大罐罐底陰極保護全壽命周期監測技術研究

趙常英 秦海燕 朱加祥 滕 彧

中國石油工程建設有限公司華北分公司, 河北 任丘 062552

0 前言

自2004年以來,國家石油儲備庫開始在全國范圍內開工建設,大部分儲備庫建于沿海地帶,如舟山、鎮海、大連、黃島等,大罐設計壽命不少于30 a,為確保大罐罐底外壁在設計壽命內免受腐蝕,罐底采用涂層加陰極保護的聯合保護方式[1-3]。

1 罐底陰極保護的必要性

由于儲罐罐底置于罐基礎之上,罐基礎內從罐底起依次由瀝青砂絕緣層、中砂墊層、HDPE土工膜、長絲無紡土工布、中砂墊層、級配砂石墊層、級配碎石褥墊層組成,罐基礎結構見圖1。

圖1 罐基礎結構圖

罐底板下表面涂有防腐涂層,但在焊接時焊縫處的防腐涂層不耐焊接時產生的高溫,造成涂層破損,一旦與腐蝕性介質接觸,極易造成腐蝕[4]。

雖然罐底下表面有瀝青砂做絕緣層,但隨著時間的增長,瀝青砂會逐年老化,基礎墊層出現開裂,另一方面,儲罐的質量也隨著進液高度變化進行波動,久之罐基礎墊層在交變應力作用下發生開裂,這樣地下水就會通過裂縫接觸到儲罐底板,儲罐罐底板處于腐蝕環境中,隨著時間的延長,防腐層不可避免出現老化破損,此時陰極保護對破損處罐底提供了有效保護,因此,儲罐的陰極保護十分必要[5]。

2 罐底陰極保護

2.1 罐底陰極保護系統

儲備庫原油儲罐容積為10×104m3,罐底直徑達80 m,根據SY/T 0088-2016《鋼質儲罐罐底外壁陰極保護技術標準》,罐底外壁采用強制電流陰極保護[6]。

強制電流陰極保護系統包括供電設備、陽極地床和連接電纜等。

陰極保護供電電源采用恒電位儀。儲罐基礎采用混凝土環墻,為確保罐底中心部位達到保護準則要求,陽極地床采用在罐底基礎內埋設陽極的方式。為監測罐底板的陰極保護電位,在儲罐底部砂墊層中埋設參比電極,其中1只為恒電位儀用控制參比電極。

罐底陽極地床分為網狀陽極地床和柔性陽極地床,網狀陽極地床由混合金屬氧化物(MMO)帶狀陽極和導電鈦帶組成,縱橫交叉構成網格式結構,埋設在砂層中,距罐底板300 mm左右,因是網格形,所以常稱為網狀陽極。柔性陽極分為MMO/TI和導電聚合物兩種,MMO/TI 柔性陽極是在金屬氧化物陽極及連接電纜的外部包覆連續的焦炭及柔性織物覆蓋層,導電聚合物柔性陽極是在帶有導電聚合物的銅導線外部包覆連續的焦炭及柔性織物覆蓋層。罐底柔性陽極地床是采用柔性陽極蛇形或環狀敷設于儲罐砂層中,與網狀陽極具有相同的優點,如電流分布均勻、產生雜散電流少、不需要回填料、儲罐與管道不需要電絕緣、不易受今后工程施工的損壞等。網狀陽極缺點是陽極產物是O2,去極化快,且斷電電位有不達標現象。柔性陽極優點是陽極產物是CO及CO2,去極化慢,便于測試斷電電位[7-9],且保護電位滿足設計要求。

2.2 罐底陰極保護測試點布置

大罐罐底坐落于混凝土基礎上,一旦建成,人員無法接近罐底,采用在罐周邊設置參比電極的方式,無法獲得靠近罐底中心的電位,因此通常建罐前在罐基礎內預埋長效參比電極。對于罐底板面積較大的儲罐,一般在罐底布置多個參比電極[10-12]。

通常,在罐底沿半徑方向,根據儲罐半徑大小,布置一定數量的長效參比電極,參比電極選用長效 Cu/CuSO4參比電極及Zn參比電極,參比電極接入罐附近的測試箱內,通過人工采用萬用表,監測各參比電極處的罐底板電位。

3 罐底陰極保護監測電位準確性

自國家石油儲備庫開建以來,許多原油罐運行超過10 a,在西部、東部、沿海及內陸對不同地區罐底陰極保護調研,發現部分陰極保護系統不能正常運行,其中長效參比電極失效是影響陰極保護正常運行的首要原因。

以恒電位儀作為供電電源,其工作原理是給定信號(控制信號)和經阻抗變換器隔離后的參比信號一起送入比較放大器,經高精度、高穩定性的比較放大器進行比較放大,然后輸出誤差控制信號,將這個信號送入移相觸發器,移相觸發器再根據該信號的大小,自動調節脈沖的移相時間,通過脈沖變壓器輸出觸發脈沖來調整極化回路中可控硅的導通角,改變輸出電壓、電流的大小,使得保護電位等于設定的給定電位,進一步實現恒電位保護。

長效Cu/CuSO4參比電極,是由銅棒及飽和硫酸銅溶液安裝于陶瓷罐中,如果安裝環境干燥,或硫酸銅液體流失,就會影響參比電極的準確度,造成測量電位偏差。鋅參比電極同樣與使用環境有關,一旦土壤干燥,鋅參比電位正移,導致基準改變,也就失去了作為參比的意義[13]。大罐罐底基礎內,由于受到防滲膜的隔離,地下水不易進入防滲膜上部的砂墊層,尤其是對于高于常溫的原油儲罐,砂墊層受高溫影響,更易造成參比電極附近環境干燥,進而造成電位監測不準,甚至經過一定的年限后,長效Cu/CuSO4參比電極失效,無法讀取數據。

陽極干擾區的影響,由于罐底基礎空間有限,一般砂墊層厚度為300～500 mm,砂墊層下部為防滲膜,為避免防滲膜屏蔽陰極保護電流,陽極和長效參比電極只能安裝于防滲膜與罐底板的砂墊層中[14-16]。在受限空間內,長效參比電極無法避開陽極地床的干擾,導致控制用參比電極通電電位偏負,使恒電位儀電流輸出量不足,無法使罐底板得到充分極化。

4 罐底陰極保護監測新技術

為確保罐底陰極保護監測數據的準確性,保證參比電極測試電位的準確性是至關重要的。長效參比電極初期運行正常,但無法確保10 a以后的正常使用,因此在罐底采用可更換參比電極,每次測試前對參比電極進行校正。

4.1 預埋陰極保護通道的選擇

考慮到金屬管作為通道存在對陰極保護電流的屏蔽作用,同時因測試通道距離罐底較近,為避免發生金屬管與罐底板的搭接,導致陰極保護電流泄漏,故測試通道采用非金屬管。

非金屬管在罐底安裝,應具備一定的強度和剛度,不會因受到罐底壓力而產生破碎或變形,因此選用具有超高分子量的聚乙烯管(HDPE),聚乙烯管采用Φ110 mm×10 mm。對于10×104m3儲罐,荷載為250 kN/m2,根據CECS 17《埋地硬聚氯乙烯給水管道工程技術規程》[17],對管道強度及管徑直徑變形量進行計算,結果表明其完全可承受儲罐荷載。

4.2 解決預埋HDPE管的屏蔽問題

HDPE管存在對陰極保護電流的屏蔽[18-19],為解決該問題,提出了兩種方案

方案一是砂墊層中預埋一定長度兩端不封閉的測試通道-HDPE管,一端露出儲罐基礎,另一端位于需測試位置,參比電極可沿測試通道直接頂到測試位置的砂墊層上。

方案二是砂墊層中預埋貫穿儲罐底部基礎的測試通道-HDPE管,要求陰極保護電流可從砂墊層穿過HDPE管道,進入管道內的參比電極。考慮在HDPE管上需測試的位置開孔槽,陰保電流通過孔槽流向參比電極,對此展開了實驗室評價。

評價采用與HDPE管具有同樣絕緣效果的聚乙烯塑料管,在管壁上開孔Φ6 mm,將參比電極用濕布包裹,把聚乙烯塑料管放在砂土中,按照GB/T 21246-2007《埋地鋼質管道陰極保護參數測量方法》[20]的規定,測試砂土中鋼構件的電位。通過測試,該開孔方式可以為陰極保護電流提供通道,測試見圖2。

圖2 參比電極在開孔聚乙烯塑料管的電位測試圖

4.3 現場測試效果

某工程4座5×104m3原油儲罐,罐底采用導電聚合物柔性陽極,恒電位儀為4回路,每路30 A/50 V,對其中2座儲罐進行現場測試,G123#罐陰極保護測試數據見表1，G125#罐陰極保護測試數據見表2。

表1G123#罐陰極保護測試表

測試點通電電壓/V通電電流/A通電電位/V斷電電位/V恒電位儀第1路4.520.25-1.5-0.92測試點距離罐底環墻基礎1 m(北向)---4-0.9測試點距離罐底環墻基礎6 m(北向)---3.8-1測試點距離罐底環墻基礎27 m(北向)---2.1-0.95

表2G125#罐陰極保護測試表

測試點通電電壓/V通電電流/A通電電位/V斷電電位/V恒電位儀第3路3.50.181.50.9測試點距離罐底環墻基礎1 m(北向)--3.21.2測試點距離罐底環墻基礎27 m(北向)--30.9測試點距離罐底環墻基礎1 m(南向)--2.540.96

5 結論

現場試驗證明,通過在罐基礎砂墊層內預埋測試通道-HDPE管的方式,可將校準的參比電極隨時送入監測位置進行測試,解決了以往在建設初期預埋長效參比電極,其壽命無法滿足大罐的設計壽命,且長效參比電極無法進行校準的問題。