外部結(jié)構(gòu)對儲罐底板外壁陰極保護電位分布影響的數(shù)值模擬計算

王鵬，常澤亮，毛仲強，李先明，毛學(xué)強

（中國石油塔里木油田公司，庫爾勒841000）

金屬儲罐底板外壁的陰極保護電位分布是衡量儲罐底板陰極保護效果的一項重要指標(biāo)，目前，儲罐底板陰極保護存在恒電位儀輸出電流大、罐底板電位分布不均勻甚至欠保護的情況，這給陰極保護系統(tǒng)的運行維護提出了挑戰(zhàn)。近年來，使用數(shù)值模擬計算方法來研究陰極保護體系的電位和電流分布成為陰極保護技術(shù)發(fā)展的一個新方向，如有限元法［1-2］、有限差分法［3］、邊界元法［4-5］等多種數(shù)值計算方法已成功應(yīng)用于電化學(xué)問題的數(shù)值計算中，具有保護效果預(yù)知性強、設(shè)計更具理論依據(jù)、可以預(yù)測并消除干擾和屏蔽問題等優(yōu)勢。本工作以西部地區(qū)某站場內(nèi)5 000 m3原油儲罐為研究對象，利用BEASY軟件計算接地對罐底外壁陰極保護電位分布的影響，同時研究了接地類型、砂土層、陽極形式等對儲罐底板外壁陰極保護電位分布的影響，以期為儲罐底板外壁的陰極保護提供借鑒。

1 數(shù)學(xué)建模

對于已經(jīng)達到穩(wěn)態(tài)的陰極保護系統(tǒng)，假設(shè)計算區(qū)域內(nèi)的環(huán)境介質(zhì)均勻，被保護體表面狀況相同且無內(nèi)場源存在，則被保護體表面和腐蝕介質(zhì)中的電位分布可用Laplace方程和相應(yīng)的邊界條件來描述：

式中：V為計算區(qū)域，S1、S2分別表示計算區(qū)域的邊界，Φ代表計算區(qū)域內(nèi)各點的電位。S1指電位為常數(shù)的邊界，S2指電流密度已知的邊界。n為邊界外法線方向，f1（Φ）為電流密度函數(shù)。對于絕緣表面、對稱面或?qū)ΨQ軸，f1（Φ）＝0；對于有電流流過的電極表面，f1（Φ）表示極化電流密度和電位之間的關(guān)系，即電極表面的極化曲線；σ表示介質(zhì)的電導(dǎo)率。

本工作涉及一座直徑23.82 m的儲罐，底板電流需求量取10 mA／m2，土壤電阻率為2Ω·m2，底板下方砂層土壤電阻率100Ω·m。根據(jù)GB 15599－2009、GB 50169－2016、GB 50074－2014等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計了儲罐周邊接地，接地為環(huán)狀，采用四條連接線與儲罐相連，在環(huán)狀接地上每隔約5 m圓周距離設(shè)置豎直接地1支，接地材料為扁鋼。陽極類型包括深井陽極、淺埋近陽極或罐底MMO網(wǎng)狀陽極。所建模型的基本資料如下：儲罐底板的直徑23.82 m，采用普通碳鋼，電流需求量10 mA／m2；接地采用環(huán)狀接地（直徑30 m）和垂直接地（圓周方向距離約5 m）；深井陽極埋深60 m，活性段長30 m，距離儲罐200 m；淺埋陽極直徑219 mm，埋深1.5～3.5 m，沿儲罐周邊豎直均布8支；MMO網(wǎng)狀陽極置于儲罐底板下方0.3 m，陽極間距1 m，陽極帶截面尺寸6.35 mm×0.635 mm；儲罐周邊土壤電阻率為2Ω·m2；儲罐底板下方基礎(chǔ)砂層電阻率為200Ω·m2。

對相關(guān)結(jié)構(gòu)建模，如圖1所示，并采用基于上述數(shù)學(xué)公式的模擬計算軟件BEASY進行數(shù)值仿真，即可得到儲罐底板的電位分布情況，并進一步研究各種因素對電位分布的影響。

2 計算與討論

2.1 接地類型對儲罐外底板電位分布的影響

對于深井陽極保護的儲罐底板外壁，底板中心易出現(xiàn)欠保護情況，且輸出電流較大，主要原因可能是儲罐外圍的接地結(jié)構(gòu)吸收陰極保護電流，使儲罐底板得到的電流不足，導(dǎo)致底板欠保護。

圖1 主要結(jié)構(gòu)物的建模示意圖Fig.1 The modeling of main structures：（a）the deep-well anode and the whole calculated zone；（b）the bottom of tank，the grounding and the MMO grid anode

因此，計算不考慮接地、扁鋼接地和鋅接地三種情況下儲罐外底板陰極保護電位的分布情況，結(jié)果如圖2所示。

陽極輸出電流均為8 A的條件下，不考慮接地時，罐底板均可得到良好保護，陰保電位為－885.77～－973.59 mV（相對于銅／硫酸銅參比電極，CSE，下同）；當(dāng)接地為扁鋼時，陰保電位為－844.62～－943.72 mV，中心區(qū)域欠保護；當(dāng)接地為鋅時，陰保電位為－890.69～－1107 m V。

圖2 儲罐底板的陰保電位分布云圖（深井陽極）Fig.2 Cloud diagram of cathodic protection potential distribution of tank bottom（deep-well anode）：（a）without grounding；（b）steel flat grounding；（c）zinc grounding

綜上所述，扁鋼接地條件下，8 A電流中有5.4 A電流流入儲罐，另外2.6 A電流流入接地，如果接地更多，接地電流需求量更大，則會有更多電流流入接地，這將進一步減少儲罐底板所得電流，惡化儲罐底板的陰極保護狀況。進一步計算可知，扁鋼接地條件下，將陽極輸出電流增大到12 A時可使儲罐得到約8 A電流，基本可以抵消接地造成的影響。鋅接地條件下，8 A電流均流入了底板，同時鋅接地作為犧牲陽極也為儲罐提供了少量電流，保護效果更好。

2.2 罐底砂層對扁鋼接地條件下儲罐外底板電位分布的影響

2.1 節(jié)中，將土壤電阻率統(tǒng)一設(shè)置為儲罐周邊的電阻率進行計算，這與實際情況存在一定差異。實際情況下，儲罐底板下方會鋪設(shè)一定厚度的砂層，電阻率在200Ω·m2，儲罐底板下方會之間，本工作將砂層電阻率設(shè)為200Ω·m2進行計算，扁鋼接地情況，計算結(jié)果如圖3所示。

前述扁鋼接地不考慮砂層的情況，陽極輸出電流8 A，儲罐得到5.4 A；考慮砂層的情況，陽極輸出電流仍為8 A，儲罐底板基本得不到保護，計算電流分配情況顯示，此時儲罐只得到1.3 A電流，其余6.7 A均被罐周邊的扁鋼接地吸收。進一步計算發(fā)現(xiàn)，在該情況下，只有總陽極輸出電流達到45 A，儲罐才能分到約8 A電流，進而得到較好的保護效果。

可見，扁鋼接地條件下，罐底砂層土壤電阻率較高會進一步促進電流流入接地，若此時儲罐底板外壁要得到良好保護，就需要總電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論計算值，這也是很多儲罐在深井陽極保護下，保護電流很大而保護效果依然欠佳的重要原因。因此，目前很多新建儲罐采用網(wǎng)狀陽極對儲罐底板進行保護，增加保護的針對性，降低保護電流，提高保護效果。

2.3 陽極形式對扁鋼接地下儲罐外底板電位分布的影響

圖3 儲罐底板電位分布云圖（深井陽極，扁鋼接地）Fig.3 The potential distribution of tank bottom（deep-well anode，steel flat grounding）：（a）without sand layer considered；（b）with sand layer considered

淺埋近陽極相比深井陽極，具有保護電流針對性強、對其他金屬構(gòu)筑物干擾較小等優(yōu)點。MMO網(wǎng)狀陽極是混合金屬氧化物帶狀陽極與鈦金屬連接片垂直鋪設(shè)、交叉處點焊而構(gòu)成的外加電流陰極保護輔助陽極，該陽極網(wǎng)用于儲罐底板的陰極保護，也具有電流分布均勻、雜散電流干擾少等優(yōu)點。將2.2節(jié)計算模型中的深井陽極分別改為淺埋近陽極和MMO網(wǎng)狀陽極進行計算并與深井陽的極計算結(jié)果進行對比，如下圖4所示。

圖4 儲罐底板電位分布云圖（扁鋼接地，考慮砂層）Fig.4 The potential distribution of the tank bottom（steel flat grounding，with sand layer considered）：（a）deep-well anode；（b）distributed anode；（c）grid anode

結(jié)果表明：在扁鋼接地陽極輸出均為8 A的情況，若采用深井陽極，陰保電位為－664.65～－778.14 mV；若采用淺埋近陽極，陰保電位為－659.76～－1 112.5 mV；若采用網(wǎng)狀陽極，陰保電位為－748.2～－921.08 mV。采用深井陽極和淺埋近陽極保護，儲罐吸收電流1.3 A，為陽極輸出電流的16.25%；采用網(wǎng)狀陽極保護，儲罐吸收電流5.8 A，為陽極輸出電流的72.5%，得到的電流比前兩者多了56.25%，保護效果也明顯優(yōu)于前兩者的。

淺埋近陽極雖然較深井陽極具有更強的針對性，但是其位于儲罐和接地之間，距離接地很近；同時罐底砂層的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于罐周邊的，因此仍然有大量電流流入了接地，這可能是采用淺埋近陽極，保護效果不理想的主要原因，其他原因還有待進一步研究。

3 結(jié)論

（1）儲罐周邊的扁鋼接地吸收陰極保護電流，導(dǎo)致儲罐底板得到的電流大大低于陽極輸出電流，保護效果變差；

（2）儲罐基礎(chǔ)中的砂層土壤電阻率較高，加劇了陰極保護電流向扁鋼接地分配，保護效果進一步變差；

（3）采用網(wǎng)狀陽極可以減少電流向罐周邊接地流失，優(yōu)化儲罐底板的電位分布，即使有扁鋼接地、砂層等不利因素，底板仍然可以得到大量電流，并得到較好的保護效果。