基于深井陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)的儲(chǔ)罐等級(jí)研究

(1. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司管道丹東輸油氣分公司，遼寧 丹東 118001；2. 四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610213；3. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司管道濟(jì)南輸油分公司，山東 濟(jì)南 250101；4. 中國(guó)石油西部管道公司塔里木輸油氣分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

基于深井陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)的儲(chǔ)罐等級(jí)研究

范 青1鄧潛林2李 彬3陳翠翠4

(1. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司管道丹東輸油氣分公司，遼寧 丹東 118001；2. 四川石油天然氣建設(shè)工程有限責(zé)任公司，四川 成都 610213；3. 中國(guó)石油天然氣股份有限公司管道濟(jì)南輸油分公司，山東 濟(jì)南 250101；4. 中國(guó)石油西部管道公司塔里木輸油氣分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

針對(duì)以往深井陽(yáng)極對(duì)儲(chǔ)罐底板陰極保護(hù)數(shù)值模擬中存在的缺陷：金屬構(gòu)件極化曲線試驗(yàn)限定條件不同導(dǎo)致電位計(jì)算系統(tǒng)誤差；沒(méi)有考慮計(jì)算區(qū)域環(huán)境介質(zhì)的不連續(xù)性，本文提出一種根據(jù)典型電流密度分布假設(shè)求解保護(hù)電位的方法：計(jì)算區(qū)域由土壤和瀝青砂基礎(chǔ)構(gòu)成，根據(jù)陰極保護(hù)體系物理模型近似計(jì)算深井陽(yáng)極極化電位。數(shù)值結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)電位數(shù)據(jù)對(duì)比驗(yàn)證了數(shù)值方法的可靠性，研究了單支深井陽(yáng)極完全有效保護(hù)的臨界儲(chǔ)罐直徑(等于56米)。

深井陽(yáng)極 陰極保護(hù) 電位 儲(chǔ)罐

0 引言

國(guó)內(nèi)外陰極保護(hù)工程廣泛應(yīng)用了深井陽(yáng)極對(duì)儲(chǔ)罐底板陰極保護(hù)技術(shù)，深井陽(yáng)極接地電阻小而穩(wěn)定，占地少，減少甚至可以避免可能存在的干擾和屏蔽現(xiàn)象，適用大中型儲(chǔ)罐施加陰極保護(hù)系統(tǒng)。但對(duì)于直徑超過(guò)60米的特大型儲(chǔ)罐[1]，應(yīng)用深井陽(yáng)極技術(shù)儲(chǔ)罐底板各處能否達(dá)到有效保護(hù)電位還有待于進(jìn)一步工程實(shí)踐。

應(yīng)用深井陽(yáng)極技術(shù)必須有合適的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和地層條件，受地下水文條件制約，設(shè)計(jì)施工存在一定的限制和難度，一旦建成調(diào)整非常困難，從施工和經(jīng)濟(jì)方面考慮使用單陽(yáng)極是最實(shí)用的，因此研究單支深井陽(yáng)極完全有效保護(hù)的臨界儲(chǔ)罐直徑是具有實(shí)際意義的。

使用有限元、有限差分、邊界元等數(shù)值方法是研究陰極保護(hù)體系電位分布問(wèn)題的發(fā)展方向[2]，本文提出一種根據(jù)典型電流密度分布假設(shè)求解保護(hù)電位的方法，研究了單支深井陽(yáng)極完全有效保護(hù)的臨界儲(chǔ)罐直徑。

1 數(shù)學(xué)模型

穩(wěn)態(tài)分布型陰極保護(hù)體系電位分布滿足Laplace方程[3]，

式中S1陽(yáng)極表面，S2被保護(hù)金屬表面，σ計(jì)算區(qū)域環(huán)境介質(zhì)電導(dǎo)率，)(φf(shuō)被保護(hù)金屬表面電流密度。

2 邊界條件

2.1 深井陽(yáng)極極化電位

目前對(duì)高硅鑄鐵深井陽(yáng)極導(dǎo)電機(jī)理尚不清楚[4]，理論上定量確定深井陽(yáng)極極化電位是很困難的，陰極保護(hù)工程根據(jù)土壤參數(shù)變化(主要是降雨和地下水造成土壤電阻率減小)和給定電壓(匯流點(diǎn)電位)不斷調(diào)整恒電位儀輸出電壓使陰極保護(hù)體系處于規(guī)定電位范圍之內(nèi)，深井陽(yáng)極極化電位是動(dòng)態(tài)變化的，陰極保護(hù)體系屬于準(zhǔn)靜態(tài)平衡體系，鑒于此本文根據(jù)陰極保護(hù)體系物理模型近似計(jì)算深井陽(yáng)極極化電位[4]，

式中U實(shí)際恒電位儀輸出電壓V，0I所需保護(hù)電流A，R深井陽(yáng)極接地電阻?，wR深井陽(yáng)極電纜電阻?，ξ焦炭回填料反電動(dòng)勢(shì)2V，以上參數(shù)可由儲(chǔ)罐陰極保護(hù)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算。

2.2 計(jì)算區(qū)域邊緣電位梯度

距離深井陽(yáng)極較遠(yuǎn)時(shí)，電位變化很小(等于金屬在土壤中的自然腐蝕電位，受深井陽(yáng)極影響很小)，計(jì)算區(qū)域邊緣電位梯度等于零，

2.3 儲(chǔ)罐底板電流密度

第二類邊界條件)(φf(shuō)為陰極表面電位等于φ對(duì)應(yīng)的電流密度，金屬構(gòu)件)(φf(shuō)與φ的極化曲線需由試驗(yàn)[5]測(cè)出，極化曲線試驗(yàn)受很多限定條件(金屬材質(zhì)、電解液濃度、測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)短等)的影響，限定條件不同極化曲線擬和方程也不同，這將導(dǎo)致電位計(jì)算系統(tǒng)誤差。本文提出一種根據(jù)典型電流密度分布假設(shè)求解保護(hù)電位的方法：文獻(xiàn)[6]根據(jù)經(jīng)典靜電學(xué)原理推導(dǎo)出無(wú)限大空間帶電圓盤電流密度i分布公式，

式中i圓盤導(dǎo)體距圓心a處的電流密度mA/m2，a該點(diǎn)距圓盤中心距離m，r圓盤半徑m，I總電流A。

3 參數(shù)選取

3.1 計(jì)算區(qū)域環(huán)境介質(zhì)

罐底板與以瀝青砂為主要構(gòu)造的基礎(chǔ)接觸，基礎(chǔ)與土壤物性參數(shù)(電阻率、密度等)相差很大，以往數(shù)值模擬研究中假定土壤均勻、各向同性[2][5]，沒(méi)有考慮計(jì)算區(qū)域環(huán)境介質(zhì)的不連續(xù)性，這給模擬結(jié)果帶來(lái)了誤差，需加以改進(jìn)。本文計(jì)算區(qū)域環(huán)境介質(zhì)由土壤和瀝青砂基礎(chǔ)構(gòu)成，土壤電阻率5?·m，瀝青砂基礎(chǔ)電阻率200?·m[7]，土壤和金屬材料參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土壤和金屬材料參數(shù)

3.2 假設(shè)條件

計(jì)算區(qū)域分成土壤介質(zhì)和瀝青砂基礎(chǔ)兩部分，單獨(dú)區(qū)域中是均勻、各向同性的；金屬表面狀態(tài)和保護(hù)電位不隨時(shí)間變化；不考慮雜散電流影響；深井陽(yáng)極表面是等電位面，不考慮陽(yáng)極極化。

3.3 陰極保護(hù)參數(shù)[4]

金屬自然腐蝕電位：-0.55V，允許的陰極保護(hù)電位最小值:-0.85V，允許的陰極保護(hù)電位最大值:-1.2V，儲(chǔ)罐底板平均電流密度：6mA/m2。

表2 數(shù)值結(jié)果和實(shí)測(cè)電位數(shù)據(jù)對(duì)比

4 實(shí)例驗(yàn)證

4.1 計(jì)算實(shí)例Ⅰ

文獻(xiàn)[8]提供了使用多孔PVC參比電極測(cè)量實(shí)際罐底板保護(hù)電位分布數(shù)據(jù)，儲(chǔ)罐直徑36m，罐邊緣到罐中心徑向方向等距測(cè)量13個(gè)點(diǎn)，si≈6mA/m2，深井陽(yáng)極距離儲(chǔ)罐較遠(yuǎn)，具體數(shù)據(jù)不詳，考慮到以往陰極保護(hù)工程經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)規(guī)范以及計(jì)算時(shí)間和精度，深井陽(yáng)極距儲(chǔ)罐邊緣近端設(shè)為52m，埋深30m，長(zhǎng)度15m。數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)電位數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2。

4.2 結(jié)果分析

大部分?jǐn)?shù)值結(jié)果與電位實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相差不大，相對(duì)誤差小于6%，其中深井陽(yáng)極距儲(chǔ)罐邊緣近端區(qū)域內(nèi)(0~3.0m)電位結(jié)果相差較大，這主要是兩方面原因造成的：

(1) 陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則范圍不同，一些情況下(硫酸鹽性或還原性細(xì)菌土壤中)，工程實(shí)際最大陰極保護(hù)電位允許達(dá)到-1.5V，本文陰極保護(hù)電位范圍-0.85V~-1.2V；

(2) 工程實(shí)際深井陽(yáng)極極化電位是動(dòng)態(tài)變化的，本文根據(jù)陰極保護(hù)系統(tǒng)參數(shù)近似計(jì)算深井陽(yáng)極極化電位(等于常數(shù))，計(jì)算結(jié)果必然存在一定誤差。

4.3 結(jié)論

剔除影響因素(陰極保護(hù)電位準(zhǔn)則范圍不同、深井陽(yáng)極極化電位動(dòng)態(tài)變化)的干擾，數(shù)值結(jié)果與實(shí)測(cè)電位數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果驗(yàn)證了深井陽(yáng)極對(duì)儲(chǔ)罐底板陰極保護(hù)體系數(shù)值模擬的可靠性。

5 單支深井陽(yáng)極完全有效保護(hù)的臨界儲(chǔ)罐直徑

5.1 計(jì)算示例Ⅱ

圖1 單個(gè)儲(chǔ)罐和單支深井陽(yáng)極示意圖

單個(gè)儲(chǔ)罐MN和單支深井陽(yáng)極B，罐底板厚度6mm，深井陽(yáng)極規(guī)格型號(hào)(由15組單支深井陽(yáng)極連接而成)，深井陽(yáng)極距儲(chǔ)罐邊緣近端BN30m，埋深40m，見(jiàn)圖1。研究單支深井陽(yáng)極對(duì)直徑40~66m儲(chǔ)罐陰極保護(hù)時(shí)水平軸線保護(hù)電位分布規(guī)律，見(jiàn)圖2(a)和(b)。

方便起見(jiàn)，定義儲(chǔ)罐底板保護(hù)電位差最大值η，由圖2可知η在水平軸線上由保護(hù)電位最小值(水平軸線某點(diǎn))與保護(hù)電位最大值(近陽(yáng)極端點(diǎn)N)相減得到，

恒電位儀輸出功率P，

式中U恒電位儀輸出電壓V，I所需保護(hù)電流A。

η與儲(chǔ)罐直徑關(guān)系曲線見(jiàn)圖3，恒電位儀輸出功率與儲(chǔ)罐直徑關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。

圖2

5.2 結(jié)果分析

由圖2可知直徑56m儲(chǔ)罐保護(hù)電位最大值和最小值已經(jīng)非常接近陰極保護(hù)電位范圍(-0.85V~-1.2V)，考慮到實(shí)際陰極保護(hù)工程中存在調(diào)節(jié)余量，56m為單支深井陽(yáng)極完全有效保護(hù)的臨界儲(chǔ)罐直徑，直徑大于56m保護(hù)電位已經(jīng)超出了陰極保電位允許范圍。由圖3可知η最大值與儲(chǔ)罐直徑近似成線性關(guān)系，直徑56m處為曲線的拐點(diǎn)，直徑大于56m保護(hù)電位差η最大值隨儲(chǔ)罐直徑增加有較大幅度的增加。由圖4可知，儲(chǔ)罐直徑直徑大于56m，恒電位儀輸出功率增加幅度逐漸變大。

圖3 η與儲(chǔ)罐直徑關(guān)系曲線

圖4 恒電位儀輸出功率與儲(chǔ)罐直徑關(guān)系曲線

5.3 結(jié)論

(1) 采用單支深井陽(yáng)極對(duì)儲(chǔ)罐底板陰極保護(hù)時(shí)，儲(chǔ)罐直徑需小于56米，合理布置儲(chǔ)罐和深井陽(yáng)極位置與埋深，適當(dāng)調(diào)節(jié)恒電位儀輸出電壓，儲(chǔ)罐底板近陽(yáng)極點(diǎn)、遠(yuǎn)陽(yáng)極點(diǎn)、中心部位保護(hù)電位可以到到保護(hù)要求。

(2) 單支深井陽(yáng)極完全有效保護(hù)的臨界儲(chǔ)罐直徑是56米，儲(chǔ)罐直徑大于56米，儲(chǔ)罐底板保護(hù)電位差最大值和恒電位儀輸出功率會(huì)有較大幅度的增加，這進(jìn)一步補(bǔ)充了文獻(xiàn)[1]關(guān)于深井陽(yáng)極可有效保護(hù)儲(chǔ)罐直徑范圍的觀點(diǎn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

考慮到計(jì)算時(shí)間和計(jì)算精度，本文研究了單只深井陽(yáng)極對(duì)單個(gè)儲(chǔ)罐底板陰極保護(hù)的情形，儲(chǔ)罐個(gè)數(shù)增加時(shí)，儲(chǔ)罐邊界之間的相互干擾需要考慮，對(duì)包含復(fù)雜構(gòu)件(離心泵、工藝管網(wǎng)、加熱爐等)和較多數(shù)目?jī)?chǔ)罐的復(fù)雜區(qū)域性陰極保護(hù)體系進(jìn)行數(shù)值模擬還需要進(jìn)一步深入研究。

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Research on Tank Scale Based on Cathodic Protection Technology Using Deep Well Anode

FAN Qing1, DENG Qian-lin2, LI Bin3, CHEN Cui-cui4
(1. Dandong Sub-Company of PetroChina Pipeline Company, Dandong 118001, China; 2. Sichuan Petroleum Construction Engineering Co., Ltd., Chengdu 610213, China; 3. Jinan Sub-Company of PetroChina Pipeline Company, Jinan 250101, China; 4. Talimu Sub-Company of PetroChina West Pipeline Company, Kuerle 841000, China)

In allusion to the prevenient default in tank bottom cathodic protection numerical simulation using deep well anode, neglecting the inconsecutiveness of the calculation environmental medium, the distinctness of the restriction conditions in metal material polarized potential curve experiment resulted in potential calculation system error, the paper put forward a new calculation procedure of solving protection potential based on one typical current density distribution hypothesis, the soil and the bitumensand groundwork composed the calculation environmental medium, approximately calculating polarized potential of the deep well anode based on the cathodic protection physical model. This paper compared the fi eld testing data with numerical result, proved the reliability of numerical method, studied the critical diameter tank which single deep well anode can absolutely and effectively protect(equal to 56m).

deep well anode; cathodic protection; protection potential; tank

TG174.41

A< class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1008-7818(2014)03-0067-04

1008-7818(2014)03-0067-04

范青 (1983－) , 河北保定人，工程師，學(xué)士，河北保定人，現(xiàn)主要從事設(shè)備維修及管道維搶修工作。