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(nèi)開工建設,大部分儲備庫建于沿海地帶,如舟山、鎮(zhèn)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(nèi)免受腐蝕,罐底采用涂層加陰極保護的聯(lián)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(nèi)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(chǎn)生的高溫,造成涂層破損,一旦與腐蝕性介質(zhì)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(xiàn)開裂,另一方面,儲罐的質(zhì)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(fā)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(huán)境中,隨著時間的延長,防腐層不可避免出現(xiàn)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(tǒng)

儲備庫原油儲罐容積為10×104m3,罐底直徑達80 m,根據(jù)SY/T 0088-2016《鋼質(zhì)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(tǒng)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(huán)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(nèi)埋設陽極的方式。為監(jiān)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(wǎng)狀陽極地床和柔性陽極地床,網(wǎng)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(wǎng)格式結構,埋設在砂層中,距罐底板300 mm左右,因是網(wǎng)格形,所以常稱為網(wǎng)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(xù)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(xù)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(huán)狀敷設于儲罐砂層中,與網(wǎng)狀陽極具有相同的優(yōu)點,如電流分布均勻、產(chǎn)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(wǎng)狀陽極缺點是陽極產(chǎn)物是O2,去極化快,且斷電電位有不達標現(xiàn)象。柔性陽極優(yōu)點是陽極產(chǎn)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(nèi)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(jù)儲罐半徑大小,布置一定數(shù)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(nèi),通過人工采用萬用表,監(jiān)測各參比電極處的罐底板電位。

3 罐底陰極保護監(jiān)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(nèi)陸對不同地區(qū)罐底陰極保護調(diào)研,發(fā)現(xiàn)部分陰極保護系統(tǒng)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(jīng)阻抗變換器隔離后的參比信號一起送入比較放大器,經(jīng)高精度、高穩(wěn)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(fā)器,移相觸發(fā)器再根據(jù)該信號的大小,自動調(diào)節(jié)脈沖的移相時間,通過脈沖變壓器輸出觸發(fā)脈沖來調(diào)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(xiàn)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(huán)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(huán)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(nèi),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(huán)境干燥,進而造成電位監(jiān)測不準,甚至經(jīng)過一定的年限后,長效Cu/CuSO4參比電極失效,無法讀取數(shù)據(jù)。

陽極干擾區(qū)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(nèi),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(jiān)測新技術

為確保罐底陰極保護監(jiān)測數(shù)據(jù)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(fā)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(chǎn)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(jù)CECS 17《埋地硬聚氯乙烯給水管道工程技術規(guī)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?shù)綔y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(nèi)的參比電極?？紤]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(zhì)管道陰極保護參數(shù)測量方法》[20]的規(guī)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(xiàn)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(xiàn)場測試,G123#罐陰極保護測試數(shù)據(jù)見表1，G125#罐陰極保護測試數(shù)據(jù)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(huán)墻基礎1 m(北向)---4-0.9測試點距離罐底環(huán)墻基礎6 m(北向)---3.8-1測試點距離罐底環(huán)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(huán)墻基礎1 m(北向)--3.21.2測試點距離罐底環(huán)墻基礎27 m(北向)--30.9測試點距離罐底環(huán)墻基礎1 m(南向)--2.540.96

5 結論

現(xiàn)場試驗證明,通過在罐基礎砂墊層內(nèi)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(jiān)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。