張偉姜勇楊曉泉林純省馬偉平

深井陽極陰極保護(hù)技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

張偉1姜勇2楊曉泉3林純省4馬偉平5

（1.中國石油北京銷售公司倉儲分公司石樓油庫；2.中國石油北京油氣調(diào)控中心；3.中國石油管道局工程有限公司第四分公司；4.中國航空油料有限責(zé)任公司溫州分公司；5.中國石油管道研究中心）

深井陽極技術(shù)具有性能穩(wěn)定、電流分布均勻等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儲罐底板陰極保護(hù)工程。基于深井陽極技術(shù)施工難度和經(jīng)濟(jì)性因素，提出了研究確定合理的深井陽極埋深的需求。根據(jù)經(jīng)典帶電圓盤電流密度分布假設(shè)，考慮土壤和瀝青砂基礎(chǔ)的不均勻性，提出了求解儲罐底板陰極保護(hù)電位的新方法。研究了不同深井陽極埋深對應(yīng)的儲罐底板保護(hù)電位分布情況，得出結(jié)論：針對單個儲罐和單支深井陽極的情形，合理的深井陽極埋深范圍是25～45 m，儲罐電位分布較均勻，可有效避免電流流失和儲罐欠保護(hù)問題。

深井陽極；陰極保護(hù)；電位；儲罐；埋深

引言

國內(nèi)大型儲罐工程廣泛應(yīng)用了深井陽極陰極保護(hù)技術(shù)[1]。相對罐周均布淺埋陽極和犧牲陽極，深井陽極具有接地電阻小、占地少、性能穩(wěn)定、使用壽命長、罐底板電流均勻等優(yōu)點(diǎn)。深井陽極施工應(yīng)滿足水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)，已建深井陽極調(diào)整非常困難，合理的深井陽極設(shè)計(jì)可以使儲罐處于良好保護(hù)狀態(tài)，恒電位儀電能消耗較?。灰虼?，新建儲罐陰極保護(hù)工程的關(guān)鍵問題是確定深井陽極埋深和位置。國內(nèi)外深井陽極工程實(shí)踐表明，深井陽極距離儲罐水平距離應(yīng)大于30 m才能獲得較好保護(hù)效果[2]，距離過小導(dǎo)致部分保護(hù)電流流回整流器影響保護(hù)電位和電流密度分布的均勻性。但針對埋深沒有統(tǒng)一規(guī)定，從施工難度和經(jīng)濟(jì)性考慮，應(yīng)用單支陽極是最實(shí)用的，研究單支深井陽極埋深對儲罐底板保護(hù)電位的影響具有實(shí)際意義。

目前，新建儲罐陰極保護(hù)工程設(shè)計(jì)中深井陽極埋深一般根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)確定或者電位疊加法估算。近年來，應(yīng)用有限元（ANSYS）、邊界元（BEASYCP）、Fluent等數(shù)值方法進(jìn)行陰極保護(hù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)成為技術(shù)發(fā)展方向[3]。本研究根據(jù)經(jīng)典帶電圓盤電流密度分布假設(shè)，提出了求解儲罐底板陰極保護(hù)電位的新方法。針對不同深井陽極埋深計(jì)算了對應(yīng)的儲罐底板保護(hù)電位，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果對深井陽極合理的埋深進(jìn)行了研究。

1 儲罐底板陰極保護(hù)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

穩(wěn)態(tài)分布型儲罐底板陰極保護(hù)系統(tǒng)電位分布滿足Laplace方程，即

φ=φ0（第一類邊界條件）

式中：φ0——深井陽極表面極化電位值，V；

σ——儲罐底板區(qū)域環(huán)境介質(zhì)電導(dǎo)率，Ω·m；

f(φ)——儲罐底板表面電流密度，mA/m2。

1.1 深井陽極極化電位

根據(jù)陰極保護(hù)體系物理模型計(jì)算深井陽極極化電位[4]，其表達(dá)式為

式中：U——恒電位儀輸出電壓值，V；

國際預(yù)科證書課程（International Baccalaureate Diploma Program，簡稱IB課程），是由國際文憑組織為高中生設(shè)計(jì)的為期兩年的課程，現(xiàn)在在國際上非常有影響力。那么，在當(dāng)前中國課程改革與教育改革的背景下，IB課程能夠?qū)嵤┫氯?？課程改革會有怎樣的走向？我們拭目以待。

I0——所需保護(hù)電流，A；

R——深井陽極接地電阻，Ω；

RW——深井陽極電纜電阻，Ω；

ξ——焦炭回填料反電動勢，2 V。

1.2 儲罐底板電流密度

文獻(xiàn)[5]根據(jù)經(jīng)典靜電學(xué)原理推導(dǎo)出無限大空間帶電圓盤電流密度i分布公式，即

式中：i——圓盤導(dǎo)體距圓心a處的電流密度，mA/m2；

a——該點(diǎn)距圓盤中心距離，m；

r——圓盤半徑，m；

1.3 儲罐底板環(huán)境介質(zhì)參數(shù)

儲罐底板和以瀝青砂為主要成分的基礎(chǔ)層接觸，基礎(chǔ)層與土壤電阻率、密度差異很大，在以往儲罐陰極保護(hù)模擬研究中認(rèn)為土壤均勻各向同性[6]，計(jì)算結(jié)果存在誤差。本研究中儲罐底板環(huán)境介質(zhì)由土壤和瀝青砂基礎(chǔ)構(gòu)成[7]，土壤電阻率5Ω·m，瀝青砂基礎(chǔ)電阻率200Ω·m，儲罐底板環(huán)境介質(zhì)參數(shù)和深井陽極參數(shù)見表1。土壤自然腐蝕電位-0.55 V，儲罐底板保護(hù)電位最小值-0.85 V，儲罐底板保護(hù)電位最大值-1.2 V，儲罐底板平均電流密度6 mA/m2。

表1 儲罐底板環(huán)境介質(zhì)參數(shù)和深井陽極參數(shù)

1.4 計(jì)算實(shí)例Ⅰ

文獻(xiàn)[8]提供了應(yīng)用多孔PVC參比電極測量實(shí)際儲罐底板保護(hù)電位的數(shù)據(jù)，儲罐直徑36 m，罐邊緣到罐中心徑向方向等間隔測量13個點(diǎn)，保護(hù)電流密度6 mA/m2，在一側(cè)安裝深井陽極，距儲罐邊緣近端52 m，埋深30 m，長度15 m，測試電位期間恒電位儀輸出電壓4.85 V。

數(shù)值結(jié)果與實(shí)測電位數(shù)據(jù)見表2，其中10個檢測位置的測試電位值與數(shù)值方法結(jié)果的相對誤差小于6%。深井陽極距儲罐邊緣近端0～3.0 m范圍內(nèi)電位結(jié)果相差較大，主要原因是深井陽極極化電位是動態(tài)變化的。本研究根據(jù)陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)近似計(jì)算深井陽極極化電位，該值固定不變，因此計(jì)算結(jié)果存在一定誤差。剔除深井陽極極化電位動態(tài)變化因素影響，數(shù)值結(jié)果和實(shí)測電位數(shù)據(jù)的誤差在工程允許誤差范圍內(nèi)，驗(yàn)證了儲罐陰極保護(hù)系統(tǒng)數(shù)值模擬的可靠性。

表2 數(shù)值結(jié)果和實(shí)測電位數(shù)據(jù)對比

2 深井陽極埋深對儲罐陰極保護(hù)電位的影響

以2×104m3浮頂儲罐為例，罐直徑40 m，儲罐一側(cè)安裝深井陽極，材質(zhì)YJB3SiCr-75×1000 mm（由15組單支深井陽極串接而成），深井陽極距離儲罐近端30 m（圖1）。研究儲罐特殊位置點(diǎn)的電位值，特殊點(diǎn)分布見圖2。

圖1 儲罐一側(cè)安裝深井陽極示意圖

圖2 儲罐特殊點(diǎn)分布

預(yù)先設(shè)定深井陽極埋深，調(diào)整恒電位儀輸出電壓使儲罐底板保護(hù)電位處于-0.85～-1.2 V范圍內(nèi)，控制儲罐邊緣和儲罐中心的電位差盡可能小；保持恒電位儀輸出電壓不變，改變深井陽極埋深，研究深井陽極埋深對儲罐底板電位分布的影響（圖3、圖4）?？梢钥闯觯罹枠O埋深在15～45 m范圍內(nèi)，儲罐底板電位分布變化較為平緩；深井陽極埋深小于15 m或者大于45 m，即深井陽極埋深過淺或者過深，儲罐底板電位分布變化劇烈，儲罐底板部分區(qū)域甚至存在欠保護(hù)問題。

為了進(jìn)一步確定較為合理的深井陽極埋深，以儲罐中心軸線（A3、A7）為例，繪制了不同深井陽極埋深情況下儲罐底板水平軸線電位分布的規(guī)律，重點(diǎn)針對深井陽極埋深10 m、20 m、30 m和40 m的情形（圖5）。

圖3 深井陽極埋深對儲罐底板電位分布的影響

圖4 深井陽極埋深對儲罐底板電位分布的影響

圖5 深井陽極埋深對儲罐水平軸線電位的影響

可以看出，如深井陽極埋深較淺（介于10～20 m），大部分保護(hù)電流流向土壤，導(dǎo)致儲罐遠(yuǎn)陽極端地表區(qū)域（100 m處）的電壓較高。雖然深井陽極埋深10 m和40 m對應(yīng)的儲罐底板的保護(hù)電位相差不大，但是對于儲罐區(qū)安全是不利的。國內(nèi)儲罐接地為了避免扁鋼接地造成的保護(hù)電流流失，一般采用鋅接地。鋅在土壤中開路電位是-1.1 V，深井陽極埋深10～20 m時儲罐遠(yuǎn)陽極端地表區(qū)域（100 m處）的電位大大高于鋅接地極的開路電位，會造成大量電流流失。雖然深井陽極埋深10～20 m和30～40 m條件下儲罐底板保護(hù)電位差異不大，也可以達(dá)到保護(hù)狀態(tài)，但實(shí)際上是不可取的。此外，深井陽極埋深30～40 m條件下儲罐遠(yuǎn)陽極端地表區(qū)域（100 m處）的電位與鋅接地極的開路電位接近。綜上所述，針對儲罐單側(cè)安裝深井陽極，深井陽極合理的埋深范圍是25～45 m。

3 結(jié)論

建立了儲罐底板陰極保護(hù)體系的數(shù)值計(jì)算新方法，針對儲罐一側(cè)安裝深井陽極陰極保護(hù)技術(shù)，研究了深井陽極埋深對儲罐底板電位的影響：

1）深井陽極埋深在15～45 m范圍內(nèi)，儲罐底板電位分布變化較為平緩；深井陽極埋深小于15 m或者大于45 m，即深井陽極埋深過淺或者過深，儲罐底板電位分布變化劇烈。

2）針對儲罐一側(cè)安裝深井陽極的情形，合理的深井陽極埋深范圍是25～45 m，深井陽極埋深過淺或者過深，可能造成儲罐底板的欠保護(hù)問題和保護(hù)電流流失問題。

3）深井陽極埋深對儲罐近陽極端區(qū)域保護(hù)電位的影響大于遠(yuǎn)陽極端，深井陽極埋深對罐中心保護(hù)電位的影響介于近陽極端和遠(yuǎn)陽極端之間。

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10.3969/j.issn.2095-1493.2017.06.003

2017-03-21

（編輯 李發(fā)榮）

張偉：2007年畢業(yè)于中國石油大學(xué)（華東）（油氣儲運(yùn)工程專業(yè)），從事成品油油庫安全及設(shè)備管理工作，E-mail：suncl2@cnooc.com.cn，地址：北京市房山區(qū)石樓鎮(zhèn)石樓大街2號中油北京銷售有限公司石樓油庫，102422。