孫佳妮

(中國石油化工股份有限公司西北油田分公司油氣運(yùn)銷部,新疆 輪臺 841600)

金屬儲罐底板外壁的陰極保護(hù)可有效保護(hù)外壁免受腐蝕影響,延長儲罐的服役壽命,防止儲罐泄漏造成的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染,具有一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益[1]。

底板外壁的陰極保護(hù)電位分布是衡量陰極保護(hù)效果的一項(xiàng)重要指標(biāo),罐底板圓形區(qū)域的電流分布不均勻,非均勻的電流分布破壞了保護(hù)電流向儲罐底板中心的傳輸,造成罐底中心欠保護(hù)。Smyrl和Newman提出了一個在遠(yuǎn)陽極保護(hù)下、無過保護(hù)時確定可保護(hù)儲罐最大尺寸的標(biāo)準(zhǔn)和最大保護(hù)半徑公式。

梁宏等[2]利用電場疊加理論,計(jì)算出了儲罐底板電位不均勻性的最大值,并推導(dǎo)了計(jì)算公式,指出陰極電場是影響儲罐底板電位不均勻的主要因素。另一方面,站場內(nèi)管道、通信、電氣等系統(tǒng)聯(lián)合接地作為一種經(jīng)濟(jì)有效的接地防護(hù)措施已在國內(nèi)外得到了廣泛使用[3]。針對復(fù)雜油氣站場的區(qū)域性陰極保護(hù),其保護(hù)對象數(shù)量繁多,不同接地材料的電化學(xué)性能[4-5]與埋地管道、儲罐等存在差異,對陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響。接地系統(tǒng)導(dǎo)致陰極保護(hù)系統(tǒng)異常及誘發(fā)埋地設(shè)施腐蝕的案例[6-8],許多國家均有報(bào)道。

近年來,使用數(shù)值模擬計(jì)算方法研究陰極保護(hù)體系的電位和電流分布成為陰極保護(hù)技術(shù)發(fā)展的新方向,有限元法[9-10]、有限差分法、邊界元法等多種方法已成功應(yīng)用于陰極保護(hù)問題的數(shù)值模擬計(jì)算中,具有預(yù)知保護(hù)效果、理論依據(jù)強(qiáng)、消除或屏蔽干擾等優(yōu)勢。

該文針對某站庫內(nèi)管線和儲罐底板欠保護(hù)狀況,評估現(xiàn)有陰極保護(hù)系統(tǒng)問題,優(yōu)化陰極保護(hù)系統(tǒng),計(jì)算分析不同陽極形式對儲罐底板陰極保護(hù)系統(tǒng)的影響,給出合理化建議。

1 現(xiàn)場測試及模擬條件確定

1.1 陰極保護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)場測試

某站庫現(xiàn)有6座大型儲罐,其中1—4號儲罐由圍繞在周邊的20支淺埋陽極提供保護(hù);5—6號儲罐由底板正下方的MMO網(wǎng)狀陽極提供保護(hù)。另有線性陽極和淺埋陽極若干,保護(hù)站內(nèi)埋地管線站內(nèi)接地采用銅接地。站內(nèi)現(xiàn)有8套陰極保護(hù)系統(tǒng),見表1。

表1 某站庫陰極保護(hù)系統(tǒng)簡介

測試各陰極保護(hù)系統(tǒng)的陽極接地電阻、長效參比電極、絕緣接頭等,性能良好。在站內(nèi)典型位置測試極化電位,典型位置如圖1所示,數(shù)據(jù)見表2。

圖1 某站庫陰極保護(hù)電位測試位置

表2 某站庫陰極保護(hù)電位測試數(shù)據(jù)

由測試結(jié)果可知,16處測試位置中電位達(dá)標(biāo)的有12處,其中1—4號罐區(qū)及工藝區(qū)域管線陰極保護(hù)效果較好,滿足標(biāo)準(zhǔn)[11]要求;5—6號罐區(qū)及消防泡沫管線陰極保護(hù)水平較差。

1.2 三維模型建立和網(wǎng)格劃分

根據(jù)某站庫管線、接地安裝圖紙和儲罐設(shè)計(jì)資料,結(jié)合現(xiàn)場勘探結(jié)果,利用BEASY[12]軟件GID模塊進(jìn)行三維模型繪制,并對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,得到某站庫各區(qū)域模型及總模型,如圖2、圖3所示。

圖2 某站庫各區(qū)域模型

圖3 某站庫埋地金屬結(jié)構(gòu)模型和網(wǎng)格劃分

1.3 邊界條件確定

采用現(xiàn)場饋電試驗(yàn)確定邊界條件。針對網(wǎng)狀陽極及淺埋陽極系統(tǒng)分別進(jìn)行現(xiàn)場饋電試驗(yàn),過程如下:

(1)選取1號罐、4號罐、5號罐、6號罐、工藝區(qū)管網(wǎng)等5處位置進(jìn)行測試;

(2)針對一個區(qū)域進(jìn)行饋電試驗(yàn)時,僅開啟該區(qū)域的恒電位儀,以恒電流模式運(yùn)行,關(guān)閉其他恒電位儀;

(3)調(diào)整恒電位儀以不同電流輸出,對被保護(hù)對象進(jìn)行極化,極化時間至少2 h;

(4)等比例調(diào)整增大恒電位儀輸出電流,至保護(hù)對象電位達(dá)到保護(hù)準(zhǔn)則要求或者恒電位儀輸出達(dá)到額定輸出的70%;

(5)待被保護(hù)對象極化穩(wěn)定后,利用瞬間斷電法測試不同位置的通、斷電電位并記錄。

將不同結(jié)構(gòu)饋電試驗(yàn)結(jié)果帶入模型計(jì)算,對比計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場測試的斷電電位,結(jié)果如圖4所示,誤差均小于3%。表明可以采用饋電試驗(yàn)結(jié)果作為后續(xù)模擬計(jì)算的邊界條件。

圖4 計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場測試結(jié)果比對

2 陰極保護(hù)系統(tǒng)現(xiàn)狀評估

2.1 現(xiàn)有陰極保護(hù)效果評估

利用已經(jīng)確定的三維幾何模型和邊界條件,采用BEASY軟件進(jìn)行計(jì)算,不同區(qū)域管線和儲罐的電位分布如圖5所示。

圖5 現(xiàn)有陰極保護(hù)效果評估

由圖5可知,管線整體陰極保護(hù)水平明顯優(yōu)于儲罐底板,但罐右側(cè)的消防、泡沫管線由于受到銅接地的影響,陰極保護(hù)水平也相對較差。5—6號罐區(qū)及消防、泡沫管線陰極保護(hù)系統(tǒng)輸出電流仍有較大提升空間,可通過增大輸出電流提升陰極保護(hù)水平。

因此,銅接地和恒電位儀輸出電流較小是因?yàn)橄?、泡沫管線及5—6號罐區(qū)極化電位測試中電位較低。

2.2 初步調(diào)整后保護(hù)效果評估

調(diào)整現(xiàn)有陰極保護(hù)系統(tǒng)輸出:將罐區(qū)及消防、泡沫管線陰極保護(hù)系統(tǒng)均調(diào)至恒流輸出,輸出電流均設(shè)置為額定輸出的70%;工藝區(qū)管線陰極保護(hù)系統(tǒng)輸出保持不變,總輸出電流為315 A。

初步調(diào)整后保護(hù)效果如圖6所示。由圖6可知,當(dāng)站內(nèi)陰極保護(hù)系統(tǒng)輸出達(dá)到額定輸出的70%時,仍有部分管線以及大部分儲罐底板不滿足保護(hù)準(zhǔn)則要求。

圖6 初步調(diào)整后保護(hù)效果評估

2.3 存在問題

根據(jù)現(xiàn)場測試和模擬計(jì)算結(jié)果,總結(jié)出某站庫陰極保護(hù)系統(tǒng)主要存在以下3個問題:

(1)部分管線因輔助陽極不足,導(dǎo)致欠保護(hù);

(2)接地附近的管線存在屏蔽電流的問題;

(3)罐底陽極布置不合理,導(dǎo)致輸出電流較大,儲罐底板欠保護(hù)。

3 陰極保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 在欠保護(hù)位置增設(shè)淺埋陽極

針對因輔助陽極不足導(dǎo)致部分管線欠保護(hù)的問題,需在部分區(qū)域增設(shè)淺埋陽極。此時不考慮儲罐,僅考慮管線和接地。通過調(diào)整恒電位儀的輸出電流、增加和優(yōu)化淺埋陽極數(shù)量及位置,經(jīng)多次模擬計(jì)算,最終的優(yōu)化方案為在罐區(qū)新增淺埋陽極23支,將工藝區(qū)淺埋陽極優(yōu)化至19支,位置及數(shù)量如圖7所示。由圖7中的電位分布可知,優(yōu)化后,管線整體保護(hù)效果良好。此時陰極保護(hù)系統(tǒng)總輸出電流為82 A,各系統(tǒng)輸出電流見表3。

圖7 增設(shè)淺埋陽極后的電位分布

表3 增設(shè)淺埋陽極后的輸出電流

3.2 接地絕緣或采用負(fù)電性接地材料

由于站場內(nèi)現(xiàn)有接地材料為銅包鋼,電位較正,吸收大量陰極保護(hù)電流,對附近管線造成屏蔽。為解決這一問題,需對接地材料進(jìn)行處理或更換為其他電位較負(fù)的材料。

搭建試驗(yàn)場,開展不同接地材料對陰極保護(hù)系統(tǒng)的影響試驗(yàn),材料包括鋅包鋼、銅包鋼及SWL-M低電阻模塊。

將恒電位儀輸出設(shè)定為恒電流模式,更換不同的接地材料,記錄管道陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)電位的變化情況,如圖8所示。

圖8 不同接地材料試驗(yàn)結(jié)果

由圖8可知,當(dāng)接地材料為鋅包鋼時,電源輸出較小的電流就可使管道保護(hù)電位達(dá)到-1.0 VCSE左右;而SWL-M低電阻模塊、銅包鋼接地材料會降低管道的保護(hù)電位。

由試驗(yàn)結(jié)果可知,鋅包鋼接地材料對陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生有益影響,而銅包鋼、SWL-M低電阻模塊接地材料對陰極保護(hù)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響。

分別對銅接地、接地絕緣、鋅接地3種方式進(jìn)行模擬計(jì)算,得出不同接地方式下的電流分配及電位分布情況,不同接地方式下電流分配情況見表4,不同接地方式下的電位分布如圖9所示。

圖9 不同接地方式下的電位分布

表4 不同接地方式下電流分配比較

由模擬計(jì)算結(jié)果可知,針對1—4號儲罐陰極保護(hù)系統(tǒng),若采用原有的銅接地方式,只有15.72%的電流流入儲罐底板,造成儲罐欠保護(hù);若將接地絕緣處理,流入儲罐底板的電流增大到30.15%,雖然儲罐底板保護(hù)依然欠佳,但滿足100 mV極化準(zhǔn)則;若采用鋅接地方式,總輸出電流降低的同時可滿足100 mV極化準(zhǔn)則,此時流入儲罐底板的電流增大到30.74%,無電流流入接地系統(tǒng),儲罐得到的電流量與接地絕緣時接近。

3.3 儲罐底板采用其他陽極形式保護(hù)

由模擬計(jì)算結(jié)果可知,針對1—4號儲罐陰極保護(hù)系統(tǒng),由于輔助陽極布置不合理,儲罐周邊的管線、接地和底板外緣均會屏蔽淺埋陽極的電流,造成底板中心得到的電流很少,保護(hù)效果不佳。下面分別采用網(wǎng)狀陽極、淺埋陽極、深井陽極這三種形式保護(hù)儲罐底板,比較電流分配情況,見表5。

表5 儲罐不同陽極形式下的電流分配

由表5可知,采用網(wǎng)狀陽極,電流基本沒有流失,均用于保護(hù)儲罐底板;采用淺埋陽極,39%左右的電流流入儲罐底板,其他電流則流入周邊的管線,導(dǎo)致底板中心欠保護(hù);采用深井陽極,只有18.5%的電流流入底板,底板基本得不到保護(hù)。具體電位分布如圖10所示,僅網(wǎng)狀陽極保護(hù)下電位符合標(biāo)準(zhǔn)要求[13]。

圖10 不同陽極形式下儲罐底板的電位分布

4 結(jié) 論

(1)在罐區(qū)新增23支淺埋陽極,將工藝區(qū)淺埋陽極優(yōu)化至19支并調(diào)整局部位置,可解決部分管線欠保護(hù)問題,提升管線整體保護(hù)水平。

(2) 將接地材料由銅包鋼更換為鋅包鋼,可降低站庫區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)總體電流需求量,同時可使儲罐底板陰極保護(hù)系統(tǒng)滿足100 mV極化準(zhǔn)則要求。

(3)罐底板采用MMO網(wǎng)狀陽極,保護(hù)底板的電流幾乎無流失,保護(hù)效果最好,且站庫區(qū)域陰極保護(hù)系統(tǒng)整體電流需求量最小。所以,對于新建儲罐,應(yīng)盡量將陽極布置在儲罐底板下方。