CN112626526A - 一种螺栓连接罐的阴极保护方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺栓连接罐的阴极保护方法，包括以下步骤：(1)确定罐体对阳极的金属需求量；(2)定制阳极，参比电极选型；(3)阳极安装距离罐壁500mm以上，阳极的头部通过电缆与罐壁的螺栓进行连接，连接处螺栓与电缆直接接触，拧紧螺栓后用绝缘胶将连接处全部密封；牺牲阳极尾部设置镀层铁芯，通过螺栓打入罐体底面，绝缘胶密封；(4)安装参比电极：参比电极距离罐壁500mm，罐体顶部设置接线盒，参比电极通过电极线接入接线盒。该方法不需要外部电源，操作便捷；易安装，根据参比电极进行罐内监测，且维护便捷，只需运行过程中清罐过程中同步检查进行更换即可，且多数情况下易于增加阳极，电流分配均匀。
Description
技术领域
本发明涉及中小型沼气工程项目中螺栓连接罐的保护技术领域，具体涉及一种螺栓连接固定的钢板拼接罐的阴极保护方法。
背景技术
阴极保护的基本原理是给金属补充大量的电子，使被保护金属整体处于电子过剩状态，使金属各点达到同一负电位，金属原子不容易失去电子而变成离子溶入溶液，达到保护目的。国内外主要用牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护实现前述目的。目前两种方法均有诸多应用，外加电流很大程度上提高了被保护设备情况监测的可控性，但是牺牲阳极的阴极保护更为经济、实用：对于埋地结构众多且复杂的区域，采用外加电流阴极保护而又不对与其相近的结构物产生干扰是非常困难的，对此，多采用牺牲阳极法；通常深海结构物也采用较大的牺牲阳极保护水下构件。
牺牲阳极(原电池的负极)保护法是指牺牲了阳极(原电池的负极)保护了阴极(原电池的正极)的方法。螺栓连接罐内牺牲阳极的阴极保护，是指利用比Fe+电位更负的电极进行牺牲(镁、锌、铝等)，形成新的原电池效应，从而达到保护Fe+的目的，实现保护罐体内部金属材料的效果。牺牲阳极法是最早的电化学保护技术，已广泛应用于诸多领域，尤其是水下构筑物的保护，牺牲阳极便于更换，尽管无法达到对罐内电流的实时控制，但是可根据参比电极进行保护电位测量，也可对罐内阳极情况进行基本掌握。
现有技术公开了一种化学储罐阴极保护装置安装方法，包括以下步骤：罐体基础回填检查及预埋管检查、导体条及导体带安装、馈电点的安装、参考电极安装、监控管安装、罐体底部的电缆敷设施、阳极电缆的连续性试验、回填沙前的标记、阴极保护装置罐底外通电流模拟测试和电气控制设备及线路安装等。该方法基于储罐外加电流进行，稳定性强，电气设备安装要求较高，且较适用于大型储罐，但针对中小型储罐而言，该方法成本预算大，安装过程与安装条件要求较高，对中小型储罐而言并不能够达到理想效果。
近年来，储罐的阴极保护正在不断完善，行业内已形成初步储罐阴极保护基本雏形，出现相应的行业标准。储罐内的阴极保护不仅是指两种阴极保护方法，还存着诸多二者并用的大型项目。尽管目前国内储罐相关阴极保护方法尚处于不完全规范阶段，多为经验教学，可能存在着很多不科学、不合理的施工方案等，但是对于中小型罐体内牺牲阳极的阴极保护技术而言，也提供了一个更好的时机，只要利用合理的计算方法与恰当的阳极选型，形成一套适宜的计算与安装方法，不仅可达到降本增效的目的，同时也为后人研究提供参考与借鉴。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中搪瓷拼接罐的牺牲阳极保护阴极的设计与阳极目前安装方法均不足以满足现有市场需求问题，提供一种新的解决方案。
本发明具体技术方案详述如下：
一种螺栓连接罐的阴极保护方法，包括以下步骤：
(1)确定罐体对阳极的金属需求量；
(2)定制阳极，并进行相应的参比电极选型；
(3)安装阳极：阳极距离罐壁500mm以上，阳极的头部通过电缆与罐壁的螺栓进行连接，连接处螺栓与电缆直接接触，且拧紧螺栓后使用绝缘胶将连接处全部密封；阳极的尾部设置镀层铁芯，通过螺栓打入罐体底面，用绝缘胶密封；
(4)安装参比电极：参比电极距离罐壁500mm以上，通过电极支架安装在罐体内，罐体顶部设置接线盒，参比电极通过电极线接入接线盒。
优选的，上述阴极保护方法中，步骤(1)中阳极的金属需求量通过以下方式计算：
a.全铁计算法：
其中，阳极金属质量单位为kg/a；罐体内表面及单位为m2；腐蚀速率单位：mm/a，a表示年，以挂片腐蚀速率法计算罐体钢板每年腐蚀速率；Fe密度为7.9*103kg/m3；
挂片腐蚀速率法为本领域已知方法，具体参见文献“压力管道腐蚀与防护”(祝新伟，华东理工大学出版社，2015.07)；
b.氯离子点蚀法：
氯元素的相对原子质量为35.45；离子浓度单位为：mg/L；层流膜厚度为：无搅拌1mm；搅拌0.1mm；曝气+搅拌2-5mm；腐蚀速率单位：mm/a，以挂片腐蚀速率法计算罐体钢板每年腐蚀速率；罐体容积单位m3，水体流量单位m3/d；
当介质氯离子浓度≤4000mg/L时采用a法，当介质氯离子浓度＞4000mg/L时，采用b法。两种算法针对介质参数均不同，对不同项目采用不同计算方法更为准确：当介质氯离子浓度≤4000mg/L时，直接采用a法--对介质腐蚀速率进行试验测定后完成计算；当介质氯离子浓度＞4000mg/L时，需要采用氯离子浓度计算方法较为准确。
上述公式中，d表示天，a表示年。
优选的，上述阴极保护方法中，步骤(1)中阳极的金属需求量还可以通过以下方式计算：
c.酸pH值计算法：
通过进水与出水差值确定H+的消耗，0.001mol/L为pH值差值；水体流量单位m3/d；
H+的消耗＝(进水pH值-出水pH值)*0.001
H+的消耗摩尔量＝水体流量*0.001
优选的，上述阴极保护方法中，步骤(3)中阳极安装时，连接头部的电缆通过带有两个直径20mm孔的角铁固定于罐体底面，角铁的其中一个孔用于供电缆穿过，另一个孔用于与罐体底面螺栓固定。
优选的，上述阴极保护方法中，阳极金属使用镁或者锌。
优选的，上述阴极保护方法中，所述阳极为多个，呈圆形阵列分布于罐体内部，各阳极之间串联形成闭合通路，最后通过一根电缆线与罐壁的螺栓进行连接。
优选的，上述阴极保护方法中，所述参比电极为多个，电极支架为多层支架，每层固定一个参比电极，所有参比电极均通过电极线接入接线盒，接线盒与外部在线监测系统连接。
优选的，上述阴极保护方法中，定制阳极时，阳极结构包括本体，分别插入本体头部的棒状铁芯和本体尾部的镀层铁芯，棒状铁芯用于与电缆线连接，镀层铁芯构造有定位孔用于与罐体底面连接固定。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)设计、维护简便：不需要外部电源，操作便捷；易安装，根据参比电极进行罐内监测，且维护便捷，只需运行过程中清罐过程中同步检查进行更换即可，且多数情况下易于增加阳极，电流分配均匀。
(2)普适罐体基材：本专利涉及方法针对市面钢板拼接罐体的中小型工程，同时包括工程运行的介质、温度等工艺要求也可进行调整满足设计，本专利的设计内容适应范围广、针对性强、系统化拼接罐牺牲阳极计算方法与安装，节约各项成本的同时提高工作效率。
(3)安装方式快速、安全：定制阳极加工制作均由厂家统一开模加工完成，模块化组件运输至现场后，现场安装工人可直接根据安装图纸进行安装，无需专用安装工具等特殊要求，保障施工安全；无需培训专业安装人员，提高工作效率，降低人员成本；发货至安装过程简便，安装迅速。
附图说明
图1为定制阳极的结构示意图；
图2为固定阳极的角铁结构示意图；
图3为阳极安装俯视平面图；
图4为阳极安装方式剖面示意图；
图5为参比电极安装示意图。
图中：
1-镀层铁芯，2-罐体底面，3-棒状铁芯，4-电缆线，5-电缆线绝缘层，6-定位孔，7-拼接罐体，8-参比电极装置，9-阳极，10-罐内防水保护层，11-罐体自锁螺栓，12-罐体内壁，13-板缝螺栓孔，14-角铁，15-参比电极，16-接线盒，17-空开，18-参比电极接线柱，19-电极支架，20-电极线，21-罐体外壁。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、详细地解释和说明，以使本领域技术人员能够更好地理解本发明并予以实施。
实施例1计算所需阳极金属用量
首先，需要针对各工程进行所需数据调查，主要包括如下参数：罐体个数、罐体直径、罐体高度、搅拌条件、罐体内装填的介质种类、介质中氯离子浓度、介质的pH值，施工地点气候情况等等。
其次，针对不同项目的罐体参数进行设计计算：
一、阳极金属用量计算第一种方式
1、全铁计算法：
根据罐体结构以及理化参数等进行阳极数量与选型的计算，各参数因项目不同而调整，以镁阳极为例：在一定期限内(1,2,3年不等)，不同介质条件下无牺牲阳极时的钢板Fe的腐蚀量，换算为对阳极的需求量。
56为铁相对原子质量，24为镁相对原子质量；镁质量单位为kg/a；腐蚀速率单位：mm/a；Fe密度为7.9*103kg/m3。
其中，内表面积为罐体内部表面积，挂片腐蚀速率法计算搪瓷板每年腐蚀速率。
挂片腐蚀速率法参见文献“压力管道腐蚀与防护”(祝新伟，华东理工大学出版社，2015.07)。
此方法为初步计算法，其中，腐蚀速率等理化参数根据项目进行调整，根据铁摩尔量计算出阳极总数，再对阳极、阴极进行具体型号选择。
2、氯离子点蚀法
氯元素的相对原子质量为35.45；离子浓度单位为：mg/L；层流膜厚度为：无搅拌1mm；搅拌0.1mm；曝气+搅拌2-5mm。
两种算法针对介质参数均不同，对不同项目采用不同计算方法：当介质氯离子浓度≤4000mg/L时，直接采用a法--对介质腐蚀速率进行试验测定后完成计算；当介质氯离子浓度＞4000mg/L时，需要采用氯离子浓度计算方法较为准确。
二、阳极金属用量计算第二种方式
阳极金属用量还有第二种计算方式，即酸pH值计算法。
通过进水与出水差值确定H+的消耗，0.001mol/L为pH值差值；水体流量单位m3/d；
H+的消耗＝(进水pH值-出水pH值)*0.001
H+的消耗摩尔量＝水体流量*0.001
24为镁的相对原子质量。
参比电极的选择以GB/T7387-1999作为选型依据。
实施例2阳极金属定制与安装
根据阳极金属用量和所选定的参比电极，设计定制阳极，进行安装图纸的绘制，最后形成安装说明。
1.定制阳极与参比电极的选型
1)定制阳极：5-30Kg梯形镁/锌/铝合金阳极，规格参照国家标准。阳极的一端为伸出镀层铁芯(矩形状，镀层，尾部带20mm定位孔)，一端为伸出棒状铁芯与6方1.2米的电缆线连接，见图1；每套阳极配套定位角铁(定制，镀层，两端均打20mm孔)见图2。阳极需现场确保绝缘层无损伤等问题。(本实施例以镁阳极为例)
2)参比电极的选型与设计
参比电极选取饱和铜/硫酸铜参比电极(CSE)，根据项目要求或需更精确实时监测内部阴极保护情况，需要采用参比电极进行检测，型号根据项目要求与预算进行选择。
2.阳极安装图纸绘制
阳极安装图纸根据罐体结构不同进行不同设计，基本安装标准图见图3。
3.阳极安装方法
1)参照阳极安装图，具体位置见图3。
2)首先根据图纸定位后，确定阳极安放位置，然后定位阳极电缆端，电缆穿进定制角铁直径为20mm的孔内，角铁位置安装在靠近阳极100mm处，角铁另外一端由M18的螺栓定位于罐底面。穿出的电缆与罐壁三个连续的螺栓(板缝、板中等位置根据图纸定，通常为板缝竖向3个)进行连接，连接处螺栓需要去掉绝缘层，保证每一个螺栓与电缆线直接接触，同时保证将螺栓拧紧在罐壁面，然后用罐体螺栓通用黑胶将连接处全部密封，待黑胶干透后再检查是否有露点(无裸露在外的金属材质)。见图4。
3)最后固定阳极尾部矩形镀层铁芯，由M18的螺栓打入罐底地面后，加黑胶绝缘，并保证无漏点(无裸露在外的金属材质)。
4)安装注意事项
安装过程中必须注意以下4点要求，以保证阳极的工作质量。
a.牺牲阳极距离罐壁不宜小于500mm，若非混凝土底面，阳极与地基接触面应涂敷绝缘层。
b.牺牲阳极与罐壁内金属材质连接时应确保连接牢固且导电良好。
c.距罐壁内金属材质间距不宜小于400mm，阳极钢芯及罐壁连接处处应采用加固防腐层保护。
d.牺牲阳极表面应避免在罐内施工时被污染。
4.参比电极安装方法
参比电极的安装便于后续人工维护且监测罐内电势差情况，并记录等相关工作。
1)根据项目要求对罐体外壁设定2-4个参比电极，距离罐壁500mm，由PC板连接罐体与参比电极，四根参比电极线均接入罐体顶部接线盒，如图5所示；
2)镁阳极/锌阳极呈圆形阵列分布于罐体内部，距离罐体内壁500mm，阳极之间串联形成闭合通路，最后通过一根电缆线(铜线)连接至内壁螺栓直至罐外上端连接至空开。
3)根据现场施工要求进行所需电极个数可进行调整，实时可检测罐内电压差等情况。
4)参比电极在线监测系统实时记录罐内数据监控，提供信息以供对罐内电极进行及时更换。
本专利涉及方法，在实际工程实施应用中效果远大于外加电流阴极保护设计。以北京盈和瑞-上海老港项目为例，采用外加电流法设计的阴极保护装置，不到三个月罐体发生穿漏，后期对罐体内部进行维修以及阴极保护装置拆装，换做本专利a法进行设计计算牺牲阳极，目前运行一年多，经现场清罐检测后罐内腐蚀面积不到1％。同时，本专利涉及所有方法在近一年的项目设计、运行维护过程中，从未出现任何罐体损坏情况，因此在螺栓连接罐的实际应用过程中，本专利准确性大大提高，为企业节省后期维护养护费用高达200％。
本文中应用了具体个例对发明构思进行了详细阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离该发明构思的前提下，所做的任何显而易见的修改、等同替换或其他改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种螺栓连接罐的阴极保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)确定罐体对阳极的金属需求量；
(2)定制阳极，并进行相应的参比电极选型；
(3)安装阳极：阳极距离罐壁500mm以上，阳极的头部通过电缆与罐壁的螺栓进行连接，连接处螺栓与电缆直接接触，且拧紧螺栓后使用绝缘胶将连接处全部密封；阳极的尾部设置镀层铁芯，通过螺栓打入罐体底面，用绝缘胶密封；
(4)安装参比电极：参比电极距离罐壁500mm以上，通过电极支架安装在罐体内，罐体顶部设置接线盒，参比电极通过电极线接入接线盒。
2.根据权利要求1所述的阴极保护方法，其特征在于，步骤(1)中阳极的金属需求量通过以下方式计算：
a.全铁计算法：
其中，阳极金属质量单位为kg/a；罐体内表面积单位为m2；腐蚀速率单位mm/a，a表示年，以挂片腐蚀速率法计算罐体钢板每年腐蚀速率；Fe密度为7.9*103kg/m3；
b.氯离子点蚀法：
氯元素的相对原子质量为35.45；氯离子浓度单位为：mg/L；层流膜厚度为：无搅拌1mm；搅拌0.1mm；曝气+搅拌2-5mm；腐蚀速率单位：mm/a，a表示年；罐体容积单位m3，水体流量单位m3/d；
当介质氯离子浓度≤4000mg/L时采用a法，当介质氯离子浓度＞4000mg/L时，采用b法。
3.根据权利要求1所述的阴极保护方法，其特征在于，步骤(1)中阳极的金属需求量通过以下方式计算：
c.酸pH值计算法：
通过进水与出水差值确定H+的消耗，0.001mol/L为pH值差值；水体流量单位m3/d；
H+的消耗＝(进水pH值-出水pH值)*0.001
H+的消耗摩尔量＝水体流量*0.001
4.根据权利要求1所述的阴极保护方法，其特征在于，步骤(3)中阳极安装时，
连接头部的电缆通过带有两个直径20mm孔的角铁固定于罐体底面，角铁的其中一个孔用于供电缆穿过，另一个孔用于与罐体底面螺栓固定。
5.根据权利要求1所述的阴极保护方法，其特征在于，阳极金属使用镁或者锌。
6.根据权利要求1所述的阴极保护方法，其特征在于，所述阳极为多个，呈圆形阵列分布于罐体内部，各阳极之间串联形成闭合通路，最后通过一根电缆线与罐壁的螺栓进行连接。
7.根据权利要求1所述的阴极保护方法，其特征在于，所述参比电极为多个，电极支架为多层支架，每层固定一个参比电极，所有参比电极均通过电极线接入接线盒，接线盒与外部在线监测系统连接。
8.根据权利要求1所述的阴极保护方法，其特征在于，定制阳极时，阳极结构包括本体，分别插入本体头部的棒状铁芯和本体尾部的镀层铁芯，棒状铁芯用于与电缆线连接，镀层铁芯构造有定位孔用于与罐体底面连接固定。
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| CN2330663Y (zh) * | 1998-03-18 | 1999-07-28 | 华榆全天候阴极保护高技术工程公司 | 可换性镁带阳极单罐阴极保护装置 |
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| CN210140628U (zh) * | 2019-06-25 | 2020-03-13 | 中国石油工程建设有限公司北京设计分公司 | 一种用于安装电流阴极保护系统的立式储罐 |
-
2020
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