儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)論文：儲(chǔ)罐陰極維護(hù)體系設(shè)計(jì)的缺陷探討

儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)論文：儲(chǔ)罐陰極維護(hù)體系設(shè)計(jì)的缺陷探討儲(chǔ)罐底板下表面防腐的必要性罐底基礎(chǔ)內(nèi)的回填沙需要通過淡水洗，篩網(wǎng)過濾等措施以保證其潔凈、性質(zhì)均一，降低其腐蝕性。國外規(guī)范中還有通過在沙層內(nèi)添加少量水泥或石灰，以進(jìn)一步提升沙層pH值和壓實(shí)度的方法。但即便如此，在雨雪天氣、地下水位高、海洋氣候或環(huán)境氯堿含量較高等因素影響下，沙層仍可能存有水分、氧氣、氯離子、油品等形成的腐蝕環(huán)境。當(dāng)因?yàn)楣迌?nèi)液位發(fā)生變化時(shí)，罐底板會(huì)發(fā)生一定形變，即使有陰極保護(hù)系統(tǒng)，也無法對(duì)罐底板與沙層分離的部分進(jìn)行保護(hù)。罐底板經(jīng)防腐處理以后，可以對(duì)罐底板的大多數(shù)區(qū)域進(jìn)行保護(hù)，并且大大降低陰極保護(hù)的保護(hù)電流，節(jié)約能源，因此有必要對(duì)罐底板下表面進(jìn)行防腐處理。但國內(nèi)很多大罐在做罐底板涂層防腐的同時(shí)也進(jìn)行了瀝青砂保護(hù)（圖1），這種作法有可能導(dǎo)致陰極保護(hù)系統(tǒng)的局部失效。在蘇丹、阿爾及利亞、伊拉克等很多國外項(xiàng)目中，這種作法都出現(xiàn)過爭(zhēng)議。國外文獻(xiàn)的5.1.4條款和文獻(xiàn)的15.2.2條款都明確規(guī)定：不宜在有陰極保護(hù)系統(tǒng)的同時(shí)，采用瀝青砂等與陰極保護(hù)系統(tǒng)不兼容的防腐方式對(duì)罐底板下表面進(jìn)行保護(hù)，以防止在罐底板與陽極之間形成防礙陰極保護(hù)電流通過的屏障。因此進(jìn)行陰極保護(hù)的儲(chǔ)罐底板下表面應(yīng)盡量避免同時(shí)采用瀝青砂進(jìn)行保護(hù)。網(wǎng)狀陽極布局及埋深的確定網(wǎng)狀陽極的布局包括陽極帶、導(dǎo)電片及饋電點(diǎn)分布方式的確定。其中的陽極帶是陽極電流的直接輸出單元，其布局應(yīng)根據(jù)陽極帶規(guī)格、罐底保護(hù)面積、罐底涂層類型、罐底結(jié)構(gòu)、環(huán)墻基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)等因素確定陽極網(wǎng)應(yīng)避免與罐底板或積水坑、環(huán)墻鋼筋等金屬構(gòu)件接觸，以避免陰陽極發(fā)生短路和陰極保護(hù)電流的額外消耗。導(dǎo)電片和饋電點(diǎn)是輸送陽極電流的導(dǎo)體，需要根據(jù)電流衰減公式計(jì)算其導(dǎo)電片間距、饋電點(diǎn)數(shù)量及分布，以便在經(jīng)濟(jì)、便于安裝的基礎(chǔ)上，最大水準(zhǔn)地保證陽極電流的均勻分布。陽極網(wǎng)與罐底板的距離越大，電流分布越均勻，而陽極間距越大，越節(jié)省陽極材料。假定罐底板保護(hù)電流密度為10mA/m2情況下根據(jù)NACE推薦的采用60°仰角原理，計(jì)算直徑80m儲(chǔ)罐底板下表面采用不同埋深MMO帶狀陽極時(shí)陽極間距和陽極總量的對(duì)比結(jié)果（表1）表明，埋深0.2m的MMO陽極用量是埋深0.45m陽極用量的2倍多。因此在回填沙墊層允許的范圍內(nèi)，陽極網(wǎng)深度應(yīng)盡量增大。但陽極長度同時(shí)應(yīng)滿足小于其額定發(fā)電量的要求，如本例要保證MMO陽極的表面電流密度小于1.2A/m2，陽極帶總長度需大于2956.79m。綜合考慮，本例MMO陽極網(wǎng)至罐底板距離宜取0.45m左右。在實(shí)際應(yīng)用中，因?yàn)楣薜状蠖即嬗幸欢ǖ腻F度，因此陽極至罐底的距離從罐底中心到罐壁也不一致，若相差較大，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況對(duì)陽極埋深和間距進(jìn)行調(diào)整。參比電極布局及測(cè)試管的應(yīng)用國內(nèi)很多設(shè)計(jì)院習(xí)慣將罐底的參比電極沿儲(chǔ)罐某一半徑進(jìn)行排列，有時(shí)為便于互相校準(zhǔn)，還采用不同類型的參比電極交替排列。這樣排布參比電纜在罐底可以同溝覆設(shè)，便于施工。但是從監(jiān)測(cè)效果來看，這種參比電極排布方式有一定局限性。因?yàn)楣薜装逑卤砻娓鼽c(diǎn)在與其臨近的環(huán)境中的電位受環(huán)境電解質(zhì)的組成、陰陽極饋電點(diǎn)的位置以及涂層破損位置等因素相關(guān)，沿儲(chǔ)罐某一半徑上的電位檢測(cè)結(jié)果無法全面代表整個(gè)罐外底板的被保護(hù)情況。因此參比電極宜在罐底板下方均勻分布。大多數(shù)銅/飽和硫酸銅的壽命為15年左右，當(dāng)使用年限大于參比電極壽命時(shí)，這些參比電極可能發(fā)生失效。這樣整個(gè)陰極保護(hù)系統(tǒng)就失去了判斷保護(hù)效果的基準(zhǔn)，導(dǎo)致整個(gè)陰保系統(tǒng)無法有效發(fā)揮作用。因?yàn)閰⒈入姌O大多位于罐底混凝土環(huán)墻內(nèi)，對(duì)其進(jìn)行更換幾乎不可能。因此最好在設(shè)計(jì)之初就在環(huán)墻上沿儲(chǔ)罐底板直徑設(shè)置測(cè)試管，測(cè)試管上每間隔一定距離開孔槽，以便于永久性參比電極失效后，采用便攜式參比電極進(jìn)行測(cè)試。儲(chǔ)罐與外部管線和接地系統(tǒng)的絕緣處理儲(chǔ)罐底板下表面的陰極保護(hù)通常要求將儲(chǔ)罐與外部接管或接地等金屬連接用絕緣法蘭或絕緣接頭隔離，以防止陰極保護(hù)電流的流失。但目前國內(nèi)外新建儲(chǔ)罐一般都要在環(huán)墻內(nèi)包覆一層HDPE防滲膜，以防止罐內(nèi)油品泄漏污染地下水系統(tǒng)（圖1）。這層防滲膜將罐底板下的網(wǎng)狀陽極外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的陰陽極與外界隔離開，保證了陰極保護(hù)電流不流失，因此對(duì)罐底的陰極保護(hù)系統(tǒng)有積極作用。因?yàn)榉罎B膜在電解質(zhì)路徑起到了絕緣作用，在這種情況下，即使項(xiàng)目投用初期金屬導(dǎo)體路徑?jīng)]有有效絕緣也不會(huì)影響到陰極保護(hù)系統(tǒng)的效果。但隨著大罐沉降和HDPE層老化，防滲膜的絕緣性能可能會(huì)失效，使陰極保護(hù)系統(tǒng)與周圍金屬結(jié)構(gòu)形成通路，進(jìn)而影響陰極保護(hù)系統(tǒng)的性能。因此從長期穩(wěn)定運(yùn)行角度來看，儲(chǔ)罐還是應(yīng)該保證與周圍埋地金屬設(shè)施的絕緣。陽極材料的選取根據(jù)設(shè)計(jì)壽命、保護(hù)電流和儲(chǔ)罐基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)不同，儲(chǔ)罐底板下表面的陰極保護(hù)系統(tǒng)可以選用從鎂、鋅等犧牲陽極到高硅鑄鐵、導(dǎo)電聚合物陽極、混合金屬氧化物陽極等外加電流陽極的不同材料。但犧牲陽極存有壽命短、發(fā)電量低、驅(qū)動(dòng)電壓小的共性，因此主要應(yīng)用于電流需求少，設(shè)計(jì)壽命較短并且陽極更換較方便的場(chǎng)合。高硅鑄鐵作為一種主要的傳統(tǒng)陽極材料目前仍有廣泛應(yīng)用，但因?yàn)槠湎穆屎蜋C(jī)械性能的限制，一般只能用作沿罐周分布的深井、斜井或淺埋陽極，在有防滲膜存有的情況下其應(yīng)用受到限制。導(dǎo)電聚合物陽極和混合金屬氧化物陽極作為新型陽極材料在罐底板外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中都有應(yīng)用，其中的混合金屬氧化物陽極因?yàn)橄穆蕵O低、效果穩(wěn)定，并且其性能隨著科技進(jìn)步持續(xù)提升而得到越來越多的應(yīng)用，在儲(chǔ)罐陰極保護(hù)系統(tǒng)中占主導(dǎo)地位。通常工程應(yīng)用中要求MMO陽極的放電電流密度小于1.2A/m2，以保證其使用壽命，而實(shí)際上陽極帶的兩面因?yàn)榕c作為陰極的罐底板的位置不同，其表面的實(shí)際輸出電流密度是不一樣的，正對(duì)罐底板的一面電流密度較大，而其背面輸出電流密度較小。因此若要保證其平均工作電流密度為1.2A/m2，則規(guī)格書中要求的產(chǎn)品最大輸出電流密度應(yīng)大于此值。如果陽極網(wǎng)距離防滲膜過近，則會(huì)進(jìn)一步限制MMO陽極帶下底面的陽極電流輸出，此時(shí)陽極的電流輸出保守要求應(yīng)能滿足2.4A/m2,目前國內(nèi)已有新型MMO復(fù)合陽極可達(dá)到此要求。儲(chǔ)罐基礎(chǔ)預(yù)留注水管的必要性在海外儲(chǔ)罐陰保設(shè)計(jì)工作中曾碰到有國外監(jiān)理要求在儲(chǔ)罐環(huán)墻基礎(chǔ)上預(yù)留注水管，以備罐底墊層干燥導(dǎo)致電阻率過高時(shí)降低電阻率，提升陰極保護(hù)電流。但通過分析，這種作法為舍本求末，并不可取。環(huán)境電阻率是判斷其腐蝕性的一個(gè)重要依據(jù)，若電阻率很高，表明其腐蝕性很弱，通過灌水來降低其電阻率其實(shí)是人為制造了一種更嚴(yán)重的腐蝕環(huán)境，而且只要在設(shè)計(jì)階段合理對(duì)環(huán)境電阻率進(jìn)行考慮，完全可以滿足高電阻率下陰保系統(tǒng)的性能要求。表2為假定在不同規(guī)格儲(chǔ)罐基礎(chǔ)內(nèi)砂墊層電阻率為500Qm，MMO網(wǎng)狀陽極埋深500mm情況下計(jì)算的MMO陽極網(wǎng)地床電阻、墊層電阻及假定保護(hù)電流密度為10mA/m2情況下計(jì)算的回路電壓。通過對(duì)不同直徑罐體底板下表面陰保系統(tǒng)部分電阻計(jì)算可以發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)罐越小墊層電阻率對(duì)陰?；芈冯娮璧挠绊懺矫黠@。但同時(shí)儲(chǔ)罐越小所需要的保護(hù)電流也越少，綜合來看，對(duì)電源輸出電壓的要求影響不大。若想降低陰極保護(hù)系統(tǒng)回路電阻，采用焦炭作為陽極地床填料為更可取的方法。小結(jié)儲(chǔ)罐底板下表面的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)可以有效保護(hù)罐底板免受腐蝕的危害，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但目前國內(nèi)罐外底板陰極保護(hù)的設(shè)計(jì)還存有部分區(qū)別。通過比較分析可以發(fā)現(xiàn)，罐底板應(yīng)采用與陰極保護(hù)系統(tǒng)兼容性好的防腐層，陽極網(wǎng)的布局應(yīng)保證陽極電流的均勻分布，