基于深井陽極陰極保護技術的儲罐等級研究

(1. 中國石油天然氣股份有限公司管道丹東輸油氣分公司，遼寧 丹東 118001；2. 四川石油天然氣建設工程有限責任公司，四川 成都 610213；3. 中國石油天然氣股份有限公司管道濟南輸油分公司，山東 濟南 250101；4. 中國石油西部管道公司塔里木輸油氣分公司，新疆 庫爾勒 841000)

基于深井陽極陰極保護技術的儲罐等級研究

范 青1鄧潛林2李 彬3陳翠翠4

(1. 中國石油天然氣股份有限公司管道丹東輸油氣分公司，遼寧 丹東 118001；2. 四川石油天然氣建設工程有限責任公司，四川 成都 610213；3. 中國石油天然氣股份有限公司管道濟南輸油分公司，山東 濟南 250101；4. 中國石油西部管道公司塔里木輸油氣分公司，新疆 庫爾勒 841000)

針對以往深井陽極對儲罐底板陰極保護數值模擬中存在的缺陷：金屬構件極化曲線試驗限定條件不同導致電位計算系統誤差；沒有考慮計算區域環境介質的不連續性，本文提出一種根據典型電流密度分布假設求解保護電位的方法：計算區域由土壤和瀝青砂基礎構成，根據陰極保護體系物理模型近似計算深井陽極極化電位。數值結果與現場實測電位數據對比驗證了數值方法的可靠性，研究了單支深井陽極完全有效保護的臨界儲罐直徑(等于56米)。

深井陽極 陰極保護 電位 儲罐

0 引言

國內外陰極保護工程廣泛應用了深井陽極對儲罐底板陰極保護技術，深井陽極接地電阻小而穩定，占地少，減少甚至可以避免可能存在的干擾和屏蔽現象，適用大中型儲罐施加陰極保護系統。但對于直徑超過60米的特大型儲罐[1]，應用深井陽極技術儲罐底板各處能否達到有效保護電位還有待于進一步工程實踐。

應用深井陽極技術必須有合適的地質結構和地層條件，受地下水文條件制約，設計施工存在一定的限制和難度，一旦建成調整非常困難，從施工和經濟方面考慮使用單陽極是最實用的，因此研究單支深井陽極完全有效保護的臨界儲罐直徑是具有實際意義的。

使用有限元、有限差分、邊界元等數值方法是研究陰極保護體系電位分布問題的發展方向[2]，本文提出一種根據典型電流密度分布假設求解保護電位的方法，研究了單支深井陽極完全有效保護的臨界儲罐直徑。

1 數學模型

穩態分布型陰極保護體系電位分布滿足Laplace方程[3]，

式中S1陽極表面，S2被保護金屬表面，σ計算區域環境介質電導率，)(φf被保護金屬表面電流密度。

2 邊界條件

2.1 深井陽極極化電位

目前對高硅鑄鐵深井陽極導電機理尚不清楚[4]，理論上定量確定深井陽極極化電位是很困難的，陰極保護工程根據土壤參數變化(主要是降雨和地下水造成土壤電阻率減小)和給定電壓(匯流點電位)不斷調整恒電位儀輸出電壓使陰極保護體系處于規定電位范圍之內，深井陽極極化電位是動態變化的，陰極保護體系屬于準靜態平衡體系，鑒于此本文根據陰極保護體系物理模型近似計算深井陽極極化電位[4]，

式中U實際恒電位儀輸出電壓V，0I所需保護電流A，R深井陽極接地電阻?，wR深井陽極電纜電阻?，ξ焦炭回填料反電動勢2V，以上參數可由儲罐陰極保護系統參數計算。

2.2 計算區域邊緣電位梯度

距離深井陽極較遠時，電位變化很小(等于金屬在土壤中的自然腐蝕電位，受深井陽極影響很小)，計算區域邊緣電位梯度等于零，

2.3 儲罐底板電流密度

第二類邊界條件)(φf為陰極表面電位等于φ對應的電流密度，金屬構件)(φf與φ的極化曲線需由試驗[5]測出，極化曲線試驗受很多限定條件(金屬材質、電解液濃度、測試時間長短等)的影響，限定條件不同極化曲線擬和方程也不同，這將導致電位計算系統誤差。本文提出一種根據典型電流密度分布假設求解保護電位的方法：文獻[6]根據經典靜電學原理推導出無限大空間帶電圓盤電流密度i分布公式，

式中i圓盤導體距圓心a處的電流密度mA/m2，a該點距圓盤中心距離m，r圓盤半徑m，I總電流A。

3 參數選取

3.1 計算區域環境介質

罐底板與以瀝青砂為主要構造的基礎接觸，基礎與土壤物性參數(電阻率、密度等)相差很大，以往數值模擬研究中假定土壤均勻、各向同性[2][5]，沒有考慮計算區域環境介質的不連續性，這給模擬結果帶來了誤差，需加以改進。本文計算區域環境介質由土壤和瀝青砂基礎構成，土壤電阻率5?·m，瀝青砂基礎電阻率200?·m[7]，土壤和金屬材料參數見表1。

表1 土壤和金屬材料參數

3.2 假設條件

計算區域分成土壤介質和瀝青砂基礎兩部分，單獨區域中是均勻、各向同性的；金屬表面狀態和保護電位不隨時間變化；不考慮雜散電流影響；深井陽極表面是等電位面，不考慮陽極極化。

3.3 陰極保護參數[4]

金屬自然腐蝕電位：-0.55V，允許的陰極保護電位最小值:-0.85V，允許的陰極保護電位最大值:-1.2V，儲罐底板平均電流密度：6mA/m2。

表2 數值結果和實測電位數據對比

4 實例驗證

4.1 計算實例Ⅰ

文獻[8]提供了使用多孔PVC參比電極測量實際罐底板保護電位分布數據，儲罐直徑36m，罐邊緣到罐中心徑向方向等距測量13個點，si≈6mA/m2，深井陽極距離儲罐較遠，具體數據不詳，考慮到以往陰極保護工程經驗和設計規范以及計算時間和精度，深井陽極距儲罐邊緣近端設為52m，埋深30m，長度15m。數值結果與實測電位數據對比見表2。

4.2 結果分析

大部分數值結果與電位實測數據相差不大，相對誤差小于6%，其中深井陽極距儲罐邊緣近端區域內(0~3.0m)電位結果相差較大，這主要是兩方面原因造成的：

(1) 陰極保護電位準則范圍不同，一些情況下(硫酸鹽性或還原性細菌土壤中)，工程實際最大陰極保護電位允許達到-1.5V，本文陰極保護電位范圍-0.85V~-1.2V；

(2) 工程實際深井陽極極化電位是動態變化的，本文根據陰極保護系統參數近似計算深井陽極極化電位(等于常數)，計算結果必然存在一定誤差。

4.3 結論

剔除影響因素(陰極保護電位準則范圍不同、深井陽極極化電位動態變化)的干擾，數值結果與實測電位數據對比結果驗證了深井陽極對儲罐底板陰極保護體系數值模擬的可靠性。

5 單支深井陽極完全有效保護的臨界儲罐直徑

5.1 計算示例Ⅱ

圖1 單個儲罐和單支深井陽極示意圖

單個儲罐MN和單支深井陽極B，罐底板厚度6mm，深井陽極規格型號(由15組單支深井陽極連接而成)，深井陽極距儲罐邊緣近端BN30m，埋深40m，見圖1。研究單支深井陽極對直徑40~66m儲罐陰極保護時水平軸線保護電位分布規律，見圖2(a)和(b)。

方便起見，定義儲罐底板保護電位差最大值η，由圖2可知η在水平軸線上由保護電位最小值(水平軸線某點)與保護電位最大值(近陽極端點N)相減得到，

恒電位儀輸出功率P，

式中U恒電位儀輸出電壓V，I所需保護電流A。

η與儲罐直徑關系曲線見圖3，恒電位儀輸出功率與儲罐直徑關系曲線見圖4。

圖2

5.2 結果分析

由圖2可知直徑56m儲罐保護電位最大值和最小值已經非常接近陰極保護電位范圍(-0.85V~-1.2V)，考慮到實際陰極保護工程中存在調節余量，56m為單支深井陽極完全有效保護的臨界儲罐直徑，直徑大于56m保護電位已經超出了陰極保電位允許范圍。由圖3可知η最大值與儲罐直徑近似成線性關系，直徑56m處為曲線的拐點，直徑大于56m保護電位差η最大值隨儲罐直徑增加有較大幅度的增加。由圖4可知，儲罐直徑直徑大于56m，恒電位儀輸出功率增加幅度逐漸變大。

圖3 η與儲罐直徑關系曲線

圖4 恒電位儀輸出功率與儲罐直徑關系曲線

5.3 結論

(1) 采用單支深井陽極對儲罐底板陰極保護時，儲罐直徑需小于56米，合理布置儲罐和深井陽極位置與埋深，適當調節恒電位儀輸出電壓，儲罐底板近陽極點、遠陽極點、中心部位保護電位可以到到保護要求。

(2) 單支深井陽極完全有效保護的臨界儲罐直徑是56米，儲罐直徑大于56米，儲罐底板保護電位差最大值和恒電位儀輸出功率會有較大幅度的增加，這進一步補充了文獻[1]關于深井陽極可有效保護儲罐直徑范圍的觀點。

6 結束語

考慮到計算時間和計算精度，本文研究了單只深井陽極對單個儲罐底板陰極保護的情形，儲罐個數增加時，儲罐邊界之間的相互干擾需要考慮，對包含復雜構件(離心泵、工藝管網、加熱爐等)和較多數目儲罐的復雜區域性陰極保護體系進行數值模擬還需要進一步深入研究。

[1] 陳學江, 康京梅.儲油罐的幾種陰極保護方法.天然氣與石油, 2001, 19(1):31-33.

[2] 翁永基.陰極保護設計中的模型研究及其應用. 腐蝕科學與防護技術, 1999, 11(2)：99-111.

[3] 邱楓, 徐乃欣.鋼質儲罐底板外側陰極保護時的電位分布.中國腐蝕與防護學報, 1996, 16(2):29-35.

[4] 胡士信.陰極保護工程手冊, 北京：化學工業出版社, 1998, 12：112, 122-126, 56-58.

[5] 梁旭巍, 吳中元.油田區域性陰極保護計算機輔助優化設計研究.天津紡織工學院學報, 1998, 17(5):90-95.

[6] 俞蓉蓉, 蔡志章.地下金屬管道的腐蝕與防護, 北京：石油工業出版社, 1998, 7: 223.

[7] 李章亞, 張清玉.油氣田腐蝕與防護技術手冊(上冊), 北京：石油工業出版社, 1999, 6: 180.

[8] Kevin C.Garrity, Michael Urbas. Cathodic Protection of External Tank Bottoms. Materrials Performance, 1988, 27(4): 32-35.

Research on Tank Scale Based on Cathodic Protection Technology Using Deep Well Anode

FAN Qing1, DENG Qian-lin2, LI Bin3, CHEN Cui-cui4
(1. Dandong Sub-Company of PetroChina Pipeline Company, Dandong 118001, China; 2. Sichuan Petroleum Construction Engineering Co., Ltd., Chengdu 610213, China; 3. Jinan Sub-Company of PetroChina Pipeline Company, Jinan 250101, China; 4. Talimu Sub-Company of PetroChina West Pipeline Company, Kuerle 841000, China)

In allusion to the prevenient default in tank bottom cathodic protection numerical simulation using deep well anode, neglecting the inconsecutiveness of the calculation environmental medium, the distinctness of the restriction conditions in metal material polarized potential curve experiment resulted in potential calculation system error, the paper put forward a new calculation procedure of solving protection potential based on one typical current density distribution hypothesis, the soil and the bitumensand groundwork composed the calculation environmental medium, approximately calculating polarized potential of the deep well anode based on the cathodic protection physical model. This paper compared the fi eld testing data with numerical result, proved the reliability of numerical method, studied the critical diameter tank which single deep well anode can absolutely and effectively protect(equal to 56m).

deep well anode; cathodic protection; protection potential; tank

TG174.41

A< class="emphasis_bold">文章編號：1008-7818(2014)03-0067-04

1008-7818(2014)03-0067-04

范青 (1983－) , 河北保定人，工程師，學士，河北保定人，現主要從事設備維修及管道維搶修工作。