储罐底板阴极保护技术现状及其发展

王 东

(中国石化集团胜利油田，山东 德州 251508)



储罐底板阴极保护技术现状及其发展

王 东

(中国石化集团胜利油田，山东 德州 251508)

对于储罐底板内外侧的腐蚀，阴极保护是最为经济有效的防腐措施。根据测量的电位来判断储罐底板是否得到有效保护，把保护电位作为调整阴极保护系统运行的重要参数。遇到罐底板中心部位电位不容易检测的时候，为了保证储罐底板中心得到充分保护，需要利用数学方法，根据阴极保护电位数值计算理论，建立阴极保护的数学模型，求解得到整个储罐底板的电位分布。此举措对于提高整个储罐底板的阴极保护效果，延长站内储罐的使用寿命有非常重要的意义。

储罐底板 阴极保护 电位分布 边界元法

储罐是联合站、集油站内接收、储存油品的重要设备，储罐的正常运行对整个站场的安全、稳定、长期生产运行起着十分重要的作用。随着站内储罐运行时间延长，储罐底板安全度下降，一旦发生腐蚀穿孔，会导致油品泄漏直接造成经济损失，也会对周围的环境造成严重的破坏，甚至引发火灾与爆炸等重大安全事故。

阴极保护投资成本仅为储罐建设成本的1%，可以成倍地延长更换储罐底板的周期。根据石油天然气行业标准SY/T 0088-2006 《钢质储罐罐底外壁阴极保护技术标准》与NACE RP0193-2001 《在级碳钢储罐底的外部阴极保护》的规定，在施加阴极保护的情况下，使用铜/饱和硫酸铜参比电极(CSE)测得罐/地极化电位应为-0.85～-1.2 V。为精确测量保护电位，要求尽可能地降低土壤IR降的影响，参比电极应安置在尽量靠近被测试构件的位置。

1 储罐底板阴极保护技术现状

从阴极保护技术诞生到现在，已经发展了190多年。目前许多发达国家已经将在大型油库、输油和输气站场等强制实施区域性阴极保护写入法律，并且做到了阴极保护系统和主体工程同时设计、同时施工和同时投产。

国外从20世纪60年代就开始了储罐底板外侧阴极保护技术的应用与研究，国内开始应用储罐底板的阴极保护只有20多年的历史。

20世纪70年代，区域性阴极保护技术首次在中国石化和胜利油田东辛采油厂得到利用，站内的储罐和埋地管线都得到了有效保护[1]。1989年，福建省东山油罐区的5座储油罐把牺牲阳极材料锌基埋设在储罐周边1m外地下土层内，采用牺牲阳极方法对储罐底板进行阴极保护。由于牺牲阳极材料的驱动电位较低，所以只适用于小型的储罐。目前对于储罐底板的阴极保护工程，国内外多选择强制电流阴极保护技术。

外加强制电流阴极保护技术是防止储罐底板外侧腐蚀的有效手段，网状阳极是目前最为理想的储罐底板外加强制电流阴极保护系统的阳极形式，给储罐底板提供均匀的保护电流，使储罐底板中心和周围的电位分布均匀。对于已建储罐底板施加阴极保护，常采用深井阳极的形式，此形式下储罐底板保护电位沿直径方向分布不均匀。

目前可以通过储罐底板下部埋设了参比电极的方法，测试储罐底板外侧的保护效果，而长效参比电极埋设在储罐底板周围时，则只能测得储罐底板边缘的保护电位。因此，为了实现对深井阳极形式下储罐底板外侧的保护效果的准确预测，有必要对储罐底板外侧的电位分布进行研究。

2 储罐底板阴极保护模拟技术

2.1 电位解析方法研究

解析计算公式比较直观，在工程应用中比较方便。长距离埋地管道阴极保护电位和电流密度分布的解析式已经在工艺计算和设计当中得到广泛应用，储罐底板阴极保护电位分布不能直接套用管道的阴极保护电位分布公式。

在整个储罐底板上的电流密度非常均匀的假设前提下，Morgan推导得到了储罐底板阴极保护的电位分布公式，电位与距罐中心距离呈线性关系，但是与实际电位分布存在很大差异，只适用于罐底板直径非常小的情况。后来Morgan考虑了储罐底板电流密度的不均匀性问题，从带电圆盘电荷分布公式出发，推导得到距罐底中心距离为处罐底的保护电流密度为：

(1)

式中:x为距罐底中心的距离，m；r为罐底板半径，m；is为罐底平均电流密度，A/m2。

李湘怡[2]等将被保护储罐底板和其相邻土壤介质当作两个体系，一个为阳极电场，另一个为阴极电场，阳极电场是由阳极流向大地的无穷远处产生的，而阴极电场是由大地的无穷远处流入储罐底板时产生的。利用稳流电场理论推导出罐底阴极保护电位分布模型解析公式，并验证了该数学模型，利用简化的解析公式可以方便计算储罐底板电位分布，为储罐底板阴极保护的评价和检测提供理论支撑。

φ=Um-(Ua+Uc)

(2)

式中:Um为罐底板上流动的电流在罐底板产生的电位，V；Ua为阳极流向大地无穷远处的电流在罐底板产生的电位，V；Uc为大地无穷远处流入罐底板的电流在罐底板产生的电位，V。

翁永基[3]等将式(1)级数展开，省略高次项，引入描述电流密度不均匀性的经验常数k，得到距离罐底中心x处电流密度为：

(3)

式中:y为距罐底中心的比例距离，m；i0为罐底中心的电流密度，A/m2；k为经验常数，取30。

李湘怡以式(3)为基础，根据三种恒流电场理论，分别计算三种稳流电场的电位分布，叠加各个电场电位分布，罐底板上流动的电流在罐底板产生的电位太小，可以忽略，当不考虑阳极电位影响时，可以得到阴极保护条件下储罐电位分布解析公式：

(4)

式中：ρ土壤电阻率，Ω·m。

以三种恒流电场的叠加理论为基础，梁宏进一步讨论了单阳极、双阳极、三阳极和四阳极等几种阳极形式的阳极电位分布，得出单阳极形式下罐底板电位分布的不均匀程度比其他三种形式下大。耿晓梅也利用了三种稳流电场理论建立了站库追加阴极保护系统的设计计算模型，并利用序列二次规划方法优化了阳极位置，使被保护区域在最小的阳极电流情况下得到保护。

杜艳霞[4]改进了式(1)，引入电流密度修正系数，采用灰色关联法确定了阳极埋深、数量、罐底板直径是影响的主要因素，得到距离罐底中心x处电流密度为：

(5)

式中：δ为电流密度修正系数，无量纲。

根据电场叠加理论，应用电磁学基本原理和储罐底板阴极保护系统的几何特征，推导了罐旁单侧布置深井阳极和罐周围对称布置两口深井阳极情况下储罐底板外侧阴极保护电位分布的解析公式。根据数值模拟结果，数据拟合得到了与阳极埋深、数量、罐底板直径的关系式。

储罐底板阴极保护电位分布解析公式基本都是采用三种恒流电场理论，未考虑储罐底板的非线性极化特性。同时解析公式受到阳极的布置方式和阳极数量的限制，对罐旁单侧深井阳极阴极保护电位分布的研究较多，其它复杂阳极形式下的储罐底板阴极保护电位分布研究较少。

2.2 电位数值模拟技术研究

随着电化学技术和计算机技术的快速发展，为人们获取储罐底板阴极保护电位的分布提供了有效的途径，人们尝试采用数值计算的方法来获取被保护体表面的电位分布。20世纪80年代，国外已有学者开始利用计算机技术进行阴极保护设计工作。如今人们可以利用现成的计算程序软件包如FLUENT，ANSYS和MATLAB进行数值计算，节省编制复杂程序的时间。

2.2.1 数学模型

(1)控制方程

基于恒电流理论，对深井阳极储罐底板电位分布公式进行了推导，推导得到Poisson方程为电位的控制方程，根据实际状况，以研究区域绝缘面电流为零，无穷远处电位为零，实验室实测的极化曲线为储罐底板外侧阴极保护电位分布问题的边界条件，建立了储罐底板阴极保护电位分布数学模型。

(6)

当所研究的恒定电场中存在恒定的点源，电位分布满足Poisson方程，在给定边界条件时，可通过求解该方程可以得到电位的分布。

(2)边界条件

根据储罐底板阴极保护电位分布的物理模型，所研究的区域为Ω，被表面Γ所包围，总边界Γ包括：无限大地面表面边界Γd、储罐底板外表面边界Γc、虚设半无限域土壤球冠边界Γ∞。

地表面边界Γd与大气相接触，外加阴极保护电流只能在土壤介质中流动，不能流入大气，因此可以把地表面当作绝缘面，其边界条件满足：

(7)

可以忽略阳极对无限大土壤表面的影响，所以在无穷远处表面的电流密度也为零，即满足以下边界条件：

(8)

阴极的边界条件采用描述电流密度和电位之间函数关系的极化函数来定义：

J=f(φ-φeq)

(10)

式中：φ为储罐底板施加阴极保护后的极化电位值；φeq为储罐底板在土壤环境中的自腐蚀电位，f(φ-φeq)为阴极极化函数。

随着电化学技术的发展，人们开始认识到极化电位和电流密度有关，人们可以通过电化学实验测得描述这种关系的阴极极化曲线。Ashworth提出建立正确的极化模型将直接影响到整个阴极保护模型的准确性。葛艾天根据Butler-Volmer极化动力学原理，考虑阳极极化过程由活化极化控制，阴极极化过程由活化极化和浓差极化混合控制，推导出了对于管道和钢质管件采用的阴极边界条件。蒋卡克采用BEASY边界元数值模拟软件计算了实际工程中，外加电流阴极保护系统中，辅助阳极采用恒电流密度与阳极极化曲线作为边界条件模拟误差对比分析。

一般阴极电位和电流密度的关系是非线性的，其模拟处理直接影响计算结果的精度和计算的时间，常采用的是三种方法：一是公式法，Danson认为电位和电流密度之间存在类似塔菲尔方程的关系；二是Newton-Raphson迭代法，该方法是将非线性拟合得到的函数用泰勒级数展开，只取展开项的前两项作为函数的近似值；三是分选线性拟合方法，将实测极化曲线分为若干段，每一段都进行线性拟合，分段线性拟合对拟合实验测得的极化曲线有非常好的灵活性。

2.2.2 数值模拟技术应用现状

可用包含边界条件的数学物理方程来描述阴极保护场域的数学模型，通过数值计算方法求解偏微分方程，用网格离散连续场域，包含边界的微分方程被含有限未知数的代数方程组所代替，通过求解代数方程组得到未知节点上的函数值大小。目前应用于腐蚀场的数值计算方法主要包括有限差分法、有限元法和边界元法。

邱枫[5]等运用有限元法，利用计算机编写了程序，计算了储罐底板外侧阴极保护时的电位和电流分布，讨论了土壤电阻率、储罐底板涂层、阳极距储罐近阳极点的距离、阳极极化值、阳极的数量和布置方式等多种因素对电位分布的影响。

马伟平[6]等从阴极保护数学模型控制方程和热流体能量方程相似性入手，把恒定电场问题推广到研究热流场。讨论如何设定储罐底板、计算区域边缘和辅助阳极的边界条件，利用两种电流密度分布假设，对深井阳极储罐底板的阴极保护进行了数值模拟。

杜艳霞[7]考虑阴极条件由活化极化和浓差极化混合控制，改进了储罐底板外侧阴极保护电位分布数学模型，利用国际上流行的软件包FLUENT模拟计算了储罐底板外侧的阴极保护电位分布，与室内建立的实验模拟装置测量结果对比分析，模拟数据和实验数据比较吻合，验证了求解方法的准确性。进一步考察了实际生产中常用的六种阳极埋设方式储罐底板阴极保护电位分布规律以及保护效果进行了对比分析。并考察了土壤电阻率、储罐底板直径、接触介质性质、阳极埋深和数量、与储罐水平距离等因素对电位分布的影响。

齐建涛[8]等采用了边界元方法对储罐罐底水相区的阴极保护进行了数值模拟和仿真，通过调整外层阳极的数量和阳极布置的位置来对阴极保护系统进行了优化，提高了侧壁的保护效果，改善了储罐底板上的过保护问题，使水相区电位和电流密度分布也更加均匀。

张丰[9]等采用阴极保护领域应用比较广泛的BEASYCP软件对深井阳极和近网状阳极对储罐底板电位分布进行分析，通过电化学实验测得A3钢在土壤溶液、土壤、干燥沥青砂和含水沥青砂中的极化曲线。

夏宗春[10]采用边界元法计算了罐底板外侧阴极保护电位分布，讨论了多种影响电位分布的因素，包括土壤电阻率大小，储罐罐底板外侧的表面状态，阳极的数量和分布情况等。

国内外对埋地管道电位分布数值模拟的文献较多，由于受阳极布置方式、储罐底板非线性极化特性等因素影响，对深井阳极罐底板电位分布进行数值模拟的文献相对较少。随着电化学技术和计算机技术的发展，采用数值计算方法具有显著的优势，能够更准确、高效地计算储罐底板的电位分布，研究阳极设置参数、罐底板直径和土壤电阻率对电位分布的影响，也成为国内外研究的热点。

3 结论和建议

(1)强制电流阴极保护技术是防止储罐底板外侧腐蚀的有效手段，目前大型储罐的阴极保护技术虽然得到了大规模的推广应用，但是不够完善。

(2)由于受介质分布不均匀、阳极布置方式、储罐底板非线性极化特性等因素影响，储罐底板阴极保护电位分布解析方法方面的研究十分困难。

(3)采用数值计算的方法来获取被保护体表面的电位分布。相对于传统设计方法，计算机技术可以高效、准确地判断储罐底板阴极保护的效果。

[1] 马伟平, 张国忠. 区域性阴极保护技术研究进展[J]. 油气储运, 2005, 24( 9): 38-42.

[2] 李相怡, 翁永基. 阴极保护电位分布数学模型的研究及其应用[J]. 腐蚀科学与防护技术, 1998, 10(2): 64-69.

[3] 翁永基. 阴极保护设计中的模型研究及其应用[J]. 腐蚀科学与防护技术, 1999, 11(2): 99-110.

[4] 杜艳霞. 金属储罐底板外侧阴极保护电位分布规律研究[D]. 青岛：中国石油大学(华东), 2007.

[5] 邱枫, 徐乃欣. 钢质贮罐底板外侧阴极保护时的电位分布[J]. 中国腐蚀与防护学报, 1996, 16(1): 29-36.

[6] 马伟平, 张国忠, 梁昌华，等. 两点法电位检测储罐底板阴极保护效果评价[J]. 油气储运, 2005, 24(4): 40-42.

[7] 杜艳霞, 张国忠. 储罐底板外侧阴极保护电位分布的数值模拟[J]. 中国腐蚀与防护学报, 2006, 26(6): 346-349.

[8] 齐建涛, 李焰. 海运石脑油储罐水相区阴极保护电场的数值模拟[J]. 海洋科学, 2012, 36(11): 79-80.

[9] 张丰, 陈洪源, 李国栋，等. 数值模拟在管道和站场阴极保护中的应用[J]. 油气储运, 2011, 30(3): 208-211.

[10] 夏宗春. 地面钢质贮罐底板外侧阴极保护电位分布计算[D]. 大连：大连理工大学, 2000.

(编辑 张向阳)

Overview and Development of Tank Bottom Cathodic Protection Technology

WangDong

(LinpanOilProductionPlantofShengliOilField,Dezhou251508,China)

At present, cathodic protection is the most effective and economic anti-corrosion measure for the internal and external sides of bottom plates. Whether the tank bottom plate has been effectively protected or not can be determined according to the measured electric potential parameters. Protection potential is an important parameter to adjust the operation of cathodic protection system. When it is difficult to get the protective electric potential of the tank center bottom and it is important to protect the tank center bottom plate, it is necessary to establish mathematical model of cathodic protection to get the electric potential distribution of the whole bottom plate by using numerical simulation based upon numerical calculation theory for cathodic protection electric potential. It is very significant for improving effectiveness of cathodic protection and extending the service life of tanks in the station.

tank bottom plate, cathodic protection, potential distribution, boundary element method

2016-01-06；修改稿收到日期：2016-02-25。

王东(1988-)，硕士，胜利油田临盘采油厂压气一站主要从事腐蚀与安全方面研究。E-mail:shengli_2006@163.com