CN109913878B - 一种阴极保护牺牲阳极监测装置及消耗检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阴极保护牺牲阳极监测装置及消耗检测方法，阴极保护牺牲阳极监测装置包括电流采集器和监测处理器；所述电流采集器安装在牺牲阳极与罐体之间的连接导线上，电流采集器用于检测连接导线上的电流；所述监测处理器与电流采集器相连，监测处理器接收电流采集器检测到的电流数据并根据电流数据对牺牲阳极的消耗量进行监测。本发明能够对牺牲阳极的消耗状态和使用寿命进行监测和预估。

Description

一种阴极保护牺牲阳极监测装置及消耗检测方法

技术领域

本发明属于阴极保护防腐技术领域，尤其涉及一种阴极保护牺牲阳极的检测装置及消耗检测方法。

背景技术

腐蚀是储罐发生泄漏的重要因素之一，国内外曾发生多起因油罐底部腐蚀造成的漏油事故。储罐底板内侧腐蚀主要是局部腐蚀，包括孔蚀、坑蚀，也有溃疡状腐蚀等。储罐底板外侧腐蚀的典型形式是各处减薄程度不等的溃疡状腐蚀。沉积水电化学腐蚀是内腐蚀的主要原因，罐底板外腐蚀主要原因是土壤腐蚀。

阴极保护是储罐腐蚀防护的主要手段之一，对于新建的地上储罐，宜在最初设计中提供新建地上储罐阴极保护腐蚀控制措施，在储罐内安装牺牲阳极，并宜在系统的使用期间进行维护。

储罐的长周期运行要求使储罐的清罐周期延长，实际生产过程中，有些单位在清罐大修时，发现罐内的牺牲阳极已经消耗殆尽，牺牲阳极未能达到设计寿命，导致罐底板内侧出现腐蚀，发生这种问题的主要原因，与原油的性质存在直接关系。

随着原油消耗量的不断提高,国产原油已经不能满足国内市场的需要,许多企业开始进口原油,而国外原油,尤其是中东原油日益劣化,呈高酸、高硫、高含水量变化趋势,更加重了油罐的腐蚀，因此储存这种原油的储罐，牺牲阳极可能在未达到设计寿命时消耗殆尽，导致罐底板内侧出现腐蚀，腐蚀严重的会发生罐底板腐蚀穿孔，存在原油泄漏、污染环境、起火爆炸的风险，具有较大的安全隐患和经济损失危险。

现有技术中公开了较多具有消耗指示器的牺牲阳极，在牺牲阳极消耗殆尽时，电极裸露而出，通过液体导通，触发指示器，提醒对牺牲阳极进行更换，但此时，牺牲阳极已经消耗殆尽，阴极保护已经失效，腐蚀已经开始发生，储罐仍然存在腐蚀穿孔形成泄漏的风险。

因此为了避免产生因牺牲阳极耗尽造成的各种隐患和危险，合理安排储罐大修时间，及时对储罐进行维护，需要对牺牲阳极的消耗情况进行监测。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种能够对牺牲阳极的消耗状态和使用寿命进行监测和预估的阴极保护牺牲阳极监测装置及消耗检测方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种阴极保护牺牲阳极监测装置，包括电流采集器和监测处理器；所述电流采集器安装在牺牲阳极与罐体之间的连接导线上，电流采集器用于检测连接导线上的电流；所述监测处理器与电流采集器相连，监测处理器接收电流采集器检测到的电流数据并根据电流数据对牺牲阳极的消耗量进行监测。

进一步，所述电流采集器包括设置在连接导线上的分流器以及与分流器并联的电压表；所述分流器为电阻，其阻值取值范围为1mΩ～1000mΩ，防止电阻过大导致连接导线的输出电流减少过多；所述电压表通过导线引出到储罐外，防止用电设备位于储罐内。

进一步，所述电流采集器沿罐体的径向设置多个，每一个电流采集器均安装在对应牺牲阳极与罐体之间的连接导线上；所述电流采集器对每个保护组中的一个牺牲阳极进行电流检测，从而对每个保护组中牺牲阳极的消耗量和剩余寿命都能够得到检测和预估。

进一步，所述监测处理器通过其内部设置的数据接收单元与电流采集器相连，电流采集器检测到的电流数值，能够传送到监测处理器中；监测处理器内设置的数据分析单元，能够根据接收到的当前连接导线上的电流，以及对应牺牲阳极的理论电容量、电流效率和通电时间，得出牺牲阳极的消耗率和在通电时间内的消耗量。

进一步，所述牺牲阳极通过绝缘支架安装在储罐内，用以使牺牲阳极与储罐仅通过连接导线导通；罐体上安装多个牺牲阳极，牺牲阳极分为多个保护组，保护组内的牺牲阳极均位于以底板中心为圆心的圆周上，从而使牺牲阳极成多层环状排布。

进一步，所述监测处理器还与位于储罐内的环境参数采集器相连，对储罐内原油的沉积水进行检测，从而测出牺牲阳极所处液体环境情况的环境参数；所述环境参数采集器内设置PH检测仪，PH检测仪通过伸入到储罐内的探针，检测沉积水的PH值；所述环境参数采集器内设置电阻率测试仪，电阻率测试仪通过伸入到储罐内的探针，检测沉积水的电阻率；所述环境参数采集器通过设置的温度传感器检测沉积水的温度。

一种阴极保护牺牲阳极的消耗检测方法，消耗检测方法如下：

在监测处理器中建立数据库，将牺牲阳极在不同环境参数下的电流效率存入到数据库中，建立基础数据表；

将牺牲阳极的理论电容量Z、单支牺牲阳极的质量M₀存入到数据库中；

每间隔单位时间Δt，监测处理器通过连接的环境参数采集器和电流采集器，同时采集当前牺牲阳极所处环境的环境参数以及单个牺牲阳极的输出电流l_i；

监测处理器根据检测到的当前环境参数以及数据库中的基础数据表，通过多维线性插值算法，得出当前环境下牺牲阳极的电流效率η_i；

得出单位时间Δt内该单个牺牲阳极的消耗量ΔM_i：

得出该单个牺牲阳极的总消耗量M₁：

M₁＝∑(ΔM_i)；

得出该单个牺牲阳极的剩余质量M₂：

M₂＝M₀-M₁。

进一步，所述电流采集器安装在牺牲阳极与罐体之间的连接导线上；所述监测处理器与电流采集器相连；所述监测处理器还与位于储罐内的环境参数采集器相连；其中，所述环境参数采集器采集的环境参数包括沉积水的PH值、温度和电阻率；建立基本数据库时输入的牺牲阳极环境参数，其中沉积水的PH值取1～7，温度取20℃～50℃，电阻率取10Ω·cm～50Ω·cm。

进一步，为了进一步对牺牲阳极的剩余寿命进行预估，监测处理器内的数据分析单元在得出当前环境下牺牲阳极的电流效率η_i后，计算该单个牺牲阳极的消耗率θ_i、平均消耗率θ_avg、最大消耗率θ_max和最小消耗率θ_min：

θ_max＝MAX(θ_i)；

θ_min＝MIN(θ_i)；

得出该单个牺牲阳极的平均剩余寿命T_avg、最小剩余寿命T_min和最大剩余寿命T_max：

进一步，由于牺牲阳极具有多种型号，在采用上述方式进行牺牲阳极的剩余质量检测和剩余寿命预估时，每一个型号的牺牲阳极，都通过电化学性能测试方法，得到一个基础数据表；向监测处理器5内输入牺牲阳极的基础性能数据时，输入当前型号牺牲阳极对应的理论电容量Z；计算当前环境下牺牲阳极的电流效率η_i时，监测处理器调取当前所使用型号牺牲阳极的基础数据表，作为多维线性插值运算的数据基础。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

1、阴极保护牺牲阳极监测装置通过安装的电流采集器，测出牺牲阳极与储罐的罐体之间的电流，进而通过电流数据得出牺牲阳极的消耗量，对牺牲阳极的使用情况进行监测，对剩余寿命进行预估，从而在牺牲阳极耗尽、储罐的腐蚀发生之前，提示工作人员及时进行储罐的维护，防止因牺牲阳极耗尽造成的储罐腐蚀，避免发生原油泄漏、污染环境、着火爆炸的风险。

2、牺牲阳极通过绝缘支架固定在储罐内，使牺牲阳极与储罐的连接部位不导电，全部电流均通过连接导线传到，保证电流采集器采集到电流数据的准确性，进而保证牺牲阳极的消耗检测和寿命预估的准确性。

3、电流采集器采用分流器与电压表的组合，使需要用电工作的电压表可通过导线设置到罐体外，远离罐体内存储的原油等易燃内容物，防止漏电引燃罐体内易燃易爆物质，保证储罐的安全性。

4、电流采集器沿罐体径向设置，对罐体径向上各个位置的牺牲阳极进行监测，能够全面的体现罐体内全部牺牲阳极的耗损状态，使得罐体内各个位置都能够及时发现牺牲阳极的耗损异常，防止罐体腐蚀的发生。

5、连接的环境参数采集器，能够检测牺牲阳极当前所处液体环境的情况，从而及时获知牺牲阳极消耗速度的变化，使牺牲阳极消耗量检测的准确性提高，牺牲阳极的剩余寿命预估更加准确，保证在牺牲阳极腐蚀速度变快时，也能够及时发现其即将耗尽，及时进行罐体维护，防止腐蚀发生。

附图说明

图1为阴极保护牺牲阳极监测装置的结构示意图；

以上各图中：1、罐体；2、牺牲阳极；3、连接导线；4、电流采集器；41、分流器；42、电压表；5、监测处理器；6、绝缘支架；7、环境参数采集器。

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1所示，阴极保护牺牲阳极监测装置，用于对储罐的罐体1内安装的牺牲阳极2进行监测，牺牲阳极2的监测包括对其消耗量的检测和剩余寿命预估。

阴极保护牺牲阳极监测装置包括电流采集器4和监测处理器5。

储罐的罐体1与牺牲阳极2之间安装连接导线3，两者之间通过连接导线3导通。

电流采集器4安装在连接导线3上，检测连接导线3上的电流。

监测处理器5通过其内部设置的数据接收单元与电流采集器4相连，电流采集器4检测到的电流数值，能够传送到监测处理器5中。

监测处理器5内设置的数据分析单元，能够根据接收到的当前连接导线3上的电流，以及对应牺牲阳极2的理论电容量、电流效率和通电时间，得出牺牲阳极2的消耗率和在通电时间内的消耗量。

根据牺牲阳极2的总质量和消耗量，得出牺牲阳极2的剩余质量。

根据牺牲阳极2的剩余质量和消耗率，得出牺牲阳极2的剩余寿命。

为了保证电流检测的准确性，牺牲阳极2通过绝缘支架6安装在储罐内。

牺牲阳极2与罐体1固定连接的连接部位被绝缘支架6隔开，从而使牺牲阳极2与罐体1之间，仅通过连接导线3导通，两者之间流动的电流，全部流过连接导线3，从而使电流采集器4采集到的电流，能够准确反映牺牲阳极的消耗情况。

为了保证储罐的安全性，电流采集器4为设置在连接导线3上的分流器41以及与分流器41并联的电压表42。

分流器41实际为电阻，其阻值取值范围为1～1000mΩ，防止电阻过大导致连接导线3的输出电流减少过多。

电压表42为需要电源供电进行工作的测量仪器，电压表42与分流器41并联，电压表42通过导线引出到储罐外，防止用电设备位于储罐内，因漏电等问题引燃储罐内的可燃物质，避免因此造成火灾或者爆炸，提高安全性。

为了对罐体1底板的各个位置都能够形成充分的阴极保护，底板上安装若干个牺牲阳极，牺牲阳极分为多个保护组，保护组内的牺牲阳极均位于以底板中心为圆心的圆周上，从而使牺牲阳极成多层环状排布。

由于储罐内液体处于近乎静止的状态，因此储罐底部的液体环境较为均匀，每一个保护组内的各个牺牲阳极，消耗情况基本相同。

为了更加全面的检测罐体1底板各个位置的牺牲阳极，电流采集器4沿罐体1的径向设置多个，每个电流采集器4均安装在对应牺牲阳极2与罐体1之间的连接导线3上，即每一个保护组中的其中一个牺牲阳极2，都连接电流采集器。

电流采集器4对每个保护组中的一个牺牲阳极2进行电流检测，从而对每个保护组中牺牲阳极2的消耗量和剩余寿命都能够得到检测和预估，从而能够全面体现罐底全部牺牲阳极2的耗损情况，提高监测的全面性。

储罐内存储的原油，其沉积水的酸碱度、温度和电阻率，均会对牺牲阳极2的电流效率形成较大的影响。

为了进一步提高牺牲阳极2电流效率的准确性，提高牺牲阳极2消耗量测算的精确性，监测处理器5连接有环境参数采集器7。

环境参数采集器7位于储罐内，对储罐内原油的沉积水进行检测，从而测出牺牲阳极2所处液体环境情况的环境参数。

环境参数包括原油沉积水的PH值、温度和电阻率。

环境参数采集器7内设置PH检测仪，PH检测仪通过伸入到储罐内的探针，检测沉积水的PH值。环境参数采集器7内设置电阻率测试仪，电阻率测试仪通过伸入到储罐内的探针，检测沉积水的电阻率。环境参数采集器7通过设置的温度传感器检测沉积水的温度。

上述技术方案所述的阴极保护牺牲阳极监测装置，在进行牺牲阳极2的监测时，在监测处理器5内设置的数据存储单元中建立数据库，将牺牲阳极2在不同环境参数下的电流效率存入到数据库中，建立基础数据表。

环境参数包括原油沉积水的PH值、温度和电阻率。

牺牲阳极2的电流效率，采用试验方法获得。具体试验方法采用国标中的牺牲阳极电化学性能测试方法，将该方法中的试验介质，替换为具有不同环境参数的液体，从而使测量结果具有牺牲阳极在不同环境参数下的电流效率。

通过试验方法测量电流效率时，环境参数的选择为：PH值取1～7，温度取20～50℃，电阻率取10～50Ω·cm。

每个环境参数设置3～10个取值点，从而能够覆盖牺牲阳极的全部使用环境条件。

以设置5个取值点为例，PH值取1、2.5、4、5.5和7，温度取20℃、27.5℃、35℃、42.5℃和50℃，电阻率取10Ω·cm、20Ω·cm、30Ω·cm、40Ω·cm和50Ω·cm。

按照上述取值配制出具有各种环境参数的液体，作为试验介质，对牺牲阳极进行电化学性能测试，测出如下数据表格：

表格中的数据X₁～X₁₂₅，均通过上述电化学性能测试方法得出，该测试方法为现有技术，并非本申请创新点。

在监测处理器5的数据存储单元内建立基础数据表后，向数据库内输入牺牲阳极2的基础性能数据，包括牺牲阳极2的理论电容量Z和单支牺牲阳极2的质量M₀。

牺牲阳极2的理论电容量，为根据法拉第定律计算消耗单位质量的牺牲阳极所产生的电量，该数据为现有数据。

监测处理器5通过设置的计时器，每间隔单位时间Δt，监测处理器5通过连接的环境参数采集器和电流采集器，同时采集一次当前牺牲阳极所处环境的环境参数以及单个牺牲阳极的输出电流l_i。

由于储罐罐体内的原油基本处于静止状态，沉积水的成分和浓度均匀，任意位置对沉积水检测，即可获知全部牺牲阳极所处环境的环境参数。

监测处理器5内的数据分析单元，根据检测到的当前环境参数，调取数据库中的基础数据表，通过多维线性插值算法，得出当前环境参数下牺牲阳极的电流效率η_i。

插值运算方法就是已知一组离散的数据点集，根据数据的分布规律，找到一个函数表达式可以连接已知的各点，并用此函数表达式预测两点之间任意位置上的函数值，从而在集合内部某两个点之间预测函数值。

线性插值即一组数据的相邻两点之间形成的函数为线性函数。

多维插值即插值运算时数据点集中的每个数据点，其维度较多，本申请的维度包括PH值、温度和电阻率，共三个维度。

多维线性插值运算为现有技术，并非本申请创新点。

监测处理器5内的数据分析单元，根据当前环境参数下牺牲阳极的电流效率η_i，以及公式：

得出单位时间Δt内该单个牺牲阳极的消耗量ΔM_i。

监测处理器5内的数据分析单元，根据每个单位时间Δt内该单个牺牲阳极的消耗量ΔM_i，进行求和，得出该单个牺牲阳极的总消耗量M₁，M₁＝∑(ΔM_i)。

监测处理器5内的数据分析单元，根据该单个牺牲阳极的总消耗量M₁及质量M₀，通过差值运算M₂＝M₀-M₁，得出该单个牺牲阳极的剩余质量M₂。

监测处理器5将得到牺牲阳极总消耗量M₁和剩余质量M₂，发送到储罐监控设备的显示器上，或者维护人员手持的移动终端上，使工作人员获知储罐内牺牲阳极的使用消耗情况和剩余量，实现对牺牲阳极的监测。

为了进一步对牺牲阳极的剩余寿命进行预估，监测处理器5内的数据分析单元在得出当前环境下牺牲阳极的电流效率η_i后，利用下列计算方式：

θ_max＝MAX(θ_i)；

θ_min＝MIN(θ_i)；

计算出该单个牺牲阳极的消耗率θ_i、平均消耗率θ_avg、最大消耗率θ_max和最小消耗率θ_min。

进一步利用下列计算方式：

得出该单个牺牲阳极的平均剩余寿命T_avg、最小剩余寿命T_min和最大剩余寿命T_max，发送到储罐监控设备的显示器上，或者维护人员手持的移动终端上，使工作人员更准确的对牺牲阳极的剩余寿命进行预估，减少因原油沉积水的环境参数变化，造成剩余寿命的预估误差，从而最大程度的保证在牺牲阳极耗尽之前，使维护人员能够准确获知牺牲阳极的消耗情况，及时维护，避免腐蚀。

由于牺牲阳极具有多种型号，在采用上述方式进行牺牲阳极的剩余质量检测和剩余寿命预估时，每一个型号的牺牲阳极，都通过电化学性能测试方法，得到一个基础数据表。

向监测处理器5内输入牺牲阳极的基础性能数据时，输入当前型号牺牲阳极对应的理论电容量Z。

计算当前环境下牺牲阳极的电流效率η_i时，监测处理器调取当前所使用型号牺牲阳极的基础数据表，作为多维线性插值运算的数据基础。

综上可得：阴极保护牺牲阳极监测装置通过安装的电流采集器4，测出牺牲阳极2与储罐的罐体1之间的电流，进而通过电流数据得出牺牲阳极2的消耗量，对牺牲阳极2的使用情况进行监测，对剩余寿命进行预估，从而在牺牲阳极2耗尽、储罐的腐蚀发生之前，提示工作人员及时进行储罐的维护，防止因牺牲阳极耗尽造成的储罐腐蚀，避免发生原油泄漏、污染环境、着火爆炸的风险。

牺牲阳极2通过绝缘支架6固定在储罐内，使牺牲阳极2与储罐的连接部位不导电，全部电流均通过连接导线3传到，保证电流采集器4采集到电流数据的准确性，进而保证牺牲阳极2的消耗检测和寿命预估的准确性。

电流采集器采4用分流器41与电压表42的组合，使需要用电工作的电压表42可通过导线设置到罐体外，远离罐体内存储的原油等易燃内容物，防止漏电引燃罐体内易燃易爆物质，保证储罐的安全性。

电流采集器4沿罐体1径向设置，对罐体1径向上各个位置的牺牲阳极2进行监测，能够全面的体现罐体1内全部牺牲阳极的耗损状态，使得罐体1内各个位置都能够及时发现牺牲阳极2的耗损异常，防止罐体1腐蚀的发生。

连接的环境参数采集器7，能够检测牺牲阳极2当前所处液体环境的情况，从而及时获知牺牲阳极2消耗速度的变化，使牺牲阳极2消耗量检测的准确性提高，牺牲阳极2的剩余寿命预估更加准确，保证在牺牲阳极2腐蚀速度变快时，也能够及时发现其即将耗尽，及时进行罐体1维护，防止腐蚀发生。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (4)

1.一种阴极保护牺牲阳极的消耗检测方法，其特征在于，消耗检测方法如下：

在监测处理器中建立数据库，将牺牲阳极在不同环境参数下的电流效率存入到数据库中，建立基础数据表；

将牺牲阳极的理论电容量Z、单支牺牲阳极的质量M₀存入到数据库中；

每间隔单位时间Δt，监测处理器通过连接的环境参数采集器和电流采集器，同时采集当前牺牲阳极所处环境的环境参数以及单个牺牲阳极的输出电流l_i；

监测处理器根据检测到的当前环境参数以及数据库中的基础数据表，通过多维线性插值算法，得出当前环境下牺牲阳极的电流效率η_i；

得出单位时间Δt内该单个牺牲阳极的消耗量ΔM_i：

得出该单个牺牲阳极的总消耗量M₁：

M₁＝∑(ΔM_i)；

得出该单个牺牲阳极的剩余质量M₂：

M₂＝M₀-M₁。

2.根据权利要求1所述的一种阴极保护牺牲阳极的消耗检测方法，其特征在于：所述电流采集器安装在牺牲阳极与罐体之间的连接导线上；所述监测处理器与电流采集器相连；所述监测处理器还与位于储罐内的环境参数采集器相连；

其中，所述环境参数采集器采集的环境参数包括沉积水的pH值、温度和电阻率；

建立基本数据库时输入的牺牲阳极环境参数，其中沉积水的pH值取1～7，温度取20℃～50℃，电阻率取10Ω·cm～50Ω·cm。

3.根据权利要求1所述的一种阴极保护牺牲阳极的消耗检测方法，其特征在于：为了进一步对牺牲阳极的剩余寿命进行预估，监测处理器内的数据分析单元在得出当前环境下牺牲阳极的电流效率η_i后，计算该单个牺牲阳极的消耗率θ_i、平均消耗率θ_avg、最大消耗率θ_max和最小消耗率θ_min：

θ_max＝MAX(θ_i)；

θ_min＝MIN(θ_i)；

得出该单个牺牲阳极的平均剩余寿命T_avg、最小剩余寿命T_min和最大剩余寿命T_max：

4.根据权利要求1所述的一种阴极保护牺牲阳极的消耗检测方法，其特征在于：由于牺牲阳极具有多种型号，在采用上述方式进行牺牲阳极的剩余质量检测和剩余寿命预估时，每一个型号的牺牲阳极，都通过电化学性能测试方法，得到一个基础数据表；

向监测处理器(5)内输入牺牲阳极的基础性能数据时，输入当前型号牺牲阳极对应的理论电容量Z；

计算当前环境下牺牲阳极的电流效率η_i时，监测处理器调取当前所使用型号牺牲阳极的基础数据表，作为多维线性插值运算的数据基础。

Images