阴极保护技术在油罐底板内外壁保护中的应用

-41-阴极保护技术在油罐底板内外壁保护中的应用袁起立1李佳润2马青华1（191872部队北京1024422中国钢研科技集团公司青岛海洋腐蚀研究所山东青岛266071）摘要：本文结合某石化炼油厂50000m3油罐罐底板内、外壁的阴极保护工程，介绍了阴极保护设计的计算方法，并通过实际工程应用结果进一步验证了设计计算的合理性，使油罐罐底板内、外壁得到了有效地保护。关键词：阴极保护牺牲阳极外加电流1前言由于石油工业的发展及国际战略形势对石油储备的需要，地上油罐有向大型化发展的趋势。随着油罐大型化与数量化的不断涌现，同时油罐内介质特性的各异，接触内、外腐蚀性环境会发生不同程度的腐蚀。经验表明，对于原油储罐罐底外壁，最常见的腐蚀性物质是含腐蚀性物质的水分，含盐量高的地下水从沥青砂面的断裂缝渗出,引起罐底板的腐蚀；而对于储罐罐底内壁，由于原油沉积污水含有大量硫化物、氯化物、氧、二氧化碳等酸类物质，形成较强的电解质液，引起了原油储罐罐底内壁电化学腐蚀。当采用加热盘管时,温度的因素及盘管支架焊接时形成的电偶因素都加剧腐蚀。特别应注意罐底地板内表面上大面积的均匀腐蚀,以及罐壁下部油、水界面上浓差电池所造成的腐蚀。因此，如不能采取有效监控措施，轻则影响油品质量，重则引发油品泄漏，造成环境污染和火灾爆炸[1]。2原油储罐底板内壁阴极保护方案介绍阴极保护是根据电化学腐蚀的原理，通过阴极极化的方法抑制腐蚀电池的产生，从而达到防腐的目的。但单独采用阴极保护时，其所需保护电流密度很大，在高温含去极化剂的水中达几百mA/m2，其经济性能较差。罐底采用涂层与阴极保护联合保护。这样既可大大降低阴极保护的费用，又可通过阴极保护弥补由于覆盖层受损或老化所形成的腐蚀缺陷，大大延长油罐的安全使用寿命[2]。阴极保护的方法分为外加电流法和牺牲阳极法。考虑到安全及管理等诸多因素，原油储罐罐底内壁应实施牺牲阳极阴极保护，因为这种方法对原油罐安全可靠、无需专人管理，且保护效果好[3]。2.1涂层选择罐内底板涂层采用不导静电的涂料（建议采用环氧树脂类或聚氨脂类涂料），涂层厚度不小于120μm。涂装前，储罐内壁需进行干法喷砂处理，除锈等级达到Sa2.5级。2.2阴极保护计算①保护面积罐底部浸水高度在500mm，左右，故对罐底以上1m的罐壁范围考虑进行同样的保护，有：S=πr2+πDh=π×302+π×60×1=3014.4m2≈3015m2-42-②油罐内污水电导率根据该石化提供的不同油田原油(大庆油、马希拉油、伊朗油)油罐内污水电导率为7000-30000μS/cm，电阻率ρ为142.8-33.3Ω·cm。设计时ρ取80Ω·cm③牺牲阳极选型及发生电流选用高活性Al-Zn-In系牺牲阳极，阳极规格为420×(160+180)×170mm（以下简称B型），单块阳极重量36Kg。表1B型阳极在原油污水中的电化学性能项目开路电位(V)工作电位(V)理论电容量A·h/kg电流效率（半高温）电化学性能-1.18~-1.10-1.12~-1.052980≥80%阳极发生电流If=REΔEΔ=0.30VR=Lπρ2(lnrL4-1)r=C/2π式中:EΔ—阳极的驱动电位,取0.30VR—阳极的接水电阻,Ωρ—介质的电阻率L—阳极长度,cmr—阳极当量半径,cm④所需阳极块数所需阳极块数N=I/Im=214.2≈215(块)Im—平均发生电流，Im=0.8If其中0.8为阳极电流效率⑤阳极使用寿命阳极使用寿命：Y=Q·m·1000·K/(8760·Im)Q—阳极实际电容量，油罐中取1950mAh/kgm—阳极净质量K—阳极利用率取0.85计算得Y≈15年，满足设计要求[4]。⑥牺牲阳极选取经计算得需用420mm×(160mm+180mm)×170mm阳极（简称B型）215块。考虑安装均匀分布，共需阳极216块阳极共重7776kg。2.3保护效果安装方式采用均匀布置。安装完毕通水，对罐底板内壁进行保护电位测量，参比电极采用便携饱和Cu/CuSO4参比电极，保护电位均处于-0.90～-1.05V之间，达到保护要求。-43-3原油储罐底板外壁阴极保护方案介绍3.1原始数据表2油罐基本情况油罐规格直径60000mm保护范围罐底板下表面油罐基础类型有砂垫层的钢筋混凝土基础油罐操作温度常温环境最低温度-28.2℃设计寿命25年油罐罐底下表面涂层有涂层沙层电阻率准确数据待施工现场测定200Ω•m供电电压/频率380V/50Hz3.2设计参数a.原油储罐底板下表面的保护电位为在-0.85与-1.10之间(相对于Cu/饱和CuSO4参比电极)；b.地床类型：网状阳极系统；c.保护电流密度：Id=10mA/m2（新防腐涂层）；d.阳极材料：钛基混合金属氧化物阳极带,规格：W=6.35mm，T=0.635mm，额定输出电流为17mA/m，消耗率为5.8×10-6kg/(A•a)，电阻率为0.138Ω/m；钛连接片尺寸规格：宽12.7mm，厚0.9mm，电阻率0.049Ω/m。e.阳极埋深：距储罐底板300mm。3.3具体设计计算[5]a.保护电流：储罐底板面积：A=πD2/4=2826m2保护电流：I=A×Id=28.26A单台储罐计算阳极长度:L=I/i=1662mb.回路电阻：阳极接地电阻计算公式为：493.0)22(22=−×=rDLLnLQRNπρ式中：RN:阳极接地电阻，单位Ω；ρ：土壤电阻率，单位Ω.m；L：阳极长度，单位m；r：阳极当量半径，单位m；D:阳极网埋深,单位m；Q:电阻系数，取1.5。储罐接地电阻计算公式为[6]：-44-3103.5−×=⋅Δ=SIdVRCΩ式中：:CR储罐接地电阻，单位Ω；VΔ：极化电位偏移量，此处取150，单位mV；Id:设计保护电流密度，单位mA/m2；S:被保护体面积，单位m2。回路总电阻：Ω≈++=500.0CWNRRRR式中：RW表示电缆电阻，予以忽略。c.工作电压恒电位仪容量选择：VREC=1.2×I×R=16.95V式中：I表示总保护电流，单位A；R表示回路总电阻，单位Ω。3.4设计结果a.辅助阳极系统阳极布置间距1.8m，平行设置，单台储罐实际需要阳极长度为：L=1570m；钛金属连接片间距8m，单台储罐需要长度为362m。b.电流控制系统：40A，输出电压为50V（考虑到随涂层老化，需求保护电流上升的影响）；电流源采用恒电位，确保在回路电阻变化的情况下，阴极保护系统正常运行。c.监测系统：为检测保护效果，在罐中心、二分之一半径处和罐底边缘板处设置3只铜/硫酸铜-高纯锌双长效参比电极，用于检测罐底板保护电位和提供参比信号。3.5保护效果阳极安装方式为将阳极直接焊在罐底板外壁上，阳极铁芯与罐底板间焊接要求焊缝长度不小于10cm,并保证焊件的牢固度。焊口出需涂防腐涂层，且不低于罐底涂层防腐要求。阳极分布按照均匀分布原则。极化稳定后，采用极化探头[7]进行瞬时断电电位测量，结果如表3所示。调研结果表明：参比电极R6波动范围很大，判断可能是由于高纯锌参比成分达不到设计要所致；参比电极R1、R3、R5说明该处达到保护电位要求。注：R1，R2，R3，R4，R5，R6为参比电极图1辅助阳极及参比电极安装布置图-45-表350000m3油罐阴极保护效果位置罐中心R/2处罐边缘参比R1(Cu/CuSO4)R2(高纯锌)R3(Cu/CuSO4)R4(高纯锌)R5(Cu/CuSO4)R6(高纯锌)未通电时电位值(mV)-650473-635439-667-极化24小时，输出电压1.83V,输出电流0.35A时电位值(mV)-0.898196-0.920151-0.929-4结论（1）该50000m3油罐的罐底板内外壁在分别采用了牺牲阳极和外加电流保护法，投入运行后，电位均处于-0.90～-1.05V之间，达到保护要求，罐底板得到了有效地阴极保护。（2）罐底板外壁保护电位的测量采用双参比电极，并采用瞬时断电的方法测量，有效消除了单参比的缺陷和通电测电位引入的IR降误差，测量结果准确。参考文献[1]韩磊,刘小辉等.原油储罐底板的检测技术及阴极保护.石油化工腐蚀与防护,2009，26:138～142.[2]贝克曼,施文克,普林兹.阴极保护手册[M].北京：化学工业出版社，1988.183～190.[3]李金桂.腐蚀控制设计手册[M].北京：化学工业出版社，2005.216～294.[4]《滨海电厂海水冷却水系统牺牲阳极阴极保护》GB/T16166—1996.[5]《钢质石油储罐防腐蚀工程技术规范》.GB50393-2008.[6]钟富荣，断电电位和涂层面电阻率测试方法.油气储运,2002,21(5):36～38,46.[7]罗鹏,等.瞬时断电法和探头法消除IR降的现场应用及分析.防腐保温技术,2009,9(17-3):38～41,46.