陳玨伶,朱加祥,趙常英,秦海燕,王 璇,李 鑫

(中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司華北分公司,任丘 062552)

油氣田地面工程和油氣儲(chǔ)運(yùn)工程中鋼質(zhì)原油罐浸水部分及各類鋼質(zhì)水罐的內(nèi)腐蝕問(wèn)題一直是儲(chǔ)罐腐蝕控制的重點(diǎn)[1-6]。儲(chǔ)罐內(nèi)表面的防腐蝕方法主要是涂敷涂層[7-10]。然而,涂層不可避免會(huì)存在針孔或缺陷,當(dāng)儲(chǔ)罐中含有強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)時(shí),涂層不能滿足腐蝕控制要求,需要同時(shí)采取陰極保護(hù)進(jìn)行聯(lián)合保護(hù)[11-12]。儲(chǔ)罐內(nèi)表面的陰極保護(hù)可采用犧牲陽(yáng)極或強(qiáng)制電流陰極保護(hù),這兩種陰極保護(hù)方式具有各自的優(yōu)缺點(diǎn),一般會(huì)根據(jù)具體情況選擇合理的陰極保護(hù)方式。在實(shí)際應(yīng)用中,原油儲(chǔ)罐浸水部分和水罐內(nèi)表面大多采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)。目前,已有許多關(guān)于儲(chǔ)罐內(nèi)表面犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)的研究[11-13],也有關(guān)于儲(chǔ)油罐內(nèi)底板陰極保護(hù)犧牲陽(yáng)極布置方式的探討[14]。而針對(duì)介質(zhì)礦化度高、腐蝕性強(qiáng)以及保護(hù)面積較大的水罐,考慮陽(yáng)極消耗和陰極保護(hù)壽命等問(wèn)題,水罐內(nèi)表面采用了強(qiáng)制電流陰極保護(hù)[15-18],但目前關(guān)于強(qiáng)制電流陰極保護(hù)條件下的陽(yáng)極布置相關(guān)研究報(bào)道較少,基于此,筆者對(duì)罐內(nèi)強(qiáng)制電流陰極保護(hù)的輔助陽(yáng)極進(jìn)行合理布置,以期為鋼質(zhì)儲(chǔ)罐所有內(nèi)表面浸水部分得到有效的陰極保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 水罐內(nèi)表面陰極保護(hù)存在問(wèn)題

1.1 犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)

1.2 強(qiáng)制電流陰極保護(hù)

當(dāng)鋼質(zhì)儲(chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)的腐蝕性較強(qiáng),儲(chǔ)罐浸水面積較大,或保護(hù)電流需求較大時(shí),在滿足強(qiáng)制電流的情況下,逐漸出現(xiàn)了儲(chǔ)罐內(nèi)表面強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用[15-18],然而在該應(yīng)用過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)罐內(nèi)表面會(huì)出現(xiàn)局部涂層鼓泡、剝落和腐蝕等問(wèn)題。除水罐內(nèi)表面涂層質(zhì)量原因外,陰極保護(hù)電流分布不均勻造成陰極保護(hù)的過(guò)保護(hù)或欠保護(hù),也可能是造成涂層破壞和罐壁腐蝕的原因之一。對(duì)于水罐內(nèi)表面的陰極保護(hù),必須采用設(shè)計(jì)合理、數(shù)量適當(dāng)、布置合理的陽(yáng)極,以確保適宜的電流分布[19]。

2 強(qiáng)制電流陰極保護(hù)陽(yáng)極用量的計(jì)算

2.1 項(xiàng)目基礎(chǔ)資料

以海外某碳鋼注水罐內(nèi)表面強(qiáng)制電流陰極保護(hù)為例,開展水罐內(nèi)表面強(qiáng)制電流陰極保護(hù)陽(yáng)極布置的討論?；A(chǔ)設(shè)計(jì)參數(shù)如下:

3 400 m3注水罐(碳鋼,錐頂罐);儲(chǔ)罐直徑D為15 m,儲(chǔ)罐高度H為19.2 m,浸水部分罐壁高度HWL為16.5 m,設(shè)計(jì)壽命25 a,操作溫度60 ℃,注水罐中介質(zhì)為原油分離水,礦化度高(由于沒(méi)有采出水,具體值未知);注水罐內(nèi)防腐蝕采用酚醛環(huán)氧涂層(干膜厚度300 μm)。

2.2 輔助陽(yáng)極用量計(jì)算

2.2.1 保護(hù)電流密度及涂層破損率

由于還沒(méi)有采出水,無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)選取保護(hù)電流密度,結(jié)合該儲(chǔ)罐前一階段的陰極保護(hù)設(shè)計(jì)文件及NACE SP0575標(biāo)準(zhǔn)要求,在缺乏數(shù)據(jù)的情況下,裸鋼的陰極保護(hù)電流密度可選取110 mA/m2。按照設(shè)計(jì)文件規(guī)定,壽命為25 a的情況下,涂層后期的破損率為20%。

2.2.2 罐內(nèi)浸水部分面積

注水罐內(nèi)需要陰極保護(hù)的部分包括罐底板、罐壁浸水部分以及罐內(nèi)浸水鋼質(zhì)附件,保護(hù)面積按照公式(1)計(jì)算。計(jì)算時(shí),需要根據(jù)實(shí)際情況考慮一定的余量或系數(shù)。

(1)

式中:S為保護(hù)面積,m2;Sa為罐內(nèi)浸水鋼質(zhì)附件外表面,m2;D為罐底直徑,m;HWL為浸水部分罐壁高度,m。

2.2.3 總保護(hù)電流

被保護(hù)體需要的總保護(hù)電流I總按式(2)計(jì)算。

I總=S·J

(2)

式中:S為保護(hù)面積,m2;J為陰極保護(hù)電流密度,A·m-2。

2.2.4 輔助陽(yáng)極

罐內(nèi)強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的輔助陽(yáng)極選用混合金屬氧化物陽(yáng)極(管狀MMO輔助陽(yáng)極),尺寸為φ25 mm×1 000 mm,輔助陽(yáng)極表面MMO膜厚度不小于6 g/m2,消耗率為6×10-6kg/(A·a)。MMO輔助陽(yáng)極表面MMO膜層總質(zhì)量Wat及MMO輔助陽(yáng)極數(shù)量Na按照公式(3)和(4)計(jì)算。

(3)

式中:Wat為輔助陽(yáng)極表面MMO膜層總質(zhì)量,kg;Ta為輔助陽(yáng)極設(shè)計(jì)壽命,a;ωa為輔助陽(yáng)極表面MMO膜層的消耗率, kg/(A·a);I為保護(hù)電流, A;K為輔助陽(yáng)極利用系數(shù)(0.7～0.85)。

(4)

式中 :Na為輔助陽(yáng)極的支數(shù),支;Wa為單支輔助陽(yáng)極表面MMO膜的質(zhì)量, kg。

由表1可見(jiàn):該注水罐在進(jìn)行強(qiáng)制電流陰極保護(hù)時(shí),選取的MMO輔助陽(yáng)極數(shù)量不少于11支。

表1 輔助陽(yáng)極用量計(jì)算結(jié)果

3 輔助陽(yáng)極布置

3.1 輔助陽(yáng)極布置方案

根據(jù)2.2節(jié)的計(jì)算結(jié)果,確定三種輔助陽(yáng)極布置方案。

方案一:需要12支MMO輔助陽(yáng)極,2支一串,共設(shè)6串陽(yáng)極串,6串陽(yáng)極串布置成一圈環(huán)形陣列;

方案二:需要11支MMO輔助陽(yáng)極,其中10支陽(yáng)極,2支一串,共設(shè)5串陽(yáng)極串,5串陽(yáng)極串布置成一圈環(huán)形陣列,另外1支布置在中心;

方案三:需要12支MMO輔助陽(yáng)極,3支一串,共設(shè)4串陽(yáng)極串,4串陽(yáng)極串布置成一圈環(huán)形陣列。

3.2 輔助陽(yáng)極布置要求

根據(jù)SHEPARD等[20]的研究結(jié)果,陽(yáng)極布置需滿足如下條件:① 陽(yáng)極串最下方的陽(yáng)極底部與罐底間的距離Sab應(yīng)該和陽(yáng)極距側(cè)壁之間的距離Sas大致相同;② 多于1串陽(yáng)極串的陽(yáng)極環(huán)形陣列的半徑r應(yīng)滿足罐壁與陽(yáng)極之間的距離Sas,近似于陽(yáng)極間距(圓周距離)Saa的一半;③陽(yáng)極串中的陽(yáng)極端部-端部間距aa最大為2Sas。根據(jù)NACE陰極保護(hù)培訓(xùn)教材,陽(yáng)極對(duì)正下方的罐底的保護(hù)半徑保守確定為1.5Sab或Sas。

3.3 輔助陽(yáng)極布置參數(shù)

陽(yáng)極組環(huán)形陣列最優(yōu)半徑r計(jì)算公式[21]見(jiàn)式(5)。

(5)

式中:D為罐底直徑,m;N為陽(yáng)極串?dāng)?shù)量,串。

陽(yáng)極間距(圓周距離)Saa、陽(yáng)極串的底部與罐底間的距離Sab、陽(yáng)極距側(cè)壁之間的距離Sas按照公式(6)和公式(7)計(jì)算。

Saa=(2πr)/N

(6)

Sab=Sas=Saa/2

(7)

三種陽(yáng)極布置方案的各參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 三種陽(yáng)極布置方案的參數(shù)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述結(jié)果,按照三種布置方案進(jìn)行輔助陽(yáng)極布置,各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表3,罐內(nèi)MMO陽(yáng)極布置如圖1～3所示。

圖2 方案二MMO輔助陽(yáng)極布置圖Fig.2 MMO auxiliary anode layout for Scheme 2

圖3 方案三MMO輔助陽(yáng)極布置圖Fig.3 MMO auxiliary anode layout for Scheme 3

表3 三種陽(yáng)極布置方案的各項(xiàng)參數(shù)

采用方案二時(shí),中心設(shè)置1串陽(yáng)極,儲(chǔ)罐罐底中心部分區(qū)域完全受到陰極保護(hù)。陽(yáng)極串中的陽(yáng)極間距aa按照最大的間距(2Sas)考慮,陽(yáng)極串最上方的陽(yáng)極頂部與儲(chǔ)罐液面的距離Sat>Sab(或Sas),且Sat>1.5Sab(或Sas),說(shuō)明采用方案二不能使儲(chǔ)罐罐壁上部浸水區(qū)域完全受到陰極保護(hù)。

采用方案三時(shí),陽(yáng)極串上方陽(yáng)極頂部與儲(chǔ)罐液面的距離Sat=Sab(或Sas),表明儲(chǔ)罐罐壁浸水區(qū)域在陰極保護(hù)的范圍內(nèi);2.5Sab(或Sas)>儲(chǔ)罐半徑7.5 m,說(shuō)明儲(chǔ)罐罐底所有區(qū)域在陰極保護(hù)的范圍內(nèi)。

綜上,方案一和方案二不能滿足保護(hù)要求,方案三滿足要求,能夠完全保護(hù)罐壁內(nèi)表面和罐底內(nèi)表面,因此該3 400 m3注水罐的強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)采用方案三的MMO輔助陽(yáng)極布置方式。

4 結(jié) 論

(1) 經(jīng)過(guò)計(jì)算和輔助陽(yáng)極布置方案對(duì)比,最終確定方案三的MMO輔助陽(yáng)極布置方式為該3 400 m3注水罐強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)最合理的陽(yáng)極布置方式。

(2) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果,只進(jìn)行簡(jiǎn)單的經(jīng)驗(yàn)性輔助陽(yáng)極布置,有可能造成罐壁或罐底部分區(qū)域不在有效陰極保護(hù)范圍內(nèi),即使調(diào)節(jié)恒電位儀調(diào)節(jié)也處于欠保護(hù)狀態(tài),過(guò)度調(diào)節(jié)還有可能出現(xiàn)其他區(qū)域過(guò)保護(hù)。

(3) 對(duì)水罐內(nèi)表面強(qiáng)制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的陽(yáng)極進(jìn)行合理布置,需要考慮輔助陽(yáng)極對(duì)罐壁和罐底內(nèi)表面的保護(hù)范圍,關(guān)注罐壁上部和下部、罐底中心和邊緣是否均處于保護(hù),進(jìn)行陽(yáng)極串最上方陽(yáng)極頂部與儲(chǔ)罐內(nèi)液面的距離、2.5Sab等參數(shù)的計(jì)算和核算,確保采取的陽(yáng)極設(shè)置方案合理性,才能有效對(duì)水罐內(nèi)表面進(jìn)行陰極保護(hù)。