钢质原油储罐底板外壁的阴极保护

李佳润李言涛孙虎元王传兴钱洲亥侯保荣

(1.中国科学院海洋研究所,山东青岛266071;2.中国科学院大学,北京100049; 3.国网浙江省电力公司电力科学研究院,浙江杭州310006)

钢质原油储罐底板外壁的阴极保护

李佳润1,2,李言涛1,孙虎元1,王传兴1,钱洲亥3,侯保荣1

(1.中国科学院海洋研究所,山东青岛266071;2.中国科学院大学,北京100049; 3.国网浙江省电力公司电力科学研究院,浙江杭州310006)

以单台100 000 m3原油储罐为对象,从设计过程、施工流程、测试结果分析等多方面系统介绍了原油储罐外壁强制电流近阳极地床阴极保护工程。在合理选择参数的情况下,通过计算提出阴极保护技术方案,并与国标推荐做法进行了对比。投入运行后,对阴极保护系统进行了通电和瞬断电位测试,发现罐底板电位均处于保护范围内,说明阴极保护系统有效运行。运行1年后,阴极保护系统存在输出电流增大,回路电阻减小的情况,这是由涂层破损,介质腐蚀性提高协同作用引起的。

阴极保护; 原油储罐; 强制电流; 腐蚀; 混合金属氧化物阳极

原油储罐是石油化工行业最重要的设备之一,有设计寿命长,施工成本高,维护工作复杂的特点。储罐设备运行的好坏直接关系到石油化工的生产效率和安全[1-3]。除自然灾害和火灾风险以外,储罐最容易受到由腐蚀问题引起的泄漏,严重时甚至发生爆炸[4-5]。储罐的腐蚀主要分为储罐外壁的大气腐蚀,罐内底板的沉积水腐蚀以及罐底板外壁与沥青砂接触的界面腐蚀[1,4,6]。储罐外壁的大气腐蚀主要通过涂层隔绝的方法,由于腐蚀暴露于罐体表面,较容易及早发现,通过定期的补涂即可解决。罐底板沉积水的腐蚀较为隐蔽,通常采用涂层和阴极保护联用的方式进行防护。考虑到储罐内的特殊工况,强制电流法存在一定的安全隐患,一般采用牺牲阳极的方法进行阴极极化[6-9]。

储罐底板的外腐蚀主要是由罐底板周围长期浸润的水分引起,结合沥青砂的优良导电性,构成了外腐蚀环境。由于储罐下底板中心和边缘介质密实程度不同导致的氧浓度不均,会形成氧浓差电池,氧气含量低的中心位置作为阳极区遭受腐蚀。另外,在罐底板基材与焊缝之间,由于材料组织结构不同,在腐蚀介质中拥有不同的自然电位,也会造成电偶腐蚀。近年来,为防止因储罐泄漏污染地下水,建设时会在储罐基础内预置一层防渗膜[10],使得浸润水分不能向地下渗透,这就更进一步降低了腐蚀介质的电阻率,导致罐底腐蚀速度加快。

针对罐底板外壁的腐蚀问题,结合相关标准以及实际工程经验,提出了储罐底板外壁阴极保护的设计方案,并应用于海南某原油商业储备基地100 000 m3油罐。根据现场电位测量结果,证明了设计方案合理有效,对储罐阴极保护的设计工作具有一定参考意义。

1 方案设计

1.1 阴极保护设计方案选择

储罐外底板与沥青砂接触,可能遭受含盐、含酸雨水或者含盐地下水的侵蚀,为延长储罐的寿命,保证安全生产,GB/T 50393—2008《钢制石油储罐防腐蚀工程技术规范》中推荐直径大于8 m的储罐使用阴极保护技术,控制其底板外壁的腐蚀。阴极保护可通过牺牲阳极和强制电流两种方法实现。

牺牲阳极法是将被保护金属和一种可以提供阴极保护电流的金属和合金(阳极)相连,使被保护体极化以降低腐蚀速率的方法。在被保护金属与牺牲阳极所形成的耦合电池中,被保护金属体作为阴极而受到保护。牺牲阳极的电位往往负于被保护金属体的电位,在保护电池中是阳极,被腐蚀消耗。常用的牺牲阳极材料主要有镁合金、锌合金、铝合金等。牺牲阳极保护法的主要特点是:适用范围广,尤其适用于中短距离和复杂的管网;阳极输出电流小,发生阴极析氢的可能性小;可随管道安装一起施工,工程量较小;一次安装,几乎不需要后续维护工作[11]。

强制电流保护法是将被保护金属与外接电源负极相连,由外部电源提供保护电流,以降低腐蚀速率的方法。外部电源通过埋地的辅助阳极将保护电流引入地下,以土壤为介质将电流提供给被保护金属,被保护金属受到阴极极化,使腐蚀受到抑制。强制电流保护法的主要组成设备有:恒电位仪、辅助阳极、参比电极。其主要特点是:适用于长输管线、区域性管网和大型储罐的保护;输出电流大,大小可以人工或自动调节;一次性投资相对较小;安装工程量较小,可对在役管道和储罐补加阴极保护,容易实现远程自动化监控。但强制电流设备(恒电位仪)在运行期间需要专门人员维护,运行成本高,稳定性差[]。

以单台100 000 m3浮顶式原油储罐为例,强制电流法保护储罐底板外壁,设计寿命可达30年以上,一次性投入成本(含施工费用)不超过30万元,占储罐建设成本(约1亿元,不含土地征用费)不超过3%。因此,通过技术性和经济性比较,考虑到储罐的工况以及有专人维护的特点,对大型储罐底板外壁应采用投资少、寿命长、工程量小的强制电流阴极保护方式。

1.2 强制电流法阳极地床及辅助阳极的选择

强制电流法辅助阳极的敷设通常采用阳极地床的形式实现。阳极地床可分为深井阳极地床、浅埋阳极地床和近阳极地床[13]。浅埋阳极地床大规模用于长输管线;深井阳极地床主要用于直径较小的储罐罐群或地下结构复杂的管道区域性阴极保护,对在役储罐补加阴极保护也有应用;对于大型新建储罐阴极保护最常用的是近阳极地床,即网状阳极或柔性阳极,这种阳极地床的最大的特点是发生的阳极电流分布均匀,对其它电连接的钢结构相互干扰相对小。本文针以100 000 m3储罐为对象,采用混合金属氧化物网状阳极强制电流阴极保护系统,每一台罐设计一个独立的阴极保护系统。

1.3 计算依据

1.3.1 气候条件 原油储罐地处海南,属热带季风气候,长夏无冬,年平均气温22～26℃。最冷的一、二月份温度仍达16～21℃,年光照为1 750～2 650 h,光照率为50%～60%,光温充足。海南岛入春早,升温快,日温差大,全年无霜冻,冬季温暖。雨量充沛,年平均降雨量为1 639 mm,有明显的多雨季和少雨季。每年的5～10月份是多雨季,总降雨量达1 500 mm左右,占全年总降雨量的70%～90%。1.3.2 基础参数 储罐底板下表面采用强制电流法阴极保护系统,使用年限不少于30年,保护电流密度10 m A/m2;储罐区域为爆炸危险环境2区,电气设备要求不低于ⅡBT4;储罐直径80 m;填沙电阻率ρ=10 000 W·cm;网状阳极埋深距储罐底板下表面350 mm,混合金属氧化物阳极(MMO)额定输出电流17 m A/m,阳极带尺寸6.35 mm×0.635 mm,导电带尺寸12.7 mm×0.9 mm;有效保护期内阴极保护电位为0～0.25 V(相对于高纯锌参比电极);在有效保护期内,被保护体保护度≥90%。1.3.3 100 000 m3储罐MMO阳极实际用量核算

参考国标(GB 50393—2008)《钢制石油储罐防腐蚀工程技术规范》阳极排布间隔计算阳极用量。储罐的阳极带间距为2 m、钛导电带的间距为8 m。利用勾股定理的原理可计算出阳极带及导电带的长度,考虑到施工时合理消耗和弯曲度,取10%备用系数,则可得单台100 000 m3储罐MMO阳极带长度为2 753 m,钛导电带长度为669 m。

实际用量核算:

储罐底板面积:A=πD2/4=5 024 m2

保护电流:I=A×Id=50.24 A

单台储罐计算阳极长度:L=I/i=2 955.3 m

式中,A为保护面积,m2;D为储罐直径,取80 m;I为总保护电流,A;i为额定输出电流,取17 m A/m。

实际核算的长度L=2 955.3 m,大于依据GB/ T50393—2008《钢制石油储罐防腐蚀工程技术规范》中推荐的阳极的间距2 m,导电带的间距8 m,从而计算出阳极的长度。由此可见,国标中规定的排布间距不能满足储罐阴极保护所需电流的要求,为此,本方案中采用了阳极带间距为1.7 m,导电带间距为8 m的敷设方式计算阳极用量。考虑到敷设中的合理损耗以及敷设的弯曲因素,实际敷设时阳极取10%余量。因此,直径80 m储罐混合金属阳极的用量采用3 256 m,导电带的用量为669 m。

阳极接地电阻计算:

式中,R为阳极接地电阻,Ω;ρ为土壤电阻率, Ω·cm;L为阳极长度,m;S为2倍阳极埋深,m;d为阳极当量直径,d=2(W+T)/π,m。

储罐底板接地电阻为:

式中,RT为储罐底板接地电阻,Ω;ρ为土壤电阻率,Ω·cm;D为储罐直径,80 m。

导线电阻(按照600 m计算):

式中,RTC为导线电阻,Ω。

回路总电阻

恒电位仪输出电压:

推荐使用恒电位仪的输出参数为60 V/60 A。

单台100 000 m3储罐强制电流阴极保护材料如表1所示。

表1 单台100 000 m3储罐强制电流阴极保护材料清单Table 1 Materials list of cathodic protection for a single 100 000 m3oil tank

2 阴极保护系统的布置及安装

如前所述,罐底板外壁阴极保护布置如图1所示。为使测量电位结果更具代表性,3个高纯锌参比电极分别布置于距罐边缘1/4、1/3、1/2罐内径位置处[14]。

图1 罐底板外壁阴极保护布置图Fig.1 Layout of cathodic protection for outside wall of bottom plate

图2 罐底板外壁阴极保护施工工艺流程Fig.2 Process flow diagram of cathodic protection for outside wall of bottom plate

3 保护效果测试

阴极保护系统安装投产后,对罐底3处参比电极电位反馈值进行监控。分别测试投产初期和运行1年后的通电电位和瞬断电位,测量结果如表2所示。

表2 储罐外壁阴极保护系统现场电位测量结果Table 2 Potentials of cathodic protection for outside wall of bottom plate

从表2中不难看出,储罐各位置通电,瞬断电位均处于0～0.25 V内,说明罐底板受到有效的阴极保护。投产初期,恒电位仪输出电流较小,而输出电压较大,说明阴极保护系统回路电阻较大,这是由于新投产的储罐,水分还未来得及渗透到罐底板和沥青砂界面处,同时,罐底板外壁初期涂层完好,破损点相对较少也是重要原因之一。从运行1年后的输出电压、电流数据可以发现:达到有效阴极保护电位,输出电流值明显增大,而输出电压却较投产初期降低,这说明随着储罐运行年限的提高,罐底板涂层不断消耗,暴露出更多的金属基体,阴极极化所需电流也不断增大。与此同时,由于水分的渗透,阴极保护系统回路电阻也呈下降趋势。

4 结论

(1)采用强制电流法的近阳极地床对新建大型储罐底板外壁进行阴极保护,是一种行之有效的方法。设计时参考国家、行业标准,结合具体计算以及实际工程经验,可提出合理的阴极保护系统参数。

(2)在罐底均匀敷设MMO网状阳极,有助于输出保护电流的均匀分布,避免欠保护和过保护。在罐底板预置3处参比电极,分别距罐边缘1/4、1/3、1/2罐内径位置处,可有效监控阴极保护效果,并为恒电位仪电位追踪提供反馈。

(3)投产初期,罐底板极化到保护电位所需电位较小,阴极保护体系内阻较大。随着运行时间的推移,由于防腐层破损,介质腐蚀性提高,罐底板所需电流将不断增大。若设计不合理,会超过恒电位仪设计额定电流,这一现象应引起储罐维护管理部门的注意。

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(编辑 闫玉玲)

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投稿网址:http://journal.lnpu.edu.cn

2016-09-06

:2016-12-01

青岛市博士后资助项目(Y4KY14110N);国家电网公司科技项目“海上风电结构和设备防腐技术研究项目”(5211DS150016);中国科学院战略性先导科技专项(A类,XDA13040401)。

李佳润(1984-),男,博士研究生,工程师,从事海洋腐蚀与防护的研究;E-mail:lijiarun@yeah.net。

李言涛(1968-),男,博士,研究员,从事海洋腐蚀检测的研究;E-mail:ytli@qdio.ac.cn。