王鵬，常澤亮，毛仲?gòu)?qiáng)，李先明，毛學(xué)強(qiáng)

（中國(guó)石油塔里木油田公司，庫(kù)爾勒841000）

金屬儲(chǔ)罐底板外壁的陰極保護(hù)電位分布是衡量?jī)?chǔ)罐底板陰極保護(hù)效果的一項(xiàng)重要指標(biāo)，目前，儲(chǔ)罐底板陰極保護(hù)存在恒電位儀輸出電流大、罐底板電位分布不均勻甚至欠保護(hù)的情況，這給陰極保護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)提出了挑戰(zhàn)。近年來(lái)，使用數(shù)值模擬計(jì)算方法來(lái)研究陰極保護(hù)體系的電位和電流分布成為陰極保護(hù)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)新方向，如有限元法［1-2］、有限差分法［3］、邊界元法［4-5］等多種數(shù)值計(jì)算方法已成功應(yīng)用于電化學(xué)問(wèn)題的數(shù)值計(jì)算中，具有保護(hù)效果預(yù)知性強(qiáng)、設(shè)計(jì)更具理論依據(jù)、可以預(yù)測(cè)并消除干擾和屏蔽問(wèn)題等優(yōu)勢(shì)。本工作以西部地區(qū)某站場(chǎng)內(nèi)5 000 m3原油儲(chǔ)罐為研究對(duì)象，利用BEASY軟件計(jì)算接地對(duì)罐底外壁陰極保護(hù)電位分布的影響，同時(shí)研究了接地類(lèi)型、砂土層、陽(yáng)極形式等對(duì)儲(chǔ)罐底板外壁陰極保護(hù)電位分布的影響，以期為儲(chǔ)罐底板外壁的陰極保護(hù)提供借鑒。

1 數(shù)學(xué)建模

對(duì)于已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的陰極保護(hù)系統(tǒng)，假設(shè)計(jì)算區(qū)域內(nèi)的環(huán)境介質(zhì)均勻，被保護(hù)體表面狀況相同且無(wú)內(nèi)場(chǎng)源存在，則被保護(hù)體表面和腐蝕介質(zhì)中的電位分布可用Laplace方程和相應(yīng)的邊界條件來(lái)描述：

式中：V為計(jì)算區(qū)域，S1、S2分別表示計(jì)算區(qū)域的邊界，Φ代表計(jì)算區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)的電位。S1指電位為常數(shù)的邊界，S2指電流密度已知的邊界。n為邊界外法線方向，f1（Φ）為電流密度函數(shù)。對(duì)于絕緣表面、對(duì)稱(chēng)面或?qū)ΨQ(chēng)軸，f1（Φ）＝0；對(duì)于有電流流過(guò)的電極表面，f1（Φ）表示極化電流密度和電位之間的關(guān)系，即電極表面的極化曲線；σ表示介質(zhì)的電導(dǎo)率。

本工作涉及一座直徑23.82 m的儲(chǔ)罐，底板電流需求量取10 mA／m2，土壤電阻率為2Ω·m2，底板下方砂層土壤電阻率100Ω·m。根據(jù)GB 15599－2009、GB 50169－2016、GB 50074－2014等標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)了儲(chǔ)罐周邊接地，接地為環(huán)狀，采用四條連接線與儲(chǔ)罐相連，在環(huán)狀接地上每隔約5 m圓周距離設(shè)置豎直接地1支，接地材料為扁鋼。陽(yáng)極類(lèi)型包括深井陽(yáng)極、淺埋近陽(yáng)極或罐底MMO網(wǎng)狀陽(yáng)極。所建模型的基本資料如下：儲(chǔ)罐底板的直徑23.82 m，采用普通碳鋼，電流需求量10 mA／m2；接地采用環(huán)狀接地（直徑30 m）和垂直接地（圓周方向距離約5 m）；深井陽(yáng)極埋深60 m，活性段長(zhǎng)30 m，距離儲(chǔ)罐200 m；淺埋陽(yáng)極直徑219 mm，埋深1.5～3.5 m，沿儲(chǔ)罐周邊豎直均布8支；MMO網(wǎng)狀陽(yáng)極置于儲(chǔ)罐底板下方0.3 m，陽(yáng)極間距1 m，陽(yáng)極帶截面尺寸6.35 mm×0.635 mm；儲(chǔ)罐周邊土壤電阻率為2Ω·m2；儲(chǔ)罐底板下方基礎(chǔ)砂層電阻率為200Ω·m2。

對(duì)相關(guān)結(jié)構(gòu)建模，如圖1所示，并采用基于上述數(shù)學(xué)公式的模擬計(jì)算軟件BEASY進(jìn)行數(shù)值仿真，即可得到儲(chǔ)罐底板的電位分布情況，并進(jìn)一步研究各種因素對(duì)電位分布的影響。

2 計(jì)算與討論

2.1 接地類(lèi)型對(duì)儲(chǔ)罐外底板電位分布的影響

對(duì)于深井陽(yáng)極保護(hù)的儲(chǔ)罐底板外壁，底板中心易出現(xiàn)欠保護(hù)情況，且輸出電流較大，主要原因可能是儲(chǔ)罐外圍的接地結(jié)構(gòu)吸收陰極保護(hù)電流，使儲(chǔ)罐底板得到的電流不足，導(dǎo)致底板欠保護(hù)。

圖1 主要結(jié)構(gòu)物的建模示意圖Fig.1 The modeling of main structures：（a）the deep-well anode and the whole calculated zone；（b）the bottom of tank，the grounding and the MMO grid anode

因此，計(jì)算不考慮接地、扁鋼接地和鋅接地三種情況下儲(chǔ)罐外底板陰極保護(hù)電位的分布情況，結(jié)果如圖2所示。

陽(yáng)極輸出電流均為8 A的條件下，不考慮接地時(shí)，罐底板均可得到良好保護(hù)，陰保電位為－885.77～－973.59 mV（相對(duì)于銅／硫酸銅參比電極，CSE，下同）；當(dāng)接地為扁鋼時(shí)，陰保電位為－844.62～－943.72 mV，中心區(qū)域欠保護(hù)；當(dāng)接地為鋅時(shí)，陰保電位為－890.69～－1107 m V。

圖2 儲(chǔ)罐底板的陰保電位分布云圖（深井陽(yáng)極）Fig.2 Cloud diagram of cathodic protection potential distribution of tank bottom（deep-well anode）：（a）without grounding；（b）steel flat grounding；（c）zinc grounding

綜上所述，扁鋼接地條件下，8 A電流中有5.4 A電流流入儲(chǔ)罐，另外2.6 A電流流入接地，如果接地更多，接地電流需求量更大，則會(huì)有更多電流流入接地，這將進(jìn)一步減少儲(chǔ)罐底板所得電流，惡化儲(chǔ)罐底板的陰極保護(hù)狀況。進(jìn)一步計(jì)算可知，扁鋼接地條件下，將陽(yáng)極輸出電流增大到12 A時(shí)可使儲(chǔ)罐得到約8 A電流，基本可以抵消接地造成的影響。鋅接地條件下，8 A電流均流入了底板，同時(shí)鋅接地作為犧牲陽(yáng)極也為儲(chǔ)罐提供了少量電流，保護(hù)效果更好。

2.2 罐底砂層對(duì)扁鋼接地條件下儲(chǔ)罐外底板電位分布的影響

2.1 節(jié)中，將土壤電阻率統(tǒng)一設(shè)置為儲(chǔ)罐周邊的電阻率進(jìn)行計(jì)算，這與實(shí)際情況存在一定差異。實(shí)際情況下，儲(chǔ)罐底板下方會(huì)鋪設(shè)一定厚度的砂層，電阻率在200Ω·m2，儲(chǔ)罐底板下方會(huì)之間，本工作將砂層電阻率設(shè)為200Ω·m2進(jìn)行計(jì)算，扁鋼接地情況，計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

前述扁鋼接地不考慮砂層的情況，陽(yáng)極輸出電流8 A，儲(chǔ)罐得到5.4 A；考慮砂層的情況，陽(yáng)極輸出電流仍為8 A，儲(chǔ)罐底板基本得不到保護(hù)，計(jì)算電流分配情況顯示，此時(shí)儲(chǔ)罐只得到1.3 A電流，其余6.7 A均被罐周邊的扁鋼接地吸收。進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，在該情況下，只有總陽(yáng)極輸出電流達(dá)到45 A，儲(chǔ)罐才能分到約8 A電流，進(jìn)而得到較好的保護(hù)效果。

可見(jiàn)，扁鋼接地條件下，罐底砂層土壤電阻率較高會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)電流流入接地，若此時(shí)儲(chǔ)罐底板外壁要得到良好保護(hù)，就需要總電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論計(jì)算值，這也是很多儲(chǔ)罐在深井陽(yáng)極保護(hù)下，保護(hù)電流很大而保護(hù)效果依然欠佳的重要原因。因此，目前很多新建儲(chǔ)罐采用網(wǎng)狀陽(yáng)極對(duì)儲(chǔ)罐底板進(jìn)行保護(hù)，增加保護(hù)的針對(duì)性，降低保護(hù)電流，提高保護(hù)效果。

2.3 陽(yáng)極形式對(duì)扁鋼接地下儲(chǔ)罐外底板電位分布的影響

圖3 儲(chǔ)罐底板電位分布云圖（深井陽(yáng)極，扁鋼接地）Fig.3 The potential distribution of tank bottom（deep-well anode，steel flat grounding）：（a）without sand layer considered；（b）with sand layer considered

淺埋近陽(yáng)極相比深井陽(yáng)極，具有保護(hù)電流針對(duì)性強(qiáng)、對(duì)其他金屬構(gòu)筑物干擾較小等優(yōu)點(diǎn)。MMO網(wǎng)狀陽(yáng)極是混合金屬氧化物帶狀陽(yáng)極與鈦金屬連接片垂直鋪設(shè)、交叉處點(diǎn)焊而構(gòu)成的外加電流陰極保護(hù)輔助陽(yáng)極，該陽(yáng)極網(wǎng)用于儲(chǔ)罐底板的陰極保護(hù)，也具有電流分布均勻、雜散電流干擾少等優(yōu)點(diǎn)。將2.2節(jié)計(jì)算模型中的深井陽(yáng)極分別改為淺埋近陽(yáng)極和MMO網(wǎng)狀陽(yáng)極進(jìn)行計(jì)算并與深井陽(yáng)的極計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如下圖4所示。

圖4 儲(chǔ)罐底板電位分布云圖（扁鋼接地，考慮砂層）Fig.4 The potential distribution of the tank bottom（steel flat grounding，with sand layer considered）：（a）deep-well anode；（b）distributed anode；（c）grid anode

結(jié)果表明：在扁鋼接地陽(yáng)極輸出均為8 A的情況，若采用深井陽(yáng)極，陰保電位為－664.65～－778.14 mV；若采用淺埋近陽(yáng)極，陰保電位為－659.76～－1 112.5 mV；若采用網(wǎng)狀陽(yáng)極，陰保電位為－748.2～－921.08 mV。采用深井陽(yáng)極和淺埋近陽(yáng)極保護(hù)，儲(chǔ)罐吸收電流1.3 A，為陽(yáng)極輸出電流的16.25%；采用網(wǎng)狀陽(yáng)極保護(hù)，儲(chǔ)罐吸收電流5.8 A，為陽(yáng)極輸出電流的72.5%，得到的電流比前兩者多了56.25%，保護(hù)效果也明顯優(yōu)于前兩者的。

淺埋近陽(yáng)極雖然較深井陽(yáng)極具有更強(qiáng)的針對(duì)性，但是其位于儲(chǔ)罐和接地之間，距離接地很近；同時(shí)罐底砂層的電阻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于罐周邊的，因此仍然有大量電流流入了接地，這可能是采用淺埋近陽(yáng)極，保護(hù)效果不理想的主要原因，其他原因還有待進(jìn)一步研究。

3 結(jié)論

（1）儲(chǔ)罐周邊的扁鋼接地吸收陰極保護(hù)電流，導(dǎo)致儲(chǔ)罐底板得到的電流大大低于陽(yáng)極輸出電流，保護(hù)效果變差；

（2）儲(chǔ)罐基礎(chǔ)中的砂層土壤電阻率較高，加劇了陰極保護(hù)電流向扁鋼接地分配，保護(hù)效果進(jìn)一步變差；

（3）采用網(wǎng)狀陽(yáng)極可以減少電流向罐周邊接地流失，優(yōu)化儲(chǔ)罐底板的電位分布，即使有扁鋼接地、砂層等不利因素，底板仍然可以得到大量電流，并得到較好的保護(hù)效果。