CN110819994A - 防渗膜条件下罐底外壁强制电流阴极保护方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种防渗膜条件下罐底外壁强制电流阴极保护方法，包括如下步骤：第一步、收集阴极保护现场数据；第二步、确定阴极保护电流；第三步、确定阴极保护电源设备；第四步、确定阴极保护电源设备的保护电位调节范围；第五步、设置辅助阳极；第六步、确定参比电极。与现有技术相比，本发明的积极效果是：通过采用恒电位仪作为阴极保护供电电源，有效地将罐底外壁保护电位恒定维持在需要的区间范围；通过分析、计算、测试，在防渗膜工况下阴极保护电源设备保护电位调节范围确定为0V～‑30V；采用网状阳极布置方式电位分布更均匀，效果更优。

Description

防渗膜条件下罐底外壁强制电流阴极保护方法

技术领域

本发明涉及一种防渗膜条件下罐底外壁强制电流阴极保护方法。

背景技术

国内大型立式储罐罐底外壁一般均施加有阴极保护，但如罐底增加了防渗膜，由于防渗膜对阴极保护电磁场的屏蔽和隔离作用，导致了罐底腐蚀环境的变化，对现有的阴极保护系统在设备选型、阳极选择、电阻压降等参数均产生了差异，此种差异可能导致阴极保护的偏差和失效。常规的大型立式储罐罐底外壁阴极保护主要有如下设计要点：

1、罐底外壁强制电流阴极保护系统

国内大型立式储罐罐底外壁阴极保护方法分为牺牲阳极方式和强制电流方式，以强制电流阴极保护方式为主。强制电流阴极保护系统通常由阴极保护电源设备、辅助阳极、通电点、参比电极、测试装置等几部分，通过电缆连接而成。

2、阴极保护电源设备类型

强制电流阴极保护系统所用的电源设备主要有整流器、恒电位仪二种型式。

整流器是一种将交流电转换为直流电的装置，具有结构简单，输出电压、输出电流连续可调、操作和维护简便的优点，但不具备负载变化时，自动调节输出电流、自动控制保护电位的功能，需要手动调节。常规储罐设计中通常认为当阴极保护系统投运后，外界对罐底的干扰程度低，罐底外壁通电点的保护电位是较为恒定的，电源设备采用整流器能够满足要求。

3、恒电位仪控制电位范围

恒电位仪是将参比电极测量电位作为取样信号，与控制电位进行比较，实现控制并调节极化电流输出，使通电点保持在设定的控制电位上的装置，具有当负载变化时自动调节输出电流，自动控制保护电位，保证通电点电位恒定的功能。恒电位仪控制电位范围一般为0V～-3V(相对于铜/硫酸铜参比电极)，该电位调节范围是根据IR降来确定的。IR降指阴极保护电流在介质中流动所造成的电阻压降。罐底阴极保护电位所测量的是参比电极与被保护体之间的电位。

对于罐底阴极保护系统而言，由于参比电极置于罐底板下的砂垫层内，通电情况下所测得的参比电极与罐底之间的电位由：①罐底板的自然电位；②罐底板的阴极极化电位；③罐底板与砂垫层之间过渡电阻引起的电压降；④测量回路电阻引起的电压降；⑤参比电极与阳极之间的电位偏移等因素组成。上述因素中，第①②项是真正反映罐底被极化的程度，是电容性质的参数；其余项是电阻性质的参数，他们所引起的电压降可统称为IR降。

为有效评价阴极保护状况，需要获得罐底板的真实的阴极极化电位，通电情况下电位测量的数值必须消除IR降才能知道罐底板的实际极化电位。由于IR降是电流和电阻的常数，为了消除IR降影响，通常采用《埋地钢质管道阴极保护参数测量方法》(GB/T 21246)所推荐的断电电位测试方法，测得的断电电位，视为消除IR降后的的极化电位。IR降的数值可视作通电电位与断电电位的差值。

4、辅助阳极

罐底外壁强制电流阴极保护系统配套的辅助阳极，可选择罐基础外安装深井阳极、浅埋高硅铸铁阳极，以及在罐基础内(通常为砂垫层内)安装网状阳极、线性阳极和浅埋高硅铸铁阳极几种方式。

由于环梁(主要是环梁内钢筋)对罐外阳极产生一定的绝缘屏蔽层作用，故相对罐外阳极(罐基础外深井阳极、浅埋高硅铸铁阳极)来说，在罐底基础的砂垫层内安装网状阳极、线性阳极或浅埋高硅铸铁阳极的近阳极方式更为适宜。

在罐底近阳极的安装形式中，线性阳极因其可灵活弯折，形似较粗的电缆而称为线性阳极、柔性阳极或缆状阳极，其布置方式通常分用盘旋式、回形针式2种。线性阳极具有导电性可靠，阳极消耗率低，使用寿命长的特点，与网状阳极相比具有施工简便的优点。网状阳极安装位置与线性阳极相似，都是埋设于罐底板下方的砂垫层内，能对罐底板提供均匀的保护电流，寿命较长；缺点是施工较线性阳极复杂，阳极带和导电片间的焊接点较多。高硅铸铁阳极价格最低，但高硅铸铁阳极存在阳极尺寸偏大、阳极间可能产生干扰、电流分布不够均匀等缺陷。

5、罐底外壁腐蚀环境

对于立式储罐，通常罐底板外壁涂料涂敷完成后，才能进行罐底板的焊接，焊缝附近有一定的焊接热影响区，焊缝及热影响区的钢材表面通常无法再进行涂料涂敷或修复。

罐底基础通常指罐底板下由环梁包围的土工结构层，从罐底板往下常规为：沥青砂垫层-砂垫层-碎石垫层-原土层(或夯实土层)。与罐底板直接接触的是沥青砂垫层，虽然相对于含水、含氧气和含各种化学介质的实际土壤环境来说腐蚀环境较轻，但会受到土壤毛细现象、罐底板边沿处和混凝土基础部分渗漏的影响，基础以外的水分可以通过土壤毛细、沥青砂垫层裂缝以及罐底板边沿和混凝土基础之间的缝隙等途径渗入到罐底板外壁与沥青砂垫层之间，产生积水，对罐底板外壁涂层薄弱处、焊缝及热影响区造成腐蚀。

随着储罐服役时间的增加，罐底板防腐层存在退化、失粘的风险，这部分罐底板后期也存在腐蚀风险。大量调查表明，未实施阴极保护或阴极保护不完全的罐外底板腐蚀通常较为严重。

6、储罐液位变化对罐底阴极保护的影响

对10万方储罐罐底板通常设计有0.8％-1.5％的锥度，当满罐时罐底板与沥青砂垫层接触紧密，阴极保护电流可充分对罐底板防腐层缺陷位置实施保护，但当油品存储量减少时，罐底板与沥青砂垫层的接触程度也将发生变化，比较明显的变化是产生中心空鼓，中心处最大可产生近7mm的间距，被保护体与电解质缝隙导致阴极保护电流无法达到被保护体，阴极保护电源设备输出电流量会随着液位变化而变化。

近年来，随着对环境保护的重视，国内大型储罐基础内增设防渗膜的情况越来越多。防渗膜是在罐基础内，通常位于沥青砂层和砂垫层以下，敷设的一层以高密度聚乙烯和土工布为主材的绝缘性土工薄膜。防渗膜的主要作用是防止油、水介质泄漏时对周围环境的扩散和污染。由于防渗膜具有绝缘的效果，当其与环梁一同构成绝缘屏蔽层时，罐底外壁阴极保护系统的电磁场环境与常规未设置防渗膜的储罐是不同的。因此，在防渗膜条件下，需要对立式储罐罐底外壁阴极保护的设计方法进行改进。

发明内容

为了克服现有技术的缺点，本发明提供了一种防渗膜条件下罐底外壁强制电流阴极保护方法。

本发明所采用的技术方案是：一种防渗膜条件下罐底外壁强制电流阴极保护方法，包括如下步骤：

第一步、收集阴极保护现场数据；

第二步、确定阴极保护电流；

第三步、确定阴极保护电源设备；

第四步、确定阴极保护电源设备的保护电位调节范围；

第五步、设置辅助阳极；

第六步、确定参比电极。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：

1、电源设备类型选择

本发明通过对防渗膜条件下储罐在空、满罐期间阴极保护电位和电源设备输出电流和保护电位的数值模拟计算及现场验证测试，确定了罐底外壁与罐底土壤垫层的接触面积和所需阴极保护电流之间的关系，并通过采用恒电位仪作为阴极保护供电电源，有效地将罐底外壁保护电位恒定维持在需要的区间范围。

2、电源设备控制电位参数

恒电位仪控制模块的核心是比较放大器，只要仪器的放大倍数计算设计正确，取样信号特性与仪器输入输出特性有足够的线性一致，并且调整良好，恒电位仪在额定工作范围内可使被保护物通电点的电位与设定的控制电位一致。

放大倍数通常是根据阴极保护回路电阻来确定的。在储罐基础内设置防渗膜的情况下，通过对已建储罐的测试和计算，阴极保护回路中的IR降数值远超常规恒电位仪输出电位调节范围，0V～-3V不能满足要求。本发明通过分析、计算、测试，在防渗膜工况下阴极保护电源设备保护电位调节范围确定为0V～-30V。

3、辅助阳极最优方式

国内对罐底外壁阴极保护系统投运后，各类阳极分布方式下保护电位的均匀程度未进行专项研究，本发明通过对防渗膜条件下已建储罐阴极保护系统的模拟计算和现场测试验证，罐底外壁阴极保护辅助阳极可采用网状阳极、线性阳极盘旋式和线性阳极回形针式三种方式，其中网状阳极布置方式电位分布更均匀，效果更优。

具体实施方式

一种防渗膜条件下罐底外壁强制电流阴极保护方法，包括如下步骤：

第一步：阴极保护现场调查

(1)收集罐区和储罐的设计资料

调查了解罐区和储罐的设计资料，以及相邻的地上和地下金属构筑物分布和电缆导管的路径等；尤其是储罐底部计划铺设的防渗膜类型、绝缘性、在罐底基础中的位置等；

(2)设计或收集罐底外壁防腐层

防腐层是防止钢材表面遭受腐蚀的主要手段，阴极保护系统是对防腐层缺陷的补充。罐底外壁应采用绝缘性能优异的防腐层，应收集防腐涂料的种类、绝缘性能、施工方式等；

(3)调查电源情况

调查周边可利用电源位置、可能的干扰源和杂散电流的存在与否等；

(4)地质情况调查

调查储罐所在场地的自然电位、土壤电阻率、地下水位、土壤腐蚀情况、冻土层深度、基岩深度、和现场条件等；

(5)调查周边阴极保护情况

场地周边已有的或规划中的阴极保护系统及其运行参数；

(6)调查周边金属构筑物

储罐与周边金属构筑物间的电绝缘性、电连续性，与场地接地极的连接方式等。

第二步：阴极保护电流计算

(1)确定保护电流密度取值范围

根据调查了解的罐底外壁防腐层完整性、绝缘性，确定保护电流密度的取值。如罐底外壁未涂敷防腐层，或者防腐层完整性差、剥离或脱落严重，根据GB 50393《钢质石油储罐防腐蚀工程技术规范》的规定，取值范围宜为10mA/m²～20mA/m²；如防腐层完整性、绝缘性良好，根据SY/T 0088《钢质储罐罐底外壁阴极保护技术标准》的规定，取值范围宜为5mA/m²～10mA/m²。

(2)阴极保护电流计算

根据GB 50393《钢质石油储罐防腐蚀工程技术规范》中规定的罐底外壁强制电流阴极保护计算公式，代入预估的保护电流密度取值，进行罐底外壁阴极保护电流需求计算。

第三步：阴极保护电源设备选型

(1)阴极保护电源设备选用类型及主要功能

阴极保护电源设备选用恒电位仪型，恒电位仪应具有恒电位、恒电流、手动调节、通断电测试、过流保护、防雷保护、抗交流干扰、故障时自动切换等功能。

(2)阴极保护电源设备额定输出电流、额定输出电压的确定

根据阴极保护电流计算结果，确定阴极保护电源设备型号，即设备的额定输出电流、额定输出电压，电源设备的功率应有10％～50％的裕量。

第四步：阴极保护电源设备的保护电位调节范围

由于罐底安装有防渗膜，防渗膜条件下阴极保护电源设备的保护电位调节范围应不小于为0V～-30V。

第五步：辅助阳极的选择

(1)选用由钛镀贵金属氧化物阳极带和钛金属导电片垂直交叉焊接在一起形成的网状阳极，阳极网敷设于防渗膜上、罐底板下的砂垫层内。阳极带和导电片间距选用可参考GB 50393的规定。

(2)为保证阳极网中阴极保护电流的均匀分布，阳极电缆与网状阳极的连接点不少于2处。

第六步：参比电极

参比电极宜选用长效硫酸铜(CSE)电极和锌参比电极的双电极形式。

Claims (9)

1.一种防渗膜条件下罐底外壁强制电流阴极保护方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步、收集阴极保护现场数据；

第二步、确定阴极保护电流；

第三步、确定阴极保护电源设备；

第四步、确定阴极保护电源设备的保护电位调节范围；

第五步、设置辅助阳极；

第六步、确定参比电极。

2.根据权利要求1所述的防渗膜条件下罐底外壁强制电流阴极保护方法，其特征在于：第一步所述阴极保护现场数据包括：

(1)罐区和储罐的设计数据；

(2)罐底外壁防腐层数据：包括防腐涂料的种类、绝缘性能、施工方式；

(3)电源数据：包括周边可利用电源位置、可能的干扰源和杂散电流的存在与否；

(4)地质数据：包括储罐所在场地的自然电位、土壤电阻率、地下水位、土壤腐蚀情况、冻土层深度、基岩深度、现场条件；

(5)周边阴极保护运行数据：包括阴极保护电位、输出电流、故障率；

(6)周边金属构筑物数据：包括储罐与周边金属构筑物间的电绝缘性、电连续性、与场地接地极的连接方式。

3.根据权利要求2所述的防渗膜条件下罐底外壁强制电流阴极保护方法，其特征在于：所述罐区和储罐的设计数据还包括相邻的地上和地下金属构筑物分布和电缆导管的路径，以及储罐底部计划铺设的防渗膜类型、绝缘性、在罐底基础中的位置。

4.根据权利要求2所述的防渗膜条件下罐底外壁强制电流阴极保护方法，其特征在于：第二步所述确定阴极保护电流的方法为：

(1)根据罐底外壁防腐层的完整性和绝缘性，确定保护电流密度的取值范围；

(2)在确定保护电流密度的取值范围的基础上，利用罐底外壁强制电流阴极保护计算公式，进行罐底外壁阴极保护电流需求计算。

5.根据权利要求4所述的防渗膜条件下罐底外壁强制电流阴极保护方法，其特征在于：第三步所述确定阴极保护电源设备的方法为：

(1)选用具有恒电位、恒电流、手动调节、通断电测试、过流保护、防雷保护、抗交流干扰、故障时自动切换等功能的恒电位仪作为阴极保护电源设备；

(2)阴极保护电源设备额定输出电流、额定输出电压的确定：

根据阴极保护电流计算结果，确定阴极保护电源设备型号，确保阴极保护电源设备的额定输出电流、额定输出电压和功率具有10％～50％的裕量。

6.根据权利要求1所述的防渗膜条件下罐底外壁强制电流阴极保护方法，其特征在于：第四步所述确定阴极保护电源设备的保护电位调节范围不小于0V～-30V。

7.根据权利要求1所述的防渗膜条件下罐底外壁强制电流阴极保护方法，其特征在于：第五步所述辅助阳极为由钛镀贵金属氧化物阳极带和钛金属导电片垂直交叉焊接在一起形成的网状阳极，阳极网敷设于防渗膜之上、罐底板之下的砂垫层内。

8.根据权利要求7所述的防渗膜条件下罐底外壁强制电流阴极保护方法，其特征在于：所述网状阳极与阳极电缆的连接点不少于2处。

9.根据权利要求1所述的防渗膜条件下罐底外壁强制电流阴极保护方法，其特征在于：第六步所述参比电极为长效硫酸铜电极和锌参比电极的双电极形式。