大罐罐底阴极保护全寿命周期监测技术研究

2020-01-11赵常英秦海燕朱加祥

天然气与石油 2019年6期

关键词：测试点阴极保护垫层

赵常英秦海燕朱加祥滕彧

中国石油工程建设有限公司华北分公司, 河北任丘 062552

0 前言

自2004年以来,国家石油储备库开始在全国范围内开工建设,大部分储备库建于沿海地带,如舟山、镇海、大连、黄岛等,大罐设计寿命不少于30 a,为确保大罐罐底外壁在设计寿命内免受腐蚀,罐底采用涂层加阴极保护的联合保护方式[1-3]。

1 罐底阴极保护的必要性

由于储罐罐底置于罐基础之上,罐基础内从罐底起依次由沥青砂绝缘层、中砂垫层、HDPE土工膜、长丝无纺土工布、中砂垫层、级配砂石垫层、级配碎石褥垫层组成,罐基础结构见图1。

图1 罐基础结构图

罐底板下表面涂有防腐涂层,但在焊接时焊缝处的防腐涂层不耐焊接时产生的高温,造成涂层破损,一旦与腐蚀性介质接触,极易造成腐蚀[4]。

虽然罐底下表面有沥青砂做绝缘层,但随着时间的增长,沥青砂会逐年老化,基础垫层出现开裂,另一方面,储罐的质量也随着进液高度变化进行波动,久之罐基础垫层在交变应力作用下发生开裂,这样地下水就会通过裂缝接触到储罐底板,储罐罐底板处于腐蚀环境中,随着时间的延长,防腐层不可避免出现老化破损,此时阴极保护对破损处罐底提供了有效保护,因此,储罐的阴极保护十分必要[5]。

2 罐底阴极保护

2.1 罐底阴极保护系统

储备库原油储罐容积为10×104m3,罐底直径达80 m,根据SY/T 0088-2016《钢质储罐罐底外壁阴极保护技术标准》,罐底外壁采用强制电流阴极保护[6]。

强制电流阴极保护系统包括供电设备、阳极地床和连接电缆等。

阴极保护供电电源采用恒电位仪。储罐基础采用混凝土环墙,为确保罐底中心部位达到保护准则要求,阳极地床采用在罐底基础内埋设阳极的方式。为监测罐底板的阴极保护电位,在储罐底部砂垫层中埋设参比电极,其中1只为恒电位仪用控制参比电极。

罐底阳极地床分为网状阳极地床和柔性阳极地床,网状阳极地床由混合金属氧化物(MMO)带状阳极和导电钛带组成,纵横交叉构成网格式结构,埋设在砂层中,距罐底板300 mm左右,因是网格形,所以常称为网状阳极。柔性阳极分为MMO/TI和导电聚合物两种,MMO/TI 柔性阳极是在金属氧化物阳极及连接电缆的外部包覆连续的焦炭及柔性织物覆盖层,导电聚合物柔性阳极是在带有导电聚合物的铜导线外部包覆连续的焦炭及柔性织物覆盖层。罐底柔性阳极地床是采用柔性阳极蛇形或环状敷设于储罐砂层中,与网状阳极具有相同的优点,如电流分布均匀、产生杂散电流少、不需要回填料、储罐与管道不需要电绝缘、不易受今后工程施工的损坏等。网状阳极缺点是阳极产物是O2,去极化快,且断电电位有不达标现象。柔性阳极优点是阳极产物是CO及CO2,去极化慢,便于测试断电电位[7-9],且保护电位满足设计要求。

2.2 罐底阴极保护测试点布置

大罐罐底坐落于混凝土基础上,一旦建成,人员无法接近罐底,采用在罐周边设置参比电极的方式,无法获得靠近罐底中心的电位,因此通常建罐前在罐基础内预埋长效参比电极。对于罐底板面积较大的储罐,一般在罐底布置多个参比电极[10-12]。

通常,在罐底沿半径方向,根据储罐半径大小,布置一定数量的长效参比电极,参比电极选用长效 Cu/CuSO4参比电极及Zn参比电极,参比电极接入罐附近的测试箱内,通过人工采用万用表,监测各参比电极处的罐底板电位。

3 罐底阴极保护监测电位准确性

自国家石油储备库开建以来,许多原油罐运行超过10 a,在西部、东部、沿海及内陆对不同地区罐底阴极保护调研,发现部分阴极保护系统不能正常运行,其中长效参比电极失效是影响阴极保护正常运行的首要原因。

以恒电位仪作为供电电源,其工作原理是给定信号(控制信号)和经阻抗变换器隔离后的参比信号一起送入比较放大器,经高精度、高稳定性的比较放大器进行比较放大,然后输出误差控制信号,将这个信号送入移相触发器,移相触发器再根据该信号的大小,自动调节脉冲的移相时间,通过脉冲变压器输出触发脉冲来调整极化回路中可控硅的导通角,改变输出电压、电流的大小,使得保护电位等于设定的给定电位,进一步实现恒电位保护。

长效Cu/CuSO4参比电极,是由铜棒及饱和硫酸铜溶液安装于陶瓷罐中,如果安装环境干燥,或硫酸铜液体流失,就会影响参比电极的准确度,造成测量电位偏差。锌参比电极同样与使用环境有关,一旦土壤干燥,锌参比电位正移,导致基准改变,也就失去了作为参比的意义[13]。大罐罐底基础内,由于受到防渗膜的隔离,地下水不易进入防渗膜上部的砂垫层,尤其是对于高于常温的原油储罐,砂垫层受高温影响,更易造成参比电极附近环境干燥,进而造成电位监测不准,甚至经过一定的年限后,长效Cu/CuSO4参比电极失效,无法读取数据。

阳极干扰区的影响,由于罐底基础空间有限,一般砂垫层厚度为300～500 mm,砂垫层下部为防渗膜,为避免防渗膜屏蔽阴极保护电流,阳极和长效参比电极只能安装于防渗膜与罐底板的砂垫层中[14-16]。在受限空间内,长效参比电极无法避开阳极地床的干扰,导致控制用参比电极通电电位偏负,使恒电位仪电流输出量不足,无法使罐底板得到充分极化。

4 罐底阴极保护监测新技术

为确保罐底阴极保护监测数据的准确性,保证参比电极测试电位的准确性是至关重要的。长效参比电极初期运行正常,但无法确保10 a以后的正常使用,因此在罐底采用可更换参比电极,每次测试前对参比电极进行校正。

4.1 预埋阴极保护通道的选择

考虑到金属管作为通道存在对阴极保护电流的屏蔽作用,同时因测试通道距离罐底较近,为避免发生金属管与罐底板的搭接,导致阴极保护电流泄漏,故测试通道采用非金属管。

非金属管在罐底安装,应具备一定的强度和刚度,不会因受到罐底压力而产生破碎或变形,因此选用具有超高分子量的聚乙烯管(HDPE),聚乙烯管采用Φ110 mm×10 mm。对于10×104m3储罐,荷载为250 kN/m2,根据CECS 17《埋地硬聚氯乙烯给水管道工程技术规程》[17],对管道强度及管径直径变形量进行计算,结果表明其完全可承受储罐荷载。