柔性陽(yáng)極在鋼制儲(chǔ)罐陰極保護(hù)中的應(yīng)用

周紅濤

（上海道盾科技股份有限公司，上海 200126）

0 引言

在油氣儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)中，儲(chǔ)存是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，目前國(guó)內(nèi)大多采用的是鋼制儲(chǔ)罐，也有少量的玻璃鋼、混凝土非金屬儲(chǔ)罐。

金屬儲(chǔ)罐經(jīng)常受到外部環(huán)境和內(nèi)部介質(zhì)的影響引起的腐蝕，內(nèi)腐蝕主要是罐內(nèi)介質(zhì)引起的；外部環(huán)境腐蝕主要有大氣腐蝕、土壤腐蝕、雜散電流干擾腐蝕等，其中大氣腐蝕主要靠油漆涂層等隔絕大氣中的水分、鹽分，已減免和降低腐蝕，土壤腐蝕和雜散電流腐蝕因接觸到大地，多采用陰極保護(hù)方式來(lái)阻止腐蝕。本文主要分析外環(huán)境中土壤環(huán)境引起的腐蝕。

土壤腐蝕的主要原因：

（1）土壤腐蝕性

目前金屬儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)從下網(wǎng)上是墊土層、砂層、瀝青砂為主要結(jié)構(gòu)，罐底板位于瀝青砂上面，由于儲(chǔ)罐內(nèi)部介質(zhì)的滿(mǎn)載和空載交替，四季溫度的變換，會(huì)使得瀝青砂層出現(xiàn)裂縫，造成罐底板下方地下水上升，形成腐蝕，而且隨著溫度的變化，使得罐底板水分蒸發(fā)，造成鹽分沉積，使得土壤腐蝕性增加；

（2）腐蝕電池

罐內(nèi)介質(zhì)的滿(mǎn)載和空載，會(huì)對(duì)罐底板形成不同的接觸面，不同的接觸面造成罐底板受力不同，而且罐四周與罐中心的透氣性不一致，這些都會(huì)引起氧濃差電池腐蝕；再有罐底板坐落在混凝土的圈梁上，圈梁的鋼筋結(jié)構(gòu)隨著時(shí)間逐漸與罐底板形成電接觸，混凝土中的鋼筋電位比罐底板的電位不一致，形成腐蝕電池；

（3）雜散電流腐蝕

罐區(qū)周?chē)芫€(xiàn)復(fù)雜，常見(jiàn)的有輸油管線(xiàn)、輸氣管線(xiàn)、消防水管線(xiàn)、接地網(wǎng)結(jié)構(gòu)等，當(dāng)罐區(qū)周邊的管線(xiàn)有陰極保護(hù)時(shí)，且管線(xiàn)與大罐無(wú)絕緣設(shè)施時(shí)，容易行成雜散電流腐蝕。

以上的腐蝕因素施加在油罐上的多發(fā)生為罐底板穿孔，根據(jù)相關(guān)管理要求，油罐5～7年有一個(gè)大修期，對(duì)已發(fā)現(xiàn)的腐蝕坑修補(bǔ)，但往往修補(bǔ)完成后短時(shí)間內(nèi)又會(huì)發(fā)生腐蝕，其因腐蝕環(huán)境已經(jīng)形成，腐蝕三要素已經(jīng)具備，僅僅依靠修補(bǔ)，不能從源頭解決問(wèn)題，此時(shí)采取的措施就是陰極保護(hù)。

1 罐底板陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)

1.1 強(qiáng)制電流陰極系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

對(duì)于新建罐底板面積較大的儲(chǔ)罐，通常采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)方式，此保護(hù)方式輸出電壓電流可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整，而且儲(chǔ)罐隨著使用年限所需陰保電流也越來(lái)越大，強(qiáng)制電流方式比較適合。

強(qiáng)制電流系統(tǒng)由恒電位儀+輔助陽(yáng)極地床+參比電極+陰極、陽(yáng)極、零位、參比電纜組成，罐底板陰極保護(hù)系統(tǒng)的輔助陽(yáng)極多采用柔性陽(yáng)極，柔性陽(yáng)極具有電流密度大、電流漏失小、電流分布均勻等特點(diǎn)。

1.2 柔性陽(yáng)極的特點(diǎn)及應(yīng)用

柔性陽(yáng)極的結(jié)構(gòu)：陽(yáng)極芯材+焦炭+編織物+外部編織保護(hù)網(wǎng)，并根據(jù)陽(yáng)極芯材質(zhì)的不同，將柔性陽(yáng)極分為兩種，一種是以導(dǎo)電聚合物為陽(yáng)極的導(dǎo)電聚合物柔性陽(yáng)極；另一種是MMO/Ti絲與內(nèi)部銅電纜的組合體，其克服了第一種柔性陽(yáng)極排流密度相對(duì)較小和不宜用于大排流密度的缺點(diǎn)，并結(jié)合了MMO/Ti陽(yáng)極排流密度大、壽命長(zhǎng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，是目前應(yīng)用比較多的柔性陽(yáng)極。

柔性陽(yáng)極主要用于區(qū)域管網(wǎng)和儲(chǔ)罐外底板的陰極保護(hù)系統(tǒng)。通常是沿被保護(hù)構(gòu)筑物平行敷設(shè)，間距取0.3m，陰極陽(yáng)極之間電阻極低，在高電阻率土壤中也能提供良好的陰極保護(hù)效果。因?yàn)檫@種近距離敷設(shè)，且中間無(wú)其他金屬構(gòu)筑物，使得柔性陽(yáng)極可以將陰極保護(hù)電流均勻分布在被保護(hù)金屬結(jié)構(gòu)物上，衰減極小，對(duì)于保護(hù)電位的控制調(diào)節(jié)提供了便利，而且抗干擾性極強(qiáng)。

2 案例介紹

2.1 項(xiàng)目概況

菏澤東明新建4座100000m3原油儲(chǔ)罐，儲(chǔ)罐直徑80m，罐底板直徑80.265m，設(shè)計(jì)壽命大于40年，每個(gè)儲(chǔ)罐外底板安裝1套陰極保護(hù)系統(tǒng)，陰極保護(hù)系統(tǒng)采用恒電位儀+MMO/Ti輔助陽(yáng)極+硫酸銅長(zhǎng)效參比電極+配套電纜組成。

2.2 技術(shù)要求

（1）原油儲(chǔ)罐底板下表面采用強(qiáng)制電流法陰極保護(hù)方式。輔助陽(yáng)極采用MMO/Ti柔性陽(yáng)極，陽(yáng)極額定電流不小于52mA/m；參比電極采用進(jìn)口Cu/CuSO4參比電極（壽命≥30年）和高純鋅參比電極（壽命≥40年）；

（2）施加陰極保護(hù)后，保護(hù)表面使用飽和Cu/CuSO4參比電極測(cè)得的極化電位至少達(dá)到-850mV或更負(fù),以不負(fù)于-1.2V為界（相對(duì)于CSE參比電極）；

（3）在陰極保護(hù)極化形成或衰減時(shí)，被保護(hù)表面與回填土、穩(wěn)定的參比電極之間的陰極極化電位差不應(yīng)小于-100mV；

（4）當(dāng)回填土介質(zhì)中含有硫酸鹽還原菌時(shí)，保護(hù)表面測(cè)得的極化電位至少應(yīng)達(dá)到-950mV或更負(fù)（相對(duì)于CSE 參比電極）；

（5）當(dāng)土壤電阻率大于500Ω·m時(shí)，保護(hù)表面測(cè)得的極化電位至少應(yīng)達(dá)到-750mV或更負(fù)（相對(duì)于CSE參比電極）。

2.3 技術(shù)方案

2.3.1 柔性陽(yáng)極安裝技術(shù)方案

采用以?xún)?chǔ)罐底板中心為圓心，環(huán)形布置，從儲(chǔ)罐底板中心開(kāi)始，依次為第一環(huán)，第二環(huán)，依此類(lèi)推，直至第十環(huán)為止，共10環(huán)。每環(huán)之間間距為4.0m，第一環(huán)的直徑為4m，至最外邊環(huán)距離罐壁小于等于4m時(shí)完成布置。同時(shí)，每環(huán)兩端自帶電纜引出至儲(chǔ)罐外的陰極陽(yáng)極接線(xiàn)箱內(nèi)。在進(jìn)行柔性陽(yáng)極環(huán)敷設(shè)時(shí)，在陽(yáng)極環(huán)的閉合位置，環(huán)兩端間距不大于0.3m。要求敷設(shè)間距的誤差不超過(guò)±0.1m。柔性陽(yáng)極溝根據(jù)回填砂層的實(shí)際深度，開(kāi)挖深度不低于250mm，寬度不低于200mm，沿開(kāi)挖好的溝敷設(shè)柔性陽(yáng)極及引線(xiàn)電纜，彈性敷設(shè)適當(dāng)松弛，以保證其不會(huì)因儲(chǔ)罐底板的沉降而受力破壞，敷設(shè)完成后，測(cè)試陽(yáng)極的導(dǎo)通性，并做好記錄。

2.3.2 參比電極安裝技術(shù)方案

參比電極是用來(lái)測(cè)量?jī)?chǔ)罐底板的陰極保護(hù)電位，并為恒電位儀提供參數(shù)信號(hào)，參比電極的位置應(yīng)盡量靠近罐底板，并盡量遠(yuǎn)離陽(yáng)極，飽和Cu/CuSO4參比電極和高純Zn參比電極，兩種參比電極配合使用，系統(tǒng)運(yùn)行前期使用長(zhǎng)效飽和Cu/CuSO4參比電極，后期采用高純Zn參比電極進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制。長(zhǎng)效 Cu/ CuSO4參比電極壽命不少于30年，高純鋅參比電極壽命不小于40年。兩個(gè)參比電極配合使用壽命不小于30年。

參比電極從罐中心開(kāi)始，沿儲(chǔ)罐半徑方向，呈“一”字形設(shè)置，其連線(xiàn)與兩通電點(diǎn)的連線(xiàn)相垂直。罐底中心處為雙參比模式，設(shè)置1支長(zhǎng)效CuSO4參比電極和1支Zn參比電極。所有參比電極經(jīng)陰極接線(xiàn)箱后連接至恒電位儀。參比電極頂部距罐底外壁距離，為150～200mm。

表1 單臺(tái)儲(chǔ)罐外底板強(qiáng)制電流陰極保護(hù)柔性陽(yáng)極設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表

表2 單臺(tái)儲(chǔ)罐外底板參比電極設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表

2.3.3 恒電位儀安裝技術(shù)方案

恒電位儀是為儲(chǔ)罐提供陰極保護(hù)電流的供電設(shè)備，需要連續(xù)供電電源保證，其容量計(jì)算如下：

（1）陽(yáng)極接地電阻RN計(jì)算

陽(yáng)極接地電阻計(jì)算公式為：

式中：ρ：土壤電阻率（Ω·m）；

r：柔性陽(yáng)極的半徑（m）；

D：柔性陽(yáng)極埋深（m）；

Q：電阻系數(shù)，取1.5。

經(jīng)計(jì)算：

（2）恒電位儀容量選擇計(jì)算

式中：VREC為恒電位儀輸出電壓（V）；

I為所需總保護(hù)電流（A）；

RT為回路總電阻（Ω）；

Rw為導(dǎo)線(xiàn)電阻，陰、陽(yáng)極接線(xiàn)按V V-0.6/1KV1×25mm2電纜計(jì)算，最大電阻為0.727Ω/km，長(zhǎng)度按照600m計(jì)算，Rw=0.44Ω；Rc為被保護(hù)體的接地電阻，一般0.2Ω。

經(jīng)計(jì)算得：

單臺(tái)100000m3儲(chǔ)罐陰保系統(tǒng)回路總電阻：

單臺(tái)100000m3儲(chǔ)罐恒電位儀輸出電壓：

表3 陽(yáng)極接地電阻

考慮到儲(chǔ)罐運(yùn)行后絕緣效果會(huì)逐漸減弱，后期所需要電流會(huì)逐漸增加，而輸出電壓會(huì)相應(yīng)減小，實(shí)際恒電位儀的輸出電壓、 電流參數(shù)?。ㄈ≌?00000m3儲(chǔ)罐恒電位儀設(shè)計(jì)規(guī)格為：50V/75A。

2.4 效果測(cè)試

項(xiàng)目施工完成，場(chǎng)地內(nèi)其他施工也已結(jié)束，無(wú)其他干擾情況，恒電位儀正式試運(yùn)行48h后，確認(rèn)罐底板充分極化，恒電位儀輸出值如表4所示。利用Flucke289C萬(wàn)用表和預(yù)埋設(shè)硫酸銅參比電極和高純鋅極化探頭進(jìn)行陰保參數(shù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表5所示。

表4 恒電位儀運(yùn)行參數(shù)

表5 陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)試

由表4可得出，陰極保護(hù)系統(tǒng)總輸出功率極低，設(shè)置電位與測(cè)量電位基本穩(wěn)定，波動(dòng)不大，陰極保護(hù)效果良好?？偦芈冯娮枭愿?，因陰保站距離儲(chǔ)罐約300m，線(xiàn)阻較高，為排除線(xiàn)阻影響，在罐體邊的陽(yáng)極接線(xiàn)箱使用ZC-8接地?fù)u表測(cè)得柔性陽(yáng)極接地電阻為0.8Ω，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

由表5可得出，斷電電位值均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，保護(hù)效果良好。參比電極之間的測(cè)量值相差不大，罐底板與罐周邊保護(hù)電位相差20～150mV之間，落差不大，在容許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了柔性陽(yáng)極電流分布均勻、電流利用率高的特點(diǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

儲(chǔ)罐底板采用柔性陽(yáng)極輔助地床的優(yōu)點(diǎn)：

（1）柔性陽(yáng)極距離被保護(hù)構(gòu)筑物非常近，并與其全程平行分布，中間無(wú)其他金屬構(gòu)筑物，可以充分保障電流的高利用率和電流的均勻分布；

（2）柔性陽(yáng)極的接地電阻值小，整個(gè)陰保系統(tǒng)的輸出的功率極低，節(jié)能環(huán)保，對(duì)人和物的影響非常小。