深井阳极阴极保护技术优化设计研究

2017-07-03张伟姜勇杨晓泉林纯省马伟平

石油石化节能 2017年6期

张伟姜勇杨晓泉林纯省马伟平

深井阳极阴极保护技术优化设计研究

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（1.中国石油北京销售公司仓储分公司石楼油库；2.中国石油北京油气调控中心；3.中国石油管道局工程有限公司第四分公司；4.中国航空油料有限责任公司温州分公司；5.中国石油管道研究中心）

深井阳极技术具有性能稳定、电流分布均匀等优点，广泛应用于储罐底板阴极保护工程。基于深井阳极技术施工难度和经济性因素，提出了研究确定合理的深井阳极埋深的需求。根据经典带电圆盘电流密度分布假设，考虑土壤和沥青砂基础的不均匀性，提出了求解储罐底板阴极保护电位的新方法。研究了不同深井阳极埋深对应的储罐底板保护电位分布情况，得出结论：针对单个储罐和单支深井阳极的情形，合理的深井阳极埋深范围是25～45 m，储罐电位分布较均匀，可有效避免电流流失和储罐欠保护问题。

深井阳极；阴极保护；电位；储罐；埋深

引言

国内大型储罐工程广泛应用了深井阳极阴极保护技术[1]。相对罐周均布浅埋阳极和牺牲阳极，深井阳极具有接地电阻小、占地少、性能稳定、使用寿命长、罐底板电流均匀等优点。深井阳极施工应满足水文地质结构，已建深井阳极调整非常困难，合理的深井阳极设计可以使储罐处于良好保护状态，恒电位仪电能消耗较小；因此，新建储罐阴极保护工程的关键问题是确定深井阳极埋深和位置。国内外深井阳极工程实践表明，深井阳极距离储罐水平距离应大于30 m才能获得较好保护效果[2]，距离过小导致部分保护电流流回整流器影响保护电位和电流密度分布的均匀性。但针对埋深没有统一规定，从施工难度和经济性考虑，应用单支阳极是最实用的，研究单支深井阳极埋深对储罐底板保护电位的影响具有实际意义。

目前，新建储罐阴极保护工程设计中深井阳极埋深一般根据实践经验确定或者电位叠加法估算。近年来，应用有限元（ANSYS）、边界元（BEASYCP）、Fluent等数值方法进行阴极保护系统优化设计成为技术发展方向[3]。本研究根据经典带电圆盘电流密度分布假设，提出了求解储罐底板阴极保护电位的新方法。针对不同深井阳极埋深计算了对应的储罐底板保护电位，根据数值计算结果对深井阳极合理的埋深进行了研究。

1 储罐底板阴极保护系统数学模型

稳态分布型储罐底板阴极保护系统电位分布满足Laplace方程，即

φ=φ0（第一类边界条件）

式中：φ0——深井阳极表面极化电位值，V；

σ——储罐底板区域环境介质电导率，Ω·m；

f(φ)——储罐底板表面电流密度，mA/m2。

1.1 深井阳极极化电位

根据阴极保护体系物理模型计算深井阳极极化电位[4]，其表达式为

式中：U——恒电位仪输出电压值，V；

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I0——所需保护电流，A；

R——深井阳极接地电阻，Ω；

RW——深井阳极电缆电阻，Ω；

ξ——焦炭回填料反电动势，2 V。

1.2 储罐底板电流密度

文献[5]根据经典静电学原理推导出无限大空间带电圆盘电流密度i分布公式，即

式中：i——圆盘导体距圆心a处的电流密度，mA/m2；

a——该点距圆盘中心距离，m；

r——圆盘半径，m；

1.3 储罐底板环境介质参数

储罐底板和以沥青砂为主要成分的基础层接触，基础层与土壤电阻率、密度差异很大，在以往储罐阴极保护模拟研究中认为土壤均匀各向同性[6]，计算结果存在误差。本研究中储罐底板环境介质由土壤和沥青砂基础构成[7]，土壤电阻率5Ω·m，沥青砂基础电阻率200Ω·m，储罐底板环境介质参数和深井阳极参数见表1。土壤自然腐蚀电位-0.55 V，储罐底板保护电位最小值-0.85 V，储罐底板保护电位最大值-1.2 V，储罐底板平均电流密度6 mA/m2。

表1 储罐底板环境介质参数和深井阳极参数

1.4 计算实例Ⅰ

文献[8]提供了应用多孔PVC参比电极测量实际储罐底板保护电位的数据，储罐直径36 m，罐边缘到罐中心径向方向等间隔测量13个点，保护电流密度6 mA/m2，在一侧安装深井阳极，距储罐边缘近端52 m，埋深30 m，长度15 m，测试电位期间恒电位仪输出电压4.85 V。

数值结果与实测电位数据见表2，其中10个检测位置的测试电位值与数值方法结果的相对误差小于6%。深井阳极距储罐边缘近端0～3.0 m范围内电位结果相差较大，主要原因是深井阳极极化电位是动态变化的。本研究根据阴极保护系统设计参数近似计算深井阳极极化电位，该值固定不变，因此计算结果存在一定误差。剔除深井阳极极化电位动态变化因素影响，数值结果和实测电位数据的误差在工程允许误差范围内，验证了储罐阴极保护系统数值模拟的可靠性。

表2 数值结果和实测电位数据对比

2 深井阳极埋深对储罐阴极保护电位的影响

以2×104m3浮顶储罐为例，罐直径40 m，储罐一侧安装深井阳极，材质YJB3SiCr-75×1000 mm（由15组单支深井阳极串接而成），深井阳极距离储罐近端30 m（图1）。研究储罐特殊位置点的电位值，特殊点分布见图2。

图1 储罐一侧安装深井阳极示意图

图2 储罐特殊点分布

预先设定深井阳极埋深，调整恒电位仪输出电压使储罐底板保护电位处于-0.85～-1.2 V范围内，控制储罐边缘和储罐中心的电位差尽可能小；保持恒电位仪输出电压不变，改变深井阳极埋深，研究深井阳极埋深对储罐底板电位分布的影响（图3、图4）。可以看出，深井阳极埋深在15～45 m范围内，储罐底板电位分布变化较为平缓；深井阳极埋深小于15 m或者大于45 m，即深井阳极埋深过浅或者过深，储罐底板电位分布变化剧烈，储罐底板部分区域甚至存在欠保护问题。

为了进一步确定较为合理的深井阳极埋深，以储罐中心轴线（A3、A7）为例，绘制了不同深井阳极埋深情况下储罐底板水平轴线电位分布的规律，重点针对深井阳极埋深10 m、20 m、30 m和40 m的情形（图5）。

图3 深井阳极埋深对储罐底板电位分布的影响

图4 深井阳极埋深对储罐底板电位分布的影响

图5 深井阳极埋深对储罐水平轴线电位的影响

可以看出，如深井阳极埋深较浅（介于10～20 m），大部分保护电流流向土壤，导致储罐远阳极端地表区域（100 m处）的电压较高。虽然深井阳极埋深10 m和40 m对应的储罐底板的保护电位相差不大，但是对于储罐区安全是不利的。国内储罐接地为了避免扁钢接地造成的保护电流流失，一般采用锌接地。锌在土壤中开路电位是-1.1 V，深井阳极埋深10～20 m时储罐远阳极端地表区域（100 m处）的电位大大高于锌接地极的开路电位，会造成大量电流流失。虽然深井阳极埋深10～20 m和30～40 m条件下储罐底板保护电位差异不大，也可以达到保护状态，但实际上是不可取的。此外，深井阳极埋深30～40 m条件下储罐远阳极端地表区域（100 m处）的电位与锌接地极的开路电位接近。综上所述，针对储罐单侧安装深井阳极，深井阳极合理的埋深范围是25～45 m。