鋼質(zhì)原油儲罐底板外壁的陰極保護

李佳潤李言濤孫虎元王傳興錢洲亥侯保榮

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

鋼質(zhì)原油儲罐底板外壁的陰極保護

李佳潤1,2,李言濤1,孫虎元1,王傳興1,錢洲亥3,侯保榮1

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

以單臺100 000 m3原油儲罐為對象,從設計過程、施工流程、測試結(jié)果分析等多方面系統(tǒng)介紹了原油儲罐外壁強制電流近陽極地床陰極保護工程。在合理選擇參數(shù)的情況下,通過計算提出陰極保護技術(shù)方案,并與國標推薦做法進行了對比。投入運行后,對陰極保護系統(tǒng)進行了通電和瞬斷電位測試,發(fā)現(xiàn)罐底板電位均處于保護范圍內(nèi),說明陰極保護系統(tǒng)有效運行。運行1年后,陰極保護系統(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; 原油儲罐; 強制電流; 腐蝕; 混合金屬氧化物陽極

原油儲罐是石油化工行業(yè)最重要的設備之一,有設計壽命長,施工成本高,維護工作復雜的特點。儲罐設備運行的好壞直接關(guān)系到石油化工的生產(chǎn)效率和安全[1-3]。除自然災害和火災風險以外,儲罐最容易受到由腐蝕問題引起的泄漏,嚴重時甚至發(fā)生爆炸[4-5]。儲罐的腐蝕主要分為儲罐外壁的大氣腐蝕,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]。儲罐外壁的大氣腐蝕主要通過涂層隔絕的方法,由于腐蝕暴露于罐體表面,較容易及早發(fā)現(xiàn),通過定期的補涂即可解決。罐底板沉積水的腐蝕較為隱蔽,通常采用涂層和陰極保護聯(lián)用的方式進行防護?？紤]到儲罐內(nèi)的特殊工況,強制電流法存在一定的安全隱患,一般采用犧牲陽極的方法進行陰極極化[6-9]。

儲罐底板的外腐蝕主要是由罐底板周圍長期浸潤的水分引起,結(jié)合瀝青砂的優(yōu)良導電性,構(gòu)成了外腐蝕環(huán)境。由于儲罐下底板中心和邊緣介質(zhì)密實程度不同導致的氧濃度不均,會形成氧濃差電池,氧氣含量低的中心位置作為陽極區(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,也會造成電偶腐蝕。近年來,為防止因儲罐泄漏污染地下水,建設時會在儲罐基礎內(nèi)預置一層防滲膜[10],使得浸潤水分不能向地下滲透,這就更進一步降低了腐蝕介質(zhì)的電阻率,導致罐底腐蝕速度加快。

針對罐底板外壁的腐蝕問題,結(jié)合相關(guān)標準以及實際工程經(jīng)驗,提出了儲罐底板外壁陰極保護的設計方案,并應用于海南某原油商業(yè)儲備基地100 000 m3油罐。根據(jù)現(xiàn)場電位測量結(jié)果,證明了設計方案合理有效,對儲罐陰極保護的設計工作具有一定參考意義。

1 方案設計

1.1 陰極保護設計方案選擇

儲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,為延長儲罐的壽命,保證安全生產(chǎn),GB/T 50393—2008《鋼制石油儲罐防腐蝕工程技術(shù)規(guī)范》中推薦直徑大于8 m的儲罐使用陰極保護技術(shù),控制其底板外壁的腐蝕。陰極保護可通過犧牲陽極和強制電流兩種方法實現(xiàn)。

犧牲陽極法是將被保護金屬和一種可以提供陰極保護電流的金屬和合金(陽極)相連,使被保護體極化以降低腐蝕速率的方法。在被保護金屬與犧牲陽極所形成的耦合電池中,被保護金屬體作為陰極而受到保護。犧牲陽極的電位往往負于被保護金屬體的電位,在保護電池中是陽極,被腐蝕消耗。常用的犧牲陽極材料主要有鎂合金、鋅合金、鋁合金等。犧牲陽極保護法的主要特點是:適用范圍廣,尤其適用于中短距離和復雜的管網(wǎng);陽極輸出電流小,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)維護工作[11]。

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

以單臺100 000 m3浮頂式原油儲罐為例,強制電流法保護儲罐底板外壁,設計壽命可達30年以上,一次性投入成本(含施工費用)不超過30萬元,占儲罐建設成本(約1億元,不含土地征用費)不超過3%。因此,通過技術(shù)性和經(jīng)濟性比較,考慮到儲罐的工況以及有專人維護的特點,對大型儲罐底板外壁應采用投資少、壽命長、工程量小的強制電流陰極保護方式。

1.2 強制電流法陽極地床及輔助陽極的選擇

強制電流法輔助陽極的敷設通常采用陽極地床的形式實現(xiàn)。陽極地床可分為深井陽極地床、淺埋陽極地床和近陽極地床[13]。淺埋陽極地床大規(guī)模用于長輸管線;深井陽極地床主要用于直徑較小的儲罐罐群或地下結(jié)構(gòu)復雜的管道區(qū)域性陰極保護,對在役儲罐補加陰極保護也有應用;對于大型新建儲罐陰極保護最常用的是近陽極地床,即網(wǎng)狀陽極或柔性陽極,這種陽極地床的最大的特點是發(fā)生的陽極電流分布均勻,對其它電連接的鋼結(jié)構(gòu)相互干擾相對小。本文針以100 000 m3儲罐為對象,采用混合金屬氧化物網(wǎng)狀陽極強制電流陰極保護系統(tǒng),每一臺罐設計一個獨立的陰極保護系統(tǒng)。

1.3 計算依據(jù)

1.3.1 氣候條件 原油儲罐地處海南,屬熱帶季風氣候,長夏無冬,年平均氣溫22～26℃。最冷的一、二月份溫度仍達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1 500 mm左右,占全年總降雨量的70%～90%。1.3.2 基礎參數(shù) 儲罐底板下表面采用強制電流法陰極保護系統(tǒng),使用年限不少于30年,保護電流密度10 m A/m2;儲罐區(qū)域為爆炸危險環(huán)境2區(qū),電氣設備要求不低于ⅡBT4;儲罐直徑80 m;填沙電阻率ρ=10 000 W·cm;網(wǎng)狀陽極埋深距儲罐底板下表面350 mm,混合金屬氧化物陽極(MMO)額定輸出電流17 m A/m,陽極帶尺寸6.35 mm×0.635 mm,導電帶尺寸12.7 mm×0.9 mm;有效保護期內(nèi)陰極保護電位為0～0.25 V(相對于高純鋅參比電極);在有效保護期內(nèi),被保護體保護度≥90%。1.3.3 100 000 m3儲罐MMO陽極實際用量核算

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

實際用量核算:

儲罐底板面積:A=πD2/4=5 024 m2

保護電流:I=A×Id=50.24 A

單臺儲罐計算陽極長度:L=I/i=2 955.3 m

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

實際核算的長度L=2 955.3 m,大于依據(jù)GB/ T50393—2008《鋼制石油儲罐防腐蝕工程技術(shù)規(guī)范》中推薦的陽極的間距2 m,導電帶的間距8 m,從而計算出陽極的長度。由此可見,國標中規(guī)定的排布間距不能滿足儲罐陰極保護所需電流的要求,為此,本方案中采用了陽極帶間距為1.7 m,導電帶間距為8 m的敷設方式計算陽極用量?？紤]到敷設中的合理損耗以及敷設的彎曲因素,實際敷設時陽極取10%余量。因此,直徑80 m儲罐混合金屬陽極的用量采用3 256 m,導電帶的用量為669 m。

陽極接地電阻計算:

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

儲罐底板接地電阻為:

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

導線電阻(按照600 m計算):

式中,RTC為導線電阻,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100 000 m3儲罐強制電流陰極保護材料如表1所示。

表1 單臺100 000 m3儲罐強制電流陰極保護材料清單Table 1 Materials list of cathodic protection for a single 100 000 m3oil tank

2 陰極保護系統(tǒng)的布置及安裝

如前所述,罐底板外壁陰極保護布置如圖1所示。為使測量電位結(jié)果更具代表性,3個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施工工藝流程Fig.2 Process flow diagram of cathodic protection for outside wall of bottom plate

3 保護效果測試

陰極保護系統(tǒng)安裝投產(chǎn)后,對罐底3處參比電極電位反饋值進行監(jiān)控。分別測試投產(chǎn)初期和運行1年后的通電電位和瞬斷電位,測量結(jié)果如表2所示。

表2 儲罐外壁陰極保護系統(tǒng)現(xiàn)場電位測量結(jié)果Table 2 Potentials of cathodic protection for outside wall of bottom plate

從表2中不難看出,儲罐各位置通電,瞬斷電位均處于0～0.25 V內(nèi),說明罐底板受到有效的陰極保護。投產(chǎn)初期,恒電位儀輸出電流較小,而輸出電壓較大,說明陰極保護系統(tǒng)回路電阻較大,這是由于新投產(chǎn)的儲罐,水分還未來得及滲透到罐底板和瀝青砂界面處,同時,罐底板外壁初期涂層完好,破損點相對較少也是重要原因之一。從運行1年后的輸出電壓、電流數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):達到有效陰極保護電位,輸出電流值明顯增大,而輸出電壓卻較投產(chǎn)初期降低,這說明隨著儲罐運行年限的提高,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,由于水分的滲透,陰極保護系統(tǒng)回路電阻也呈下降趨勢。

4 結(jié)論

(1)采用強制電流法的近陽極地床對新建大型儲罐底板外壁進行陰極保護,是一種行之有效的方法。設計時參考國家、行業(yè)標準,結(jié)合具體計算以及實際工程經(jīng)驗,可提出合理的陰極保護系統(tǒng)參數(shù)。

(2)在罐底均勻敷設MMO網(wǎng)狀陽極,有助于輸出保護電流的均勻分布,避免欠保護和過保護。在罐底板預置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,罐底板極化到保護電位所需電位較小,陰極保護體系內(nèi)阻較大。隨著運行時間的推移,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。若設計不合理,會超過恒電位儀設計額定電流,這一現(xiàn)象應引起儲罐維護管理部門的注意。

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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目(Y4KY14110N);國家電網(wǎng)公司科技項目“海上風電結(jié)構(gòu)和設備防腐技術(shù)研究項目”(5211DS150016);中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(A類,XDA13040401)。

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

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