(chǔ)罐外壁的大氣腐蝕主要通過(guò)涂層隔絕的方法,由于腐蝕暴露于罐體表面,較容易及早發(fā)現(xiàn),通過(guò)定期的補(bǔ)涂即可解決。罐底板沉積水的腐蝕較為隱蔽,通常采用涂層和陰極保護(hù)聯(lián)用的方式進(jìn)行防護(hù)。考慮到儲(chǔ)罐內(nèi)的特殊工況,強(qiáng)制電流法存在一定的安全隱患,一般采用犧牲陽(yáng)極的方法進(jìn)行陰極極化[6-9]。

儲(chǔ)罐底板的外腐蝕主要是由罐底板周圍長(zhǎng)期浸潤(rùn)的水分引起,結(jié)合瀝青砂的優(yōu)良導(dǎo)電性,構(gòu)成了外腐蝕環(huán)境。由于儲(chǔ)罐下底板中心和邊緣介質(zhì)密實(shí)程度不同導(dǎo)致的氧濃度不均,會(huì)形成氧濃差電池,氧氣含量低的中心位置作為陽(yáng)極區(qū)遭受腐蝕。另外,在罐底板基材與焊縫之間,由于材料組織結(jié)構(gòu)不同,在腐蝕介質(zhì)中擁有不同的自然電位,也會(huì)造成電偶腐蝕。近年來(lái),為防止因儲(chǔ)罐泄漏污染地下水,建設(shè)時(shí)會(huì)在儲(chǔ)罐基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)置一層防滲膜[10],使得浸潤(rùn)水分不能向地下滲透,這就更進(jìn)一步降低了腐蝕介質(zhì)的電阻率,導(dǎo)致罐底腐蝕速度加快。

針對(duì)罐底板外壁的腐蝕問(wèn)題,結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),提出了儲(chǔ)罐底板外壁陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)方案,并應(yīng)用于海南某原油商業(yè)儲(chǔ)備基地100 000 m3油罐。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電位測(cè)量結(jié)果,證明了設(shè)計(jì)方案合理有效,對(duì)儲(chǔ)罐陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)工作具有一定參考意義。

1 方案設(shè)計(jì)

1.1 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)方案選擇

儲(chǔ)罐外底板與瀝青砂接觸,可能遭受含鹽、含酸雨水或者含鹽地下水的侵蝕,為延長(zhǎng)儲(chǔ)罐的壽命,保證安全生產(chǎn),GB/T 50393—2008《鋼制石油儲(chǔ)罐防腐蝕工程技術(shù)規(guī)范》中推薦直徑大于8 m的儲(chǔ)罐使用陰極保護(hù)技術(shù),控制其底板外壁的腐蝕。陰極保護(hù)可通過(guò)犧牲陽(yáng)極和強(qiáng)制電流兩種方法實(shí)現(xiàn)。

犧牲陽(yáng)極法是將被保護(hù)金屬和一種可以提供陰極保護(hù)電流的金屬和合金(陽(yáng)極)相連,使被保護(hù)體極化以降低腐蝕速率的方法。在被保護(hù)金屬與犧牲陽(yáng)極所形成的耦合電池中,被保護(hù)金屬體作為陰極而受到保護(hù)。犧牲陽(yáng)極的電位往往負(fù)于被保護(hù)金屬體的電位,在保護(hù)電池中是陽(yáng)極,被腐蝕消耗。常用的犧牲陽(yáng)極材料主要有鎂合金、鋅合金、鋁合金等。犧牲陽(yáng)極保護(hù)法的主要特點(diǎn)是:適用范圍廣,尤其適用于中短距離和復(fù)雜的管網(wǎng);陽(yáng)極輸出電流小,發(fā)生陰極析氫的可能性小;可隨管道安裝一起施工,工程量較小;一次安裝,幾乎不需要后續(xù)維護(hù)工作[11]。

強(qiáng)制電流保護(hù)法是將被保護(hù)金屬與外接電源負(fù)極相連,由外部電源提供保護(hù)電流,以降低腐蝕速率的方法。外部電源通過(guò)埋地的輔助陽(yáng)極將保護(hù)電流引入地下,以土壤為介質(zhì)將電流提供給被保護(hù)金屬,被保護(hù)金屬受到陰極極化,使腐蝕受到抑制。強(qiáng)制電流保護(hù)法的主要組成設(shè)備有:恒電位儀、輔助陽(yáng)極、參比電極。其主要特點(diǎn)是:適用于長(zhǎng)輸管線、區(qū)域性管網(wǎng)和大型儲(chǔ)罐的保護(hù);輸出電流大,大小可以人工或自動(dòng)調(diào)節(jié);一次性投資相對(duì)較小;安裝工程量較小,可對(duì)在役管道和儲(chǔ)罐補(bǔ)加陰極保護(hù),容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)控。但強(qiáng)制電流設(shè)備(恒電位儀)在運(yùn)行期間需要專門人員維護(hù),運(yùn)行成本高,穩(wěn)定性差[]。

以單臺(tái)100 000 m3浮頂式原油儲(chǔ)罐為例,強(qiáng)制電流法保護(hù)儲(chǔ)罐底板外壁,設(shè)計(jì)壽命可達(dá)30年以上,一次性投入成本(含施工費(fèi)用)不超過(guò)30萬(wàn)元,占儲(chǔ)罐建設(shè)成本(約1億元,不含土地征用費(fèi))不超過(guò)3%。因此,通過(guò)技術(shù)性和經(jīng)濟(jì)性比較,考慮到儲(chǔ)罐的工況以及有專人維護(hù)的特點(diǎn),對(duì)大型儲(chǔ)罐底板外壁應(yīng)采用投資少、壽命長(zhǎng)、工程量小的強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方式。

1.2 強(qiáng)制電流法陽(yáng)極地床及輔助陽(yáng)極的選擇

強(qiáng)制電流法輔助陽(yáng)極的敷設(shè)通常采用陽(yáng)極地床的形式實(shí)現(xiàn)。陽(yáng)極地床可分為深井陽(yáng)極地床、淺埋陽(yáng)極地床和近陽(yáng)極地床[13]。淺埋陽(yáng)極地床大規(guī)模用于長(zhǎng)輸管線;深井陽(yáng)極地床主要用于直徑較小的儲(chǔ)罐罐群或地下結(jié)構(gòu)復(fù)雜的管道區(qū)域性陰極保護(hù),對(duì)在役儲(chǔ)罐補(bǔ)加陰極保護(hù)也有應(yīng)用;對(duì)于大型新建儲(chǔ)罐陰極保護(hù)最常用的是近陽(yáng)極地床,即網(wǎng)狀陽(yáng)極或柔性陽(yáng)極,這種陽(yáng)極地床的最大的特點(diǎn)是發(fā)生的陽(yáng)極電流分布均勻,對(duì)其它電連接的鋼結(jié)構(gòu)相互干擾相對(duì)小。本文針以100 000 m3儲(chǔ)罐為對(duì)象,采用混合金屬氧化物網(wǎng)狀陽(yáng)極強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng),每一臺(tái)罐設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立的陰極保護(hù)系統(tǒng)。

1.3 計(jì)算依據(jù)

1.3.1 氣候條件 原油儲(chǔ)罐地處海南,屬熱帶季風(fēng)氣候,長(zhǎng)夏無(wú)冬,年平均氣溫22～26℃。最冷的一、二月份溫度仍達(dá)16～21℃,年光照為1 750～2 650 h,光照率為50%～60%,光溫充足。海南島入春早,升溫快,日溫差大,全年無(wú)霜凍,冬季溫暖。雨量充沛,年平均降雨量為1 639 mm,有明顯的多雨季和少雨季。每年的5～10月份是多雨季,總降雨量達(dá)1 500 mm左右,占全年總降雨量的70%～90%。1.3.2 基礎(chǔ)參數(shù) 儲(chǔ)罐底板下表面采用強(qiáng)制電流法陰極保護(hù)系統(tǒng),使用年限不少于30年,保護(hù)電流密度10 m A/m2;儲(chǔ)罐區(qū)域?yàn)楸ㄎｋU(xiǎn)環(huán)境2區(qū),電氣設(shè)備要求不低于ⅡBT4;儲(chǔ)罐直徑80 m;填沙電阻率ρ=10 000 W·cm;網(wǎng)狀陽(yáng)極埋深距儲(chǔ)罐底板下表面350 mm,混合金屬氧化物陽(yáng)極(MMO)額定輸出電流17 m A/m,陽(yáng)極帶尺寸6.35 mm×0.635 mm,導(dǎo)電帶尺寸12.7 mm×0.9 mm;有效保護(hù)期內(nèi)陰極保護(hù)電位為0～0.25 V(相對(duì)于高純鋅參比電極);在有效保護(hù)期內(nèi),被保護(hù)體保護(hù)度≥90%。1.3.3 100 000 m3儲(chǔ)罐MMO陽(yáng)極實(shí)際用量核算

參考國(guó)標(biāo)(GB 50393—2008)《鋼制石油儲(chǔ)罐防腐蝕工程技術(shù)規(guī)范》陽(yáng)極排布間隔計(jì)算陽(yáng)極用量。儲(chǔ)罐的陽(yáng)極帶間距為2 m、鈦導(dǎo)電帶的間距為8 m。利用勾股定理的原理可計(jì)算出陽(yáng)極帶及導(dǎo)電帶的長(zhǎng)度,考慮到施工時(shí)合理消耗和彎曲度,取10%備用系數(shù),則可得單臺(tái)100 000 m3儲(chǔ)罐MMO陽(yáng)極帶長(zhǎng)度為2 753 m,鈦導(dǎo)電帶長(zhǎng)度為669 m。

實(shí)際用量核算:

儲(chǔ)罐底板面積:A=πD2/4=5 024 m2

保護(hù)電流:I=A×Id=50.24 A

單臺(tái)儲(chǔ)罐計(jì)算陽(yáng)極長(zhǎng)度:L=I/i=2 955.3 m

式中,A為保護(hù)面積,m2;D為儲(chǔ)罐直徑,取80 m;I為總保護(hù)電流,A;i為額定輸出電流,取17 m A/m。

實(shí)際核算的長(zhǎng)度L=2 955.3 m,大于依據(jù)GB/ T50393—2008《鋼制石油儲(chǔ)罐防腐蝕工程技術(shù)規(guī)范》中推薦的陽(yáng)極的間距2 m,導(dǎo)電帶的間距8 m,從而計(jì)算出陽(yáng)極的長(zhǎng)度。由此可見(jiàn),國(guó)標(biāo)中規(guī)定的排布間距不能滿足儲(chǔ)罐陰極保護(hù)所需電流的要求,為此,本方案中采用了陽(yáng)極帶間距為1.7 m,導(dǎo)電帶間距為8 m的敷設(shè)方式計(jì)算陽(yáng)極用量?？紤]到敷設(shè)中的合理?yè)p耗以及敷設(shè)的彎曲因素,實(shí)際敷設(shè)時(shí)陽(yáng)極取10%余量。因此,直徑80 m儲(chǔ)罐混合金屬陽(yáng)極的用量采用3 256 m,導(dǎo)電帶的用量為669 m。

陽(yáng)極接地電阻計(jì)算:

式中,R為陽(yáng)極接地電阻,Ω;ρ為土壤電阻率, Ω·cm;L為陽(yáng)極長(zhǎng)度,m;S為2倍陽(yáng)極埋深,m;d為陽(yáng)極當(dāng)量直徑,d=2(W+T)/π,m。

儲(chǔ)罐底板接地電阻為:

式中,RT為儲(chǔ)罐底板接地電阻,Ω;ρ為土壤電阻率,Ω·cm;D為儲(chǔ)罐直徑,80 m。

導(dǎo)線電阻(按照600 m計(jì)算):

式中,RTC為導(dǎo)線電阻,Ω。

回路總電阻

恒電位儀輸出電壓:

推薦使用恒電位儀的輸出參數(shù)為60 V/60 A。

單臺(tái)100 000 m3儲(chǔ)罐強(qiáng)制電流陰極保護(hù)材料如表1所示。

表1 單臺(tái)100 000 m3儲(chǔ)罐強(qiáng)制電流陰極保護(hù)材料清單Table 1 Materials list of cathodic protection for a single 100 000 m3oil tank

2 陰極保護(hù)系統(tǒng)的布置及安裝

如前所述,罐底板外壁陰極保護(hù)布置如圖1所示。為使測(cè)量電位結(jié)果更具代表性,3個(gè)高純鋅參比電極分別布置于距罐邊緣1/4、1/3、1/2罐內(nèi)徑位置處[14]。

圖1 罐底板外壁陰極保護(hù)布置圖Fig.1 Layout of cathodic protection for outside wall of bottom plate

圖2 罐底板外壁陰極保護(hù)施工工藝流程Fig.2 Process flow diagram of cathodic protection for outside wall of bottom plate

3 保護(hù)效果測(cè)試

陰極保護(hù)系統(tǒng)安裝投產(chǎn)后,對(duì)罐底3處參比電極電位反饋值進(jìn)行監(jiān)控。分別測(cè)試投產(chǎn)初期和運(yùn)行1年后的通電電位和瞬斷電位,測(cè)量結(jié)果如表2所示。

表2 儲(chǔ)罐外壁陰極保護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)電位測(cè)量結(jié)果Table 2 Potentials of cathodic protection for outside wall of bottom plate

從表2中不難看出,儲(chǔ)罐各位置通電,瞬斷電位均處于0～0.25 V內(nèi),說(shuō)明罐底板受到有效的陰極保護(hù)。投產(chǎn)初期,恒電位儀輸出電流較小,而輸出電壓較大,說(shuō)明陰極保護(hù)系統(tǒng)回路電阻較大,這是由于新投產(chǎn)的儲(chǔ)罐,水分還未來(lái)得及滲透到罐底板和瀝青砂界面處,同時(shí),罐底板外壁初期涂層完好,破損點(diǎn)相對(duì)較少也是重要原因之一。從運(yùn)行1年后的輸出電壓、電流數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):達(dá)到有效陰極保護(hù)電位,輸出電流值明顯增大,而輸出電壓卻較投產(chǎn)初期降低,這說(shuō)明隨著儲(chǔ)罐運(yùn)行年限的提高,罐底板涂層不斷消耗,暴露出更多的金屬基體,陰極極化所需電流也不斷增大。與此同時(shí),由于水分的滲透,陰極保護(hù)系統(tǒng)回路電阻也呈下降趨勢(shì)。

4 結(jié)論

(1)采用強(qiáng)制電流法的近陽(yáng)極地床對(duì)新建大型儲(chǔ)罐底板外壁進(jìn)行陰極保護(hù),是一種行之有效的方法。設(shè)計(jì)時(shí)參考國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合具體計(jì)算以及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn),可提出合理的陰極保護(hù)系統(tǒng)參數(shù)。

(2)在罐底均勻敷設(shè)MMO網(wǎng)狀陽(yáng)極,有助于輸出保護(hù)電流的均勻分布,避免欠保護(hù)和過(guò)保護(hù)。在罐底板預(yù)置3處參比電極,分別距罐邊緣1/4、1/3、1/2罐內(nèi)徑位置處,可有效監(jiān)控陰極保護(hù)效果,并為恒電位儀電位追蹤提供反饋。

(3)投產(chǎn)初期,罐底板極化到保護(hù)電位所需電位較小,陰極保護(hù)體系內(nèi)阻較大。隨著運(yùn)行時(shí)間的推移,由于防腐層破損,介質(zhì)腐蝕性提高,罐底板所需電流將不斷增大。若設(shè)計(jì)不合理,會(huì)超過(guò)恒電位儀設(shè)計(jì)額定電流,這一現(xiàn)象應(yīng)引起儲(chǔ)罐維護(hù)管理部門的注意。

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(編輯 閆玉玲)

Cathodic Protection for External Side of Bottom Plate of Storage Tank

Li Jiarun1,2,Li Yantao1,Sun Huyuan1,Wang Chuanxing1,Qian Zhouhai3,Hou Baorong1
(1.Institute of Oceanology,Chinese Academy of Sciences,Qingdao Shandong266071,China; 2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China;3.Electric Power Research Institute,Zhejiang Power Corporation,State Grid Corporation of China,Hangzhou Zhejiang310006,China)

The design,construction procedure and testing results analysis of impressed current cathodic protection for external side of bottom plate of 100 000 m3storage tank are presented in this work.A technical scheme is proposed in the case of reasonable parameters selection and compared with recommended national standard.Potential testing with and without impressed current removed is carried out,finding that the results are both in the range of effective protection.After 1 year running,the increasing output current and decreasing loop resistance are ascribed to the synergistic effect of damaged coating and increased corrosion capability of electrolyte.

Cathodic protection;Storage tank;Impressed current;Corrosion;MMO anode

TE88;TG174.41

:A

10.3969/j.issn.1006-396X.2017.01.017

1006-396X(2017)01-0087-05投稿網(wǎng)址:http://journal.lnpu.edu.cn

2016-09-06

:2016-12-01

青島市博士后資助項(xiàng)目(Y4KY14110N);國(guó)家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目“海上風(fēng)電結(jié)構(gòu)和設(shè)備防腐技術(shù)研究項(xiàng)目”(5211DS150016);中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(A類,XDA13040401)。

李佳潤(rùn)(1984-),男,博士研究生,工程師,從事海洋腐蝕與防護(hù)的研究;E-mail:lijiarun@yeah.net。

李言濤(1968-),男,博士,研究員,從事海洋腐蝕檢測(cè)的研究;E-mail:ytli@qdio.ac.cn。