大罐罐底陰極保護(hù)全壽命周期監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

趙常英 秦海燕 朱加祥 滕 彧

中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華北分公司, 河北 任丘 062552

0 前言

自2004年以來(lái),國(guó)家石油儲(chǔ)備庫(kù)開(kāi)始在全國(guó)范圍內(nèi)開(kāi)工建設(shè),大部分儲(chǔ)備庫(kù)建于沿海地帶,如舟山、鎮(zhèn)海、大連、黃島等,大罐設(shè)計(jì)壽命不少于30 a,為確保大罐罐底外壁在設(shè)計(jì)壽命內(nèi)免受腐蝕,罐底采用涂層加陰極保護(hù)的聯(lián)合保護(hù)方式[1-3]。

1 罐底陰極保護(hù)的必要性

由于儲(chǔ)罐罐底置于罐基礎(chǔ)之上,罐基礎(chǔ)內(nèi)從罐底起依次由瀝青砂絕緣層、中砂墊層、HDPE土工膜、長(zhǎng)絲無(wú)紡?fù)凉げ?、中砂墊層、級(jí)配砂石墊層、級(jí)配碎石褥墊層組成,罐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 罐基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

罐底板下表面涂有防腐涂層,但在焊接時(shí)焊縫處的防腐涂層不耐焊接時(shí)產(chǎn)生的高溫,造成涂層破損,一旦與腐蝕性介質(zhì)接觸,極易造成腐蝕[4]。

雖然罐底下表面有瀝青砂做絕緣層,但隨著時(shí)間的增長(zhǎng),瀝青砂會(huì)逐年老化,基礎(chǔ)墊層出現(xiàn)開(kāi)裂,另一方面,儲(chǔ)罐的質(zhì)量也隨著進(jìn)液高度變化進(jìn)行波動(dòng),久之罐基礎(chǔ)墊層在交變應(yīng)力作用下發(fā)生開(kāi)裂,這樣地下水就會(huì)通過(guò)裂縫接觸到儲(chǔ)罐底板,儲(chǔ)罐罐底板處于腐蝕環(huán)境中,隨著時(shí)間的延長(zhǎng),防腐層不可避免出現(xiàn)老化破損,此時(shí)陰極保護(hù)對(duì)破損處罐底提供了有效保護(hù),因此,儲(chǔ)罐的陰極保護(hù)十分必要[5]。

2 罐底陰極保護(hù)

2.1 罐底陰極保護(hù)系統(tǒng)

儲(chǔ)備庫(kù)原油儲(chǔ)罐容積為10×104m3,罐底直徑達(dá)80 m,根據(jù)SY/T 0088-2016《鋼質(zhì)儲(chǔ)罐罐底外壁陰極保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》,罐底外壁采用強(qiáng)制電流陰極保護(hù)[6]。

強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)包括供電設(shè)備、陽(yáng)極地床和連接電纜等。

陰極保護(hù)供電電源采用恒電位儀。儲(chǔ)罐基礎(chǔ)采用混凝土環(huán)墻,為確保罐底中心部位達(dá)到保護(hù)準(zhǔn)則要求,陽(yáng)極地床采用在罐底基礎(chǔ)內(nèi)埋設(shè)陽(yáng)極的方式。為監(jiān)測(cè)罐底板的陰極保護(hù)電位,在儲(chǔ)罐底部砂墊層中埋設(shè)參比電極,其中1只為恒電位儀用控制參比電極。

罐底陽(yáng)極地床分為網(wǎng)狀陽(yáng)極地床和柔性陽(yáng)極地床,網(wǎng)狀陽(yáng)極地床由混合金屬氧化物(MMO)帶狀陽(yáng)極和導(dǎo)電鈦帶組成,縱橫交叉構(gòu)成網(wǎng)格式結(jié)構(gòu),埋設(shè)在砂層中,距罐底板300 mm左右,因是網(wǎng)格形,所以常稱(chēng)為網(wǎng)狀陽(yáng)極。柔性陽(yáng)極分為MMO/TI和導(dǎo)電聚合物兩種,MMO/TI 柔性陽(yáng)極是在金屬氧化物陽(yáng)極及連接電纜的外部包覆連續(xù)的焦炭及柔性織物覆蓋層,導(dǎo)電聚合物柔性陽(yáng)極是在帶有導(dǎo)電聚合物的銅導(dǎo)線(xiàn)外部包覆連續(xù)的焦炭及柔性織物覆蓋層。罐底柔性陽(yáng)極地床是采用柔性陽(yáng)極蛇形或環(huán)狀敷設(shè)于儲(chǔ)罐砂層中,與網(wǎng)狀陽(yáng)極具有相同的優(yōu)點(diǎn),如電流分布均勻、產(chǎn)生雜散電流少、不需要回填料、儲(chǔ)罐與管道不需要電絕緣、不易受今后工程施工的損壞等。網(wǎng)狀陽(yáng)極缺點(diǎn)是陽(yáng)極產(chǎn)物是O2,去極化快,且斷電電位有不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象。柔性陽(yáng)極優(yōu)點(diǎn)是陽(yáng)極產(chǎn)物是CO及CO2,去極化慢,便于測(cè)試斷電電位[7-9],且保護(hù)電位滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.2 罐底陰極保護(hù)測(cè)試點(diǎn)布置

大罐罐底坐落于混凝土基礎(chǔ)上,一旦建成,人員無(wú)法接近罐底,采用在罐周邊設(shè)置參比電極的方式,無(wú)法獲得靠近罐底中心的電位,因此通常建罐前在罐基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)埋長(zhǎng)效參比電極。對(duì)于罐底板面積較大的儲(chǔ)罐,一般在罐底布置多個(gè)參比電極[10-12]。

通常,在罐底沿半徑方向,根據(jù)儲(chǔ)罐半徑大小,布置一定數(shù)量的長(zhǎng)效參比電極,參比電極選用長(zhǎng)效 Cu/CuSO4參比電極及Zn參比電極,參比電極接入罐附近的測(cè)試箱內(nèi),通過(guò)人工采用萬(wàn)用表,監(jiān)測(cè)各參比電極處的罐底板電位。

3 罐底陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)電位準(zhǔn)確性

自國(guó)家石油儲(chǔ)備庫(kù)開(kāi)建以來(lái),許多原油罐運(yùn)行超過(guò)10 a,在西部、東部、沿海及內(nèi)陸對(duì)不同地區(qū)罐底陰極保護(hù)調(diào)研,發(fā)現(xiàn)部分陰極保護(hù)系統(tǒng)不能正常運(yùn)行,其中長(zhǎng)效參比電極失效是影響陰極保護(hù)正常運(yùn)行的首要原因。

以恒電位儀作為供電電源,其工作原理是給定信號(hào)(控制信號(hào))和經(jīng)阻抗變換器隔離后的參比信號(hào)一起送入比較放大器,經(jīng)高精度、高穩(wěn)定性的比較放大器進(jìn)行比較放大,然后輸出誤差控制信號(hào),將這個(gè)信號(hào)送入移相觸發(fā)器,移相觸發(fā)器再根據(jù)該信號(hào)的大小,自動(dòng)調(diào)節(jié)脈沖的移相時(shí)間,通過(guò)脈沖變壓器輸出觸發(fā)脈沖來(lái)調(diào)整極化回路中可控硅的導(dǎo)通角,改變輸出電壓、電流的大小,使得保護(hù)電位等于設(shè)定的給定電位,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)恒電位保護(hù)。

長(zhǎng)效Cu/CuSO4參比電極,是由銅棒及飽和硫酸銅溶液安裝于陶瓷罐中,如果安裝環(huán)境干燥,或硫酸銅液體流失,就會(huì)影響參比電極的準(zhǔn)確度,造成測(cè)量電位偏差。鋅參比電極同樣與使用環(huán)境有關(guān),一旦土壤干燥,鋅參比電位正移,導(dǎo)致基準(zhǔn)改變,也就失去了作為參比的意義[13]。大罐罐底基礎(chǔ)內(nèi),由于受到防滲膜的隔離,地下水不易進(jìn)入防滲膜上部的砂墊層,尤其是對(duì)于高于常溫的原油儲(chǔ)罐,砂墊層受高溫影響,更易造成參比電極附近環(huán)境干燥,進(jìn)而造成電位監(jiān)測(cè)不準(zhǔn),甚至經(jīng)過(guò)一定的年限后,長(zhǎng)效Cu/CuSO4參比電極失效,無(wú)法讀取數(shù)據(jù)。

陽(yáng)極干擾區(qū)的影響,由于罐底基礎(chǔ)空間有限,一般砂墊層厚度為300～500 mm,砂墊層下部為防滲膜,為避免防滲膜屏蔽陰極保護(hù)電流,陽(yáng)極和長(zhǎng)效參比電極只能安裝于防滲膜與罐底板的砂墊層中[14-16]。在受限空間內(nèi),長(zhǎng)效參比電極無(wú)法避開(kāi)陽(yáng)極地床的干擾,導(dǎo)致控制用參比電極通電電位偏負(fù),使恒電位儀電流輸出量不足,無(wú)法使罐底板得到充分極化。

4 罐底陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)新技術(shù)

為確保罐底陰極保護(hù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,保證參比電極測(cè)試電位的準(zhǔn)確性是至關(guān)重要的。長(zhǎng)效參比電極初期運(yùn)行正常,但無(wú)法確保10 a以后的正常使用,因此在罐底采用可更換參比電極,每次測(cè)試前對(duì)參比電極進(jìn)行校正。

4.1 預(yù)埋陰極保護(hù)通道的選擇

考慮到金屬管作為通道存在對(duì)陰極保護(hù)電流的屏蔽作用,同時(shí)因測(cè)試通道距離罐底較近,為避免發(fā)生金屬管與罐底板的搭接,導(dǎo)致陰極保護(hù)電流泄漏,故測(cè)試通道采用非金屬管。

非金屬管在罐底安裝,應(yīng)具備一定的強(qiáng)度和剛度,不會(huì)因受到罐底壓力而產(chǎn)生破碎或變形,因此選用具有超高分子量的聚乙烯管(HDPE),聚乙烯管采用Φ110 mm×10 mm。對(duì)于10×104m3儲(chǔ)罐,荷載為250 kN/m2,根據(jù)CECS 17《埋地硬聚氯乙烯給水管道工程技術(shù)規(guī)程》[17],對(duì)管道強(qiáng)度及管徑直徑變形量進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果表明其完全可承受儲(chǔ)罐荷載。

4.2 解決預(yù)埋HDPE管的屏蔽問(wèn)題

HDPE管存在對(duì)陰極保護(hù)電流的屏蔽[18-19],為解決該問(wèn)題,提出了兩種方案

方案一是砂墊層中預(yù)埋一定長(zhǎng)度兩端不封閉的測(cè)試通道-HDPE管,一端露出儲(chǔ)罐基礎(chǔ),另一端位于需測(cè)試位置,參比電極可沿測(cè)試通道直接頂?shù)綔y(cè)試位置的砂墊層上。

方案二是砂墊層中預(yù)埋貫穿儲(chǔ)罐底部基礎(chǔ)的測(cè)試通道-HDPE管,要求陰極保護(hù)電流可從砂墊層穿過(guò)HDPE管道,進(jìn)入管道內(nèi)的參比電極?？紤]在HDPE管上需測(cè)試的位置開(kāi)孔槽,陰保電流通過(guò)孔槽流向參比電極,對(duì)此展開(kāi)了實(shí)驗(yàn)室評(píng)價(jià)。

評(píng)價(jià)采用與HDPE管具有同樣絕緣效果的聚乙烯塑料管,在管壁上開(kāi)孔Φ6 mm,將參比電極用濕布包裹,把聚乙烯塑料管放在砂土中,按照GB/T 21246-2007《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)參數(shù)測(cè)量方法》[20]的規(guī)定,測(cè)試砂土中鋼構(gòu)件的電位。通過(guò)測(cè)試,該開(kāi)孔方式可以為陰極保護(hù)電流提供通道,測(cè)試見(jiàn)圖2。

圖2 參比電極在開(kāi)孔聚乙烯塑料管的電位測(cè)試圖

4.3 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試效果

某工程4座5×104m3原油儲(chǔ)罐,罐底采用導(dǎo)電聚合物柔性陽(yáng)極,恒電位儀為4回路,每路30 A/50 V,對(duì)其中2座儲(chǔ)罐進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,G123#罐陰極保護(hù)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1，G125#罐陰極保護(hù)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表1G123#罐陰極保護(hù)測(cè)試表

測(cè)試點(diǎn)通電電壓/V通電電流/A通電電位/V斷電電位/V恒電位儀第1路4.520.25-1.5-0.92測(cè)試點(diǎn)距離罐底環(huán)墻基礎(chǔ)1 m(北向)---4-0.9測(cè)試點(diǎn)距離罐底環(huán)墻基礎(chǔ)6 m(北向)---3.8-1測(cè)試點(diǎn)距離罐底環(huán)墻基礎(chǔ)27 m(北向)---2.1-0.95

表2G125#罐陰極保護(hù)測(cè)試表

測(cè)試點(diǎn)通電電壓/V通電電流/A通電電位/V斷電電位/V恒電位儀第3路3.50.181.50.9測(cè)試點(diǎn)距離罐底環(huán)墻基礎(chǔ)1 m(北向)--3.21.2測(cè)試點(diǎn)距離罐底環(huán)墻基礎(chǔ)27 m(北向)--30.9測(cè)試點(diǎn)距離罐底環(huán)墻基礎(chǔ)1 m(南向)--2.540.96

5 結(jié)論

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明,通過(guò)在罐基礎(chǔ)砂墊層內(nèi)預(yù)埋測(cè)試通道-HDPE管的方式,可將校準(zhǔn)的參比電極隨時(shí)送入監(jiān)測(cè)位置進(jìn)行測(cè)試,解決了以往在建設(shè)初期預(yù)埋長(zhǎng)效參比電極,其壽命無(wú)法滿(mǎn)足大罐的設(shè)計(jì)壽命,且長(zhǎng)效參比電極無(wú)法進(jìn)行校準(zhǔn)的問(wèn)題。