儲罐設(shè)計論文：儲罐陰極維護體系設(shè)計的缺陷探討范文
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作者：郭超王璠俞龍宋海英王銘偉單位：中國石油工程建設(shè)公司
儲罐底板下表面防腐的必要性
罐底基礎(chǔ)內(nèi)的回填沙需要通過淡水洗，篩網(wǎng)過濾等措施以保證其潔凈、性質(zhì)均一，降低其腐蝕性。國外規(guī)范中還有通過在沙層內(nèi)添加少量水泥或石灰，以進一步提高沙層pH值和壓實度的方法。但即便如此，在雨雪天氣、地下水位高、海洋氣候或環(huán)境氯堿含量較高等因素影響下，沙層仍可能存在水分、氧氣、氯離子、油品等形成的腐蝕環(huán)境。當由于罐內(nèi)液位發(fā)生變化時，罐底板會發(fā)生一定形變，即使有陰極保護系統(tǒng)，也無法對罐底板與沙層分離的部分進行保護。罐底板經(jīng)防腐處理以后，可以對罐底板的大部分區(qū)域進行保護，并且大大降低陰極保護的保護電流，節(jié)約能源，因此有必要對罐底板下表面進行防腐處理。但國內(nèi)很多大罐在做罐底板涂層防腐的同時也進行了瀝青砂保護（圖
1），這種作法有可能導致陰極保護系統(tǒng)的局部失效。在蘇丹、阿爾及利亞、伊拉克等很多國外項目中，這種作法都出現(xiàn)過爭議。國外文獻的5.1.4條款和文獻的15.2.2條款都明確規(guī)定：不宜在有陰極保護系統(tǒng)的同時，采用瀝青砂等與陰極保護系統(tǒng)不兼容的防腐方式對罐底板下表面進行保護，以防止在罐底板與陽極之間形成阻礙陰極保護電流通過的屏障。因此進行陰極保護的儲罐底板下表面應盡量避免同時采用瀝青砂進行保護。
網(wǎng)狀陽極布局及埋深的確定
網(wǎng)狀陽極的布局包括陽極帶、導電片及饋電點分布方式的確定。其中的陽極帶是陽極電流的直接輸出單元，其布局應根據(jù)陽極帶規(guī)格、罐底保護面積、罐底涂層類型、罐底結(jié)構(gòu)、環(huán)墻基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等因素確定陽極網(wǎng)應避免與罐底板或積水坑、環(huán)墻鋼筋等金屬構(gòu)件接觸，以避免陰陽極發(fā)生短路和陰極保護電流的額外消耗。導電片和饋電點是輸送陽極電流的導體，需要根據(jù)電流衰減公式計算其導電片間距、饋電點數(shù)量及分布，以便在經(jīng)濟、便于安裝的基礎(chǔ)上，最大程度地保證陽極電流的均勻分布。陽極網(wǎng)與罐底板的距離越大，電流分布越均勻，而陽極間距越大，越節(jié)省陽極材料。假定罐底板保護電流密度為10mA/m2情況下根據(jù)NACE推薦的采用60°仰角原理，計算直徑80m儲罐底板下表面采用不同埋深MMO帶狀陽極時陽極間距和陽極總量的對比結(jié)果（表1）表明，埋深0.2m的MMO陽極用量是埋深0.45m陽極用量的2倍多。
因此在回填沙墊層允許的范圍內(nèi)，陽極網(wǎng)深度應盡量增大。但陽極長度同時應滿足小于其額定發(fā)電量的要求，如本例要保證MMO陽極的表面電流密度小于1.2A/m2，陽極帶總長度需大于2956.79m。綜合考慮，本例MMO陽極網(wǎng)至罐底板距離宜取0.45m左右。在實際應用中，由于罐底大都存在一定的錐度，因此陽極至罐底的距離從罐底中心到罐壁也不一致，若相差較大，應根據(jù)實際情況對陽極埋深和間距進行調(diào)整。
參比電極布局及測試管的應用
國內(nèi)很多設(shè)計院習慣將罐底的參比電極沿儲罐某一半徑進行排列，有時為便于互相校準，還采用不同類型的參比電極交替排列。這樣排布參比電纜在罐底可以同溝覆設(shè)，便于施工。但是從監(jiān)測效果來看，這種參比電極排布方式有一定局限性。因為罐底板下表面各點在與其臨近的環(huán)境中的電位受環(huán)境電解質(zhì)的組成、陰陽極饋電點的位置以及涂層破損位置等因素有關(guān)，沿儲罐某一半徑上的電位檢測結(jié)果無法全面代表整個罐外底板的被保護情況。因此參比電極宜在罐底板下方均勻分布。大部分銅/飽和硫酸銅的壽命為15年左右，當使用年限大于參比電極壽命時，這些參比電極可能發(fā)生失效。這樣整個陰極保護系統(tǒng)就失去了判斷保護效果的基準，導致整個陰保系統(tǒng)無法有效發(fā)揮作用。由于參比電極大多位于罐底混凝土環(huán)墻內(nèi)，對其進行更換幾乎不可能。因此最好在設(shè)計之初就在環(huán)墻上沿儲罐底板直徑設(shè)置測試管，測試管上每間隔一定距離開孔槽，以便于永久性參比電極失效后，采用便攜式參比電極進行測試。
儲罐與外部管線和接地系統(tǒng)的絕緣處理
儲罐底板下表面的陰極保護通常要求將儲罐與外部接管或接地等金屬連接用絕緣法蘭或絕緣接頭隔離，以防止陰極保護電流的流失。但目前國內(nèi)外新建儲罐一般都要在環(huán)墻內(nèi)包覆一層HDPE防滲膜，以防止罐內(nèi)油品泄漏污染地下水系統(tǒng)（圖1）。這層防滲膜將罐底板下的網(wǎng)狀陽極外加電流陰極保護系統(tǒng)的陰陽極與外界隔離開，保證了陰極保護電流不流失，因此對罐底的陰極保護系統(tǒng)有積極作用。由于防滲膜在電解質(zhì)路徑起到了絕緣作用，在這種情況下，即使項目投用初期金屬導體路徑?jīng)]有有效絕緣也不會影響到陰極保護系統(tǒng)的效果。但隨著大罐沉降和HDPE層老化，防滲膜的絕緣性能可能會失效，使陰極保護系統(tǒng)與周圍金屬結(jié)構(gòu)形成通路，進而影響陰極保護系統(tǒng)的性能。因此從長期穩(wěn)定運行角度來看，儲罐還是應該保證與周圍埋地金屬設(shè)施的絕緣。
陽極材料的選取
根據(jù)設(shè)計壽命、保護電流和儲罐基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)不同，儲罐底板下表面的陰極保護系統(tǒng)可以選用從鎂、鋅等犧牲陽極到高硅鑄鐵、導電聚合物陽極、混合金屬氧化物陽極等外加電流陽極的不同材料。但犧牲陽極存在壽命短、發(fā)電量低、驅(qū)動電壓小的共性，因此主要應用于電流需求少，設(shè)計壽命較短并且陽極更換較方便的場合。高硅鑄鐵作為一種主要的傳統(tǒng)陽極材料目前仍有廣泛應用，但由于其消耗率和機械性能的限制，一般只能用作沿罐周分布的深井、斜井或淺埋陽極，在有防滲膜存在的情況下其應用受到限制。導電聚合物陽極和混合金屬氧化物陽極作為新型陽極材料在罐底板外加電流陰極保護系統(tǒng)中都有應用，其中的混合金屬氧化物陽極由于消耗率極低、效果穩(wěn)定，并且其性能隨著科技進步不斷提高而得到越來越多的應用，在儲罐陰極保護系統(tǒng)中占主導地位。
通常工程應用中要求MMO陽極的放電電流密度小于1.2A/m2，以保證其使用壽命，而實際上陽極帶的兩面由于與作為陰極的罐底板的位置不同，其表面的實際輸出電流密度是不一樣的，正對罐底板的一面電流密度較大，而其背面輸出電流密度較小。因此若要保證其平均工作電流密度為1.2A/m2，則規(guī)格書中要求的產(chǎn)品最大輸出電流密度應大于此值。如果陽極網(wǎng)距離防滲膜過近，則會進一步限制MMO陽極帶下底面的陽極電流輸出，此時陽極的電流輸出保守要求應能滿足2.4A/m2，目前國內(nèi)已有新型MMO復合陽極可達到此要求。
儲罐基礎(chǔ)預留注水管的必要性
在海外儲罐陰保設(shè)計工作中曾碰到有國外監(jiān)理要求在儲罐環(huán)墻基礎(chǔ)上預留注水管，以備罐底墊層干燥導致電阻率過高時降低電阻率，提高陰極保護電流。但通過分析，這種作法為舍本求末，并不可取。環(huán)境電阻率是判斷其腐蝕性的一個重要依據(jù)，若電阻率很高，表明其腐蝕性很弱，通過灌水來降低其電阻率其實是人為制造了一種更嚴重的腐蝕環(huán)境，而且只要在設(shè)計階段合理對環(huán)境電阻率進行考慮，完全可以滿足高電阻率下陰保系統(tǒng)的性能要求。表2為假定在不同規(guī)格儲罐基礎(chǔ)內(nèi)砂墊層電阻率為500Ω•m，MMO網(wǎng)狀陽極埋深500mm情況下計算的MMO陽極網(wǎng)地床電阻、墊層電阻及假定保護電流密度為10mA/m2情況下計算的回路電壓。通過對不同直徑罐體底板下表面陰保系統(tǒng)部分電阻計算可以發(fā)現(xiàn)，儲罐越小墊層電阻率對陰保回路電阻的影響越明顯。但同時儲罐越小所需要的保護電流也越少，綜合來看，對電源輸出電壓的要求影響不大。若想降低陰極保護系統(tǒng)回路電阻，采用焦炭作為陽極地床填料為更可取的方法。
小結(jié)
儲罐底板下表面的外加電流陰極保護系統(tǒng)可以有效保護罐底板免受腐蝕的危害，具有很高的經(jīng)濟效益和社會效益。但目前國內(nèi)罐外底板陰極保護的設(shè)計還存在部分區(qū)別。通過比較分析可以發(fā)現(xiàn)，罐底板應采用與陰極保護系統(tǒng)兼容性好的防腐層，陽極網(wǎng)的布局應保證陽極電流的均勻分布，參比電極的安裝位置應盡量在罐基礎(chǔ)內(nèi)均勻分布并預埋測試管，以防永久性參比電極失效。罐底板與周圍其它埋地設(shè)施應進行絕緣處理，陽極材料的選取應兼顧性能和壽命因素，罐底基礎(chǔ)上沒有必要預留注水口。為保證陰極保護系統(tǒng)能達到最佳的保護效果，使國內(nèi)的設(shè)計能夠滿足海外項目的需要，必須對這些技術(shù)細節(jié)加以重視。