[精品论文]区域性阴极保护的综合技术论文

区域性阴极保护的综合技术摘 要为解决罐底板阴极过程中的屏蔽和干扰问题，本课题分为四步骤。首先，根据国内普遍采用的罐底结构，按1: 5比例，模拟五万立方米储罐，建立了一个直径为12米的模拟罐底板，研究了各种罐底电位的测量方法，测量了不同阳极位置下罐底电位分布情况，对测量结果进行了分析，并从理论上对研究结果进行了证明。然后搜索相应的实验资料和数据，对测量数据进行了分析。得出了排除屏蔽和干扰的方法。分析结果表明，在罐底存在沥青层的情况下，罐底阴极保护电位的分布基本上是均匀的，阳极的位置对阴极保护电位的分布影响较小。在罐底沥青层下预埋带有极化试片的测量探头或采用罐底电位仿真测量探头，能比较准确测量到罐底阴极保护电位。在罐区实施区域性阴极保护技术，在条件可能的情况下，宜采用深井阳极技术。站区阴极保护系统对站外干线阴极保护系统可能会产生干扰，导致其输出增加或降低，必须采用适当的措施将干扰减少。多组阳极分散布置、远阳极与近阳极相结合，可有效改善结构密集区内由于屏蔽而导致的保护不足，对于接地系统庞大的站区，可采用负电性金属作为接地材料以帮助消除屏蔽，促使保护电流均衡分布。关键词：区域性阴极保护；储罐底板保护；电位干扰屏蔽AbstractIn order to solve protection of the bottom of the tank, this research program is divided into four steps. Firstly, a tank bottom with diameter of 12m was built to simulate a 50000m3 tank. Various test methods were tried to measure the distribution of the potential of the tank bottom. The test result was analyzed and the conclusion was proved in theory. Secondly, the potential of the tank bottom was practically measured and the data was analyzed. Finally, in order to find the way to get rid of electrical shielding, and to reduce the disturbance to the outside catholic protection system, some practices were tested. The results show that where there are asphalt existed under the bottom, the distribution of the potential of the tank bottom is uniform, and the site of the anode has less effect on it. The catholic potential of the tank bottom can be more accurately measured by burying, test probe with coupons under the asphalt of the bottom or using emulated probe. Deep well anode is suitable for regional catholic protection system at tanks region if possible. The regional catholic protection system may disturb the outside pipeline catholic protection system. In order to reduce the disturbance, some methods must be adopted. Using, scattered anode I groups, combining, far anode with near anode can get rid of electrical shielding, effectively. Using mental with negative potential as earth-plates can get rid of electrical shielding, in the region with numerous and jumbled earth-plates. Key words: regional catholic protection protected; potential of tank bottom shielding; disturbance目 录第1章 绪论11.1 概述11.2 站场区域性阴极保护的特点31.3 区域性阴极保护的主要内容41.4 目前存在的问题6第2章 钢质储罐罐底外壁阴极保护电位分布规律的研究92.1 综述92.2 罐底电位分布及测量方法的研究92.3 罐底电位分布的理论分析:17第3章 林源库区外加电流阴极保护系统综合技术研究203.1系统的设计与安装203.3 结果分析23第4章 林源库区五万立方米原油罐底的电位分布254.1测量系统的设计与安装254.2测量结果及分析26第5章 管道输油气站区域阴极保护的干扰与屏蔽285.1概述285.2对站外保护系统的干扰285.3阴极保护屏蔽及其对策30结 论33参考文献34致 谢3536第1章 绪论1.1 概述 在石油开采、处理、储运及炼制过程中，涉及各种各样的金属设施;如油气管道、储罐、处理器等，其中相当大的一部分设施是采用地下或半地下方式建设的。由于这些地下或半地下金属设施的外表面接触土壤、内表面又多直接与各种腐蚀性介质相接触，使这些设施不可避免地受到腐蚀威胁。由于腐蚀穿孔而导致的油品或危险品的泄漏不仅是火灾、爆炸等事故的重大隐患，也给生产部门带来极大的经济损失，由此造成的环境污染也严重影响着企业的正常生产经营活动。因此，采取各种手段抑制或减缓腐蚀的发生和发展一直是众多腐蚀科学与工程技术人员的重要研究课题。 在我国，受金属腐蚀影响最大的行业当属石油行业。石油行业的腐蚀主要包括各种埋地设施所受到的土壤腐蚀、暴露在大气中的金属设施的大气腐蚀、反应器在生产过程中反应介质对金属材料的腐蚀等等。其中埋地设施所受到的土壤腐蚀具有相当大的普遍性，几乎所有石化企业都长期受土壤腐蚀的困扰。随着近年对安全生产和环境保护要求的不断提高，企业对腐蚀防护重要性的认识也在不断提高，在防腐方面的研发投入已呈上升趋势。 我国石油行业面临的土壤腐蚀在野外埋地管线和生产站区内部设施两个方面比较突出，二者所面临的腐蚀环境也具有比较大的差异。1.1.1 长输管线腐蚀控制 埋地管线按照其用途，大体上可以分为长输管线和集输管线两种。长输管线面临的腐蚀危害主要是土壤腐蚀。长输管线距离长、输送介质相对单一，但由于其用于远距离输送，管线内需要保持比较高的输送压力。对于油管线，由于其输送压力高，一旦发生腐蚀穿孔，可以在较短的时间内造成大量的泄漏，经济损失和环境危害都是十分巨大的。对于天然气或其它输气管线的腐蚀危害主要集中在安全方面，高压气管线发生腐蚀穿孔时往往易造成管线的纵向撕裂，泄漏的毒害或易燃气体对临近区域造成极大的威胁。相对于长输管线，集输管线由于距离短、压力底等特点，腐蚀造成的危害就相对小一些。随着技术的进步，由于采用了正确的防腐蚀方法，特别是近年来石油企业先后对管线的防护层进行了大修或更换，埋地管线的腐蚀事故正在逐步下降。 目前，我国埋地长输管道普遍采用防腐涂层加阴极保护联合进行腐蚀控制，取得了非常好的保护效果。防腐涂层作为腐蚀控制的第一道防线，将被保护金属与腐蚀环境隔离，同时也为附加阴极保护提供了必要的绝缘，以消耗较小的阴极保护电流来获得理想的保护效果;附加阴极保护作为防蚀保护的第二道防线，为涂层缺陷处提供积极的保护。虽然涂层不可能完美无缺，但只要附加阴极保护能够提供充分的保护，整个防蚀体系就是有效的。对沿海滩涂、沼泽等土壤含盐、含水量高的强腐蚀环境下的埋地钢质结构而言，这种联合保护方式尤为重要。在美国等一些发达国家，已有强制性的阴极保护法规出台并付诸实施。在我国，所有新建管道及储罐也已要求必须附加阴极保护设施。1.1.2 站场区域腐蚀控制 生产站区内部埋地设施的腐蚀防护，比埋地管线复杂的多。与埋地管线的首要区别在于，生产站区在相对较小的区域内集中了各种各样的生产设施。油田联合站、储运站、炼油厂等金属设施众多，除了纵横交错的管网、大大小小功能各异的储罐外，还有加热炉、加压泵、分离器、反应器等设备，其所处环境的腐蚀性各异，各种设备的材料也不同，对安全性的要求又各不相同，这些因素使得站区内的腐蚀现象异常复杂，腐蚀控制的实施也非常困难。以油田生产站区为例，站场区域内腐蚀具有下面几个特点。 设施数量和种类众多，分布密集; 如中国石油股份有限公司的石楼泵站，由于它目前作为秦京和任京两条输油管线的末站，又作为一条外输原油管线的首站，泵站内包括铁路装车栈桥、数座5000方到20000方的原油和成品油罐、消防水管、燃油罐、变电间等地上设施;各种输油管线和电缆在地下纵横交错，这些地下管线和电缆有的是以管沟形式铺设，有的是涂层防腐后敷设，甚至存在裸管直接铺设的现象。 许多油气输送的站场中都存在类似的情况，特别是在一些老站中，这种情况更加明显。这些生产设施在以往的建设和改造过程中，由于对防腐的认识不足，没有系统的防腐蚀规划、建设和应用，经过多年的使用，腐蚀所带来的问题越来越严重。 土质情况复杂 输油站区在建设过程中使站区内的土壤发生了较大的改变，有的是原土夯实后进行地上设施的建设，有的则用工程废土回填夯实后使用，所以在输油站区内往往存在多种土壤状况同时存在的现象。这种现象的存在导致整个站区的土壤腐蚀性存在较大的差异，给防腐蚀工作带来一定的困难。 腐蚀危害性明显 与腐蚀给野外长输管线所造成的危害相比，站场区内的腐蚀危害性更大，造成的损失也更大。例如，辽阳石化分公司是我国北方的最大的石油化纤基地，是国家特大型企业。辽阳石化分公司厂区地下输水管网总长约59公里，日供水量为26.6万吨。该管网于1975年陆续建成投入使用，至今已有25年以上。泄漏点逐年增多，到90年泄漏点达到127处)，每年因抢修堵漏耗资近百万元，而且严重影响安全稳定生产，成为辽阳石化分公司安全生产的重大隐患。 站场金属设施与土壤接触部位多不便于涂层施工，而且防雷、防静电要求也不允许这些金属设施与地绝缘，因此腐蚀控制应主要由阴极保护来进行，即区域性阴极保护。 国外从二十世纪六十年代开始区域性阴极保护的研究和应用，目前技术已比较成熟;国内从二十世纪七十年代末、八十年代初开始在油田和部分输油站尝试区域性阴极保护技术，到二十世纪九十年代中期已成为相对成熟的技术，开始推广应用。辽化、扬子石化、九江石化、抚顺石化公司、广州石化等单位也先后对厂区的地下输水管网实施了阴极保护，取得了较好的效果。例如，大庆石化公司化肥厂厂区内的地下输水管网是为炼油区和化工区生产装置提供生产用水的，是公司生产系统的重要命脉。公司于1997年和1998年对化肥厂厂区的地下输水管网实施了区域性阴极保护。运行实践表明，区域性阴极保护技术对防止埋地钢质管线的腐蚀泄漏是十分有效的，阴极保护与管道本身的防腐层互相补充，其安全性和经济性达到完美组合，是地下输水管网的最佳防腐方案。该厂的区域性阴极保护工程投资共计128万元，直接经济效益已近800万元。 除了对保护区域内的管线等提供保护外，区域性阴极保护技术还有效抑制了储罐底板的外腐蚀。国内外曾发生多起因油罐底部腐蚀造成的漏油事故。对原油储罐内腐蚀情况初步调查的结果表明，罐底腐蚀情况严重，大多为溃疡状的坑点腐蚀;主要发生在焊接热影响区、凹陷及变形处，罐顶腐蚀次之，为伴有孔蚀的不均匀全面腐蚀;而罐壁腐蚀较轻，为均匀点蚀，主要发生在油水界面，油与空气界面处。相对而言，储罐底部的外腐蚀更为严重。罐底外壁除按常规做外防腐涂层外，宜参考石油天然气行业标准SY/T0088-1995钢制储罐罐底外壁阴极保护技术标准，采用牺牲阳极或强制电流阴极保护法，该阳极可兼做储罐的防雷、防静电接地极。区域性阴极保护技术可以把对储罐的防腐与站场内埋地管线等设施的防腐作为一个整体来考虑，避免了分立阴极保护系统的互相干扰，节约了投资，提高了经济效益。1.2 站场区域性阴极保护的特点1.2.1 功能众多，接地系统庞大，保护电流消耗较高 输油站往往集接收、储存、加热、加压、外输等多种功能于一体尽管站场阴极保护的对象主要为储罐和埋地管网，但通过工艺、伴热、防等管线与输油泵、加热炉、阀组等众多的设施构成了庞大的接地网，底进行绝缘处理不仅费用高昂、而且也不现实，难于实施;而过多的接地必然导致较高的电流消耗。1.2.2 地下金属结构错综复杂，干扰和屏蔽问题突出 与站外长输管线相比，站场由于众多设施彼此电性相连，形成纵横交错的金属结构网。特别是建站较久的老站，经过多次改造、扩建，许多已废弃管网、设备仍与在用设施存在电性连接，地下金属结构更为错综复杂，干扰和屏蔽问题也更为突出。1.2.3 安全要求较高 安全是工业生产的首要要求。区域性阴极保护即要使保护对象达到一定的保护程度，又不能使保护对象在功能和安全程度上有所降低。与站场正常生产有关的各种安全规定，在阴极保护设计和施工及运行中都要遵守。例如，由于站场对安全性的较高要求，在区域性阴极保护中对大多数电器都有防爆要求，造成投资的增加。站场大型储油罐的存在，对防范事故的安全措施要求较高，给站场阴极保护的实施增加了难度。1.2.4 阳极床设计受到限制 与长输管线不同，在区域性阴极保护中采用浅埋阳极不利于电流的均衡分布，而且容易产生干扰和屏蔽;而深井阳极的应用又受地下水文地质条件的制约。因此阳极床的设计在一定程度上受到限制，要达到理想的阳极床设计是非常困难的。1.2.5 保护系统内金属结构复杂，后期调试整改必不可少 由于区域性阴极保护具有保护对象错综复杂及与之相连的接地设施众多等特点，使得保护回路复杂多变，造成了一次设计的不确定性。要达到理想的保护和最大限度降低对非本保护系统的干扰，施工和调试阶段的设计更改及调整是必不可少的。1.3 区域性阴极保护的主要内容1.3.1 设计前期 由于区域性金属结构较为复杂，已建站场往往又经过多次改造，因此设计之前的资料调研和现场勘测必不可少，以便详细了解保护区内金属结构的布局、功能、接地面积、绝缘状况及环境的腐蚀性等。在考虑采用深井阳极或深埋阳极的可能性时，必须掌握站场地下的地质结构、地层条件和水文资料，必要时可钻试验孔进行实际勘测。1.3.2 绝缘处理 已建设施的区域性阴极保护涉及到的绝缘处理项目主要有:储罐避雷防静电接地极的改造、埋地管线的防腐检修、绝缘法兰(管段)的安装、架空或地沟管线与其支墩的绝缘等。除接地极改造和部分埋地管线的防腐层检修外，大都不太容易进行，特别是绝缘法兰或管段的安装。由于通过各种管网彼此电性相连的设施太多，彻底进行绝缘处理往往需要花费高昂的经费和较长的时间，在一定程度上还会影响输油生产的正常进行，带来一定的安全隐患。为此，设计时一般要求绝缘处理分两部进行:储罐接地极改造随阴极保护主体工程进行，其它则在调试阶段进行。旨在力求通过调试与后期整改达到理想的保护效果，尽量避免安装绝缘法兰。以低限度的绝缘处理，达到区域性阴极保护的要求。1.3.3 阳极床设计在区域性阴极保护设计中，阳极床的设计是保护效果理想与否的关键。深井阳极的应用对于均衡保护电流分布、避免屏蔽和最大限度地消除干扰无疑是最有效的，但是必须要有合适的地质结构和地层条件;而浅埋阳极床则要求有足够的地面空间，且易于产生较大的屏蔽和干扰问题。设计时要综合考虑站场现状和保护需求，可采用多组、分散布置的深井阳极或深埋阳极，通过优化保护回路、平衡各回路输出、控制电流流向，达到满意的结果。应说明的是，深井阳极的应用并非越深越好，除了地质结构和地层条件的限制外，无疑还应考虑经济性和施工难度。而且从技术上讲，阳极越深，其排流辐射的范围越广，有些本不希望构成保护回路的设施就会成为保护电流大量漏失的通道，最终导致电流消耗居高不下。1.3.4 通电点(控制点)设置 站外长输管道阴极保护系统因保护对象单一且结构简单，通常只需一个阳极地床即可达到完全保护，通电点一般设在阴保间附近、绝缘法兰的外侧。而区域性阴极保护系统由于具有多个保护对象且结构相对复杂，通常需要多组阳极地床才能满足保护要求，每个阴极保护系统可以有多组阳极地床，但控制点却只能有一个。在多组阳极阴极保护系统中，通电点电位往往不是系统的最负电位。调整通电点的位置对控制各阳极床的输出、平衡各回路保护电流分布起着重要的作用，确切地说通电点就是控制点。根据笔者近年来的实践经验，使用多组阳极的阴极保护系统的通电点与各阳极床近似等距时，系统平衡性较好。对于区域性阴极保护而言，由于其一次设计的不确定性，通电点的最佳位置通常在调试阶段确定。1.3.5 对外部金属构件的电干扰腐蚀 输油站场邻近区域通常存在外部地下金属结构，特别是首末站和分输站。设计时应考虑到站场阴极保护系统对邻近外部金属结构干扰的可能性，并通过阳极床位置的适当调整，尽量降低干扰程度。必要时对受干扰的外部金属结构采取适当的保护措施。1.3.6 对站外阴极保护系统的影响 由于站外长输管线阴极保护系统的参比电极一般设在站内，常位于站内阴极保护区内;站场阴极保护系统运行后，大电流所形成的强电场可能会对站外阴极保护系统产生干扰，因此设计时应使站场阴极保护系统的阳极床尽可能地远离站外阴极保护系统的参比电极。必要时可将站外阴极保护系统的控制参比外移至非影响区，如果站外阴极保护系统输出不大且站内系统有足够裕量，也可考虑将站内外阴极保护系统合二为一。总之，不能发生区域性阴极保护影响长输管线阴极保护的现象。必须将这种影响降至最低程度乃至消除，保证站外阴极保护系统正常运行，管线阴极保护电位特别是保护末端电位满足规范要求。1.3.7 系统调试 由于区域性阴极保护具有多保护回路，易产生屏蔽和干扰问题，要达到均衡的保护和最大限度的降低对非本保护系统的干扰，就需要在通电试运行后经过对阴极保护系统的调试和被保护对象的整改，才能达到比较满意的结果。 系统调试的目的是消除屏蔽和干扰、抑制过保护;降低系统输出和能耗。相当部分工作量用于系统调试和后期整改，特别是设计采用两套阴极保护系统同时带动整个站场保护时。由于保护系统的划分只是主保护回路意义上的，设计时对系统的多重组合及控制点的设置应作预备性考虑，以便试运行阶段进行充分的系统调试，结合部分后期整改工作，得到合理的系统配置。1.4 目前存在的问题1.4.1 保护电流消耗偏高 输油站场阴极保护的主要保护对象为储罐和埋地管道的接地表面，直接消耗的保护电流是有限的;但由于与其电性连接的设备众多且多为直接接地，导致总电流消耗高达数十乃至上百安培，特别是初始极化电流，远远高出站外长输管道几安培到十几安培的阴极保护电流消耗。1.4.2 储罐底板中心实际保护效果的判定 阴极保护效果检测的主要方法是保护电位的测量，然而对于已建大型储罐来讲，由于罐底中心安装参比电极比较困难，中心部位实际保护电位无法检测。目前国内外学术界对已建大型储罐底板中心部位保护效果的判定还没有一个统一的标准。国外采用罐基础水平钻孔或斜向钻孔的方法在已建大型储罐底板下面安装参比电极导入测试孔;也有的在储罐大修更换底板时安装罐底参比电极。 对于储罐保护而言，由于国内罐基础钻孔尚无先例，安全和管理部门不会贸然同意在大型储罐底板下安装参比电极导入测试孔;又没有更换底板的机会可供安装罐底参比电极，因而其保护效果只能根据推测来判定。保护电位实际上就是外加阴极极化得到的极化电位，极化电位取决于极化电流密度。而极化电流密度受电源供给电流强度、极化面积、金属表面状态、极化回路电阻及电解质性质等影响。就罐底板的极化而言，极化电流由阳极地床排入土壤，经罐基础进入罐底板构成极化回路。各部位极化程度取决于其得到的极化电流密度大小，而其表面状态、距阳极床距离及与罐基础的接触电阻直接影响到极化电流密度。 罐底中心与边缘的极化电位差别是由极化电流密度不同造成的。一般情况下，罐底板各部位表面状态相差不大、与罐基础的接触电阻也不会有太大差别，因而极化电流密度的不同主要是距阳极床远近差异所造成的。无疑，深埋阳极比浅埋阳极更容易缩小这种差异。从某种意义上说，只要近阳极点和远阳极点达到保护要求，中心部位也一定达到保护要求。1.4.3 系统参数波动 由于站场阴极保护的对象和电流漏失点大多为地表接地，阴极保护系统运行受地表湿度影响较大。由于地表含水量直接影响到设施接地电阻，导致各极化回路电阻随之变化，不可避免地造成了系统参数的波动。特别是降水季节，这种波动尤为频繁。接地设施越多，波动幅度越大。1.5 论文的主要研究内容 根据区域性阴极保护的特点及存在的问题，为了研究区域性阴极保护中罐底阴极保护情况以及区域性阴极保护的干扰与屏蔽问题，本课题分四个步骤进行实验和分析。 首先，在本文的第二章“钢质储罐罐底外壁阴极保护电位分布规律的研究”中，根据国内普遍采用的罐底结构，按1:5比例，模拟五万立方米储罐，建立一个直径为12米的模拟罐底板，研究各种罐底电位测量方法，测量不同阳极位置下罐底电位分布情况，对测量结果进行分析，并从理论上对研究结论进行证明。 然后，第三章“林源库区外加电流阴极保护系统综合技术研究”是在第二章的基础上通过在大庆输油管理处林源输油站油库区内新建区域性阴极保护系统;开展区域性阴极保护综合技术的研究，对阳极地床的位置和深度，阴极保护电位分布，阳极电场分布之间的相互关系，以及外加电流阴极保护系统可能存在的不安全因素进行较全面的研究，为罐区外加电流阴极保护系统的优化设计提供理论依据。第四章“林源库区五万立方米原油罐底电位分布实测分析”，是针对该站区实施区域性阴极保护后，为了判定大型罐底板外侧阴极保护效果，取得实际阴极保护现场的测量数据，结合林源输油站油库区五万立方米储罐清罐大修，在罐底板外侧的直径方向上安装五组Zn参比电极，实现对罐底阴极保护电位的实地测量。 第五章“管道输油气站区域性阴极保护的干扰与屏蔽”讨论了区域性阴极保护对保护范围以外的设施的阴极保护产生干扰的问题;讨论了消除屏蔽的方法。 通过对测量数据的分析，结合第二、三、四、五章的工作，得出罐底板电位分布规律以及区域性阴极保护的干扰与屏蔽消除的方法，从理论和实践上为罐区外加电流阴极保护系统的优化设计提供可靠的依据。第2章 钢质储罐罐底外壁阴极保护电位分布规律研究2.1 综述 钢质储罐是石油开采、储运、加工过程中重要的基础设施，其安全问题历来受到广泛重视;而腐蚀是威胁储罐安全运行的重要因素之一。国内外制定了许多相应的技术规范、标准及法规来指导储罐的防腐工作，以达到减轻和控制储罐的腐蚀破坏的目的，保障储罐的安全运行。 目前，对储罐腐蚀最严重的部位之一罐底外壁，大多采用外加电流阴极保护技术。但是，由于储罐的特殊基础结构，在施加外加电流阴极保护后，其电位分布，尤其是大型储罐底板的电位分布，是人们关心的重点，也是该领域的研究热点。 罐底电位测量多是测量罐边电位;此外还有采用在罐底埋入多孔硬质聚乙烯管，通过在管内移动参比电极的方法来测量罐底电位分布在罐底埋设长效参比电极来直接测量罐底保护电位。后两种方法至今仍被认为是最能直观反映罐底电位分布的测量方法，但其测量结果的可靠性没有得到其他方法的验证。 近年来，根据稳定电场理论对罐底的电位分布进行了系统的研究，建立了相应的数学模型，并推导出其电位分布随罐半径的变化公式。但是，由于实际情况与其理论假设存在很大差距，数学模型难以准确描述各种复杂情况下的罐底电位分布规律。 本课题根据国内普遍采用的罐底结构，按1:5比例，模拟五万立方米储罐，建立了一个直径为12米的模拟罐底板，研究了各种罐底电位测量方法，对测量结果进行了分析，并测量了不同阳极位置下罐底电位分布情况。2.2罐底电位分布及测量方法的研究2.2.1实验原理 区域性阴极保护技术的原理与常规阴极保护技术的原理是相同的，都是通过外加阴极极化电流使被保护金属电位负向偏移，使其由腐蚀状态进入热力学稳态，从而抑制或减缓其腐蚀的发生和发展。目前的阴极保护技第二章钢质储罐罐底外壁阴极保护电位分布规律的研究术包括两种方式:强制电流法和牺牲阳极法，在某种情况下还可以联合使用这两种方式。(1)强制电流阴极保护 强制电流阴极保护是对保护对象施加阴极电流以实施阴极极化，实现保护的一种方法。强制电流阴极保护系统有三个组成部分:极化电源、辅助阳极、被保护的金属构筑物(即阴极)。 由于强制电流阴极保护可提供较大的保护电流，并且保护电流、保护电压可根据需要进行适当地调节，适用于土壤电阻率较高、保护面积或保护距离较大的环境中。比如对长输管线或直径较大的储罐底板的阴极保护中。 强制电流阴极保护的设计中，当罐底面积很大时，辅助阳极的布置对罐底板中心部位的保护水平起一定作用。通常可供选择的阳极埋设方式有:罐周直埋立式、罐底水平式、罐旁深井式、罐底斜角式以及在罐底沙层中使用金属氧化物线形网状阳极，或柔性阳极。(2)牺牲阳极阴极保护 牺牲阳极按材质分主要有:镁及镁合金、锌及锌合金、铝合金等类型。这些金属或其合金都具有比被保护金属电位更负的特点，当它们与被保护的金属连接时就构成了电偶电池。在此电偶电池中，牺牲阳极因较活泼而成为电池的阳极优先溶解，释放出电流使被保护金属阴极极化，实现保护。实际使用中牺牲阳极周边大多用填料包围以减少接地电阻及促进腐蚀产物的溶解。 牺牲阳极阴极保护一般适用于土壤电阻率较低、保护面积小或用强制电流方法会对其它设施造成干扰的情况下，比如直径较小的储罐且周围地下金属构筑物布局复杂的环境中。 区域性阴极保护中常采用外加电流为主，牺牲阳极为辅两种方式相结合的方式进行保护。2.2.2阴极保护参数 阴极保护参数是衡量阴极保护是否发挥其作用的重要依据。主要包括两个重要的参数:最小保护电位和最小保护电流密度。 (1)最小保护电位 最小保护电位是指阴极保护时使金属腐蚀停止时所需的电位值。对于最小保护电位值，在英国BS7361、德国DIN30676、前苏联F O C T9602-89、美国NAEC RP 0169等标准中都有规定。在中国石油行业标准SY/0088-1995钢制储罐罐底外壁阴极保护技术标准中，对储罐罐底外壁的保护电位准则有如下的规定:一般情况下，罐底对地最小电位相对于饱和硫酸铜参比电极应达到-0.85V。当土壤中含有硫酸盐还原菌，且硫酸根含量大于0.5%时，保护电位应达到-0.95V或更负;罐底和土壤接触的参比电极之间测得阴极极化电位差不小于100mV;当在罐中心部位监测有困难时，根据现场经验，推荐罐底周边的保护电位保持在-1.1-1.15V(相对铜/饱和硫酸铜电极)。(2)最小保护电流密度最小保护电流密度是指被保护构筑物达到最小保护电位时单位面积上所需的保护电流。在SYT/0088-1995钢制储罐罐底外壁阴极保护技术标准中推荐储罐保护电流密度i。为5-10Am/m2。(3)阴极保护参数的测定电位的测定电位的测定主要是指测定被保护金属相对参比电极的电位差。常用的参比电极有饱和甘汞参比电极、银/氯化银参比电极、铜/硫酸铜参比电极;因携带和维护方便，工程中常使用饱和铜/硫酸铜参比电极，有便携式和埋地长效型两类。电位测定的主要方法有:地表参比法、近参比法、滑动参比法。理论上这个电位差值应该等于极化电位，但在实际测量中，所测电位实际还包括土壤的IR降。 IR降是影响电位测量准确度的重要因素。常用消除IR降的方法有:瞬间断电法、试片断电法、极化探头法、原位参比法、土壤电压梯度法、脉冲技术法、交流技术法。同时，要求测量所用电压表应具有较高的内阻，通常应大于100K。灵敏闽应小于电压值的5%。电流的测定与电位测量相反，电流测量中要求仪表的内阻尽可能地小，应在被测回路总电阻的5%以内。电流表的灵敏闽应小于被测电流值的5%。牺牲阳极输出电流测量的方法主要有:标准电阻法、双电流表法、直测法。被保护构件内部电流测量的方法主要有:电压降法和补偿法。2.2.3实验方法模拟罐底板采用普通碳素钢(其化学成分见表2-1);钢板下有厚度为100mm沥青砂层和500mm的砂层，环梁厚240mm，高600mm，采用砖砌水泥抹面。其中200mm埋于土中。在底板边缘710mm周围埋有505mm扁钢，作为罐的接地体，接地体埋深600mm。在罐东西南北四个方向不同位置埋设四组各四支高硅铸铁辅助阳极，具体埋设参数见表2-2。在罐底的东西方向直径上，间隔1200mm，钻有12mm的电位测试孔11个;与此夹角45度的方向，亦有相同间隔的电位测试孔(见图2-1)，此孔用来测量罐底的电位分布。各测量点的编号见图2-1。表2-1 罐底钢板的化学成分（wt.%)CSiMnPSAsNFe0.080.070.290.0150.0140.0370.01余量罐底电位的测量采用三种方法:普通测量法、断电测量法和极化试片法(见图2-2，图2-3)。参比电极采用饱和硫酸铜电极。普通测量法是将一个长颈塑料杯安装在底板12mm测试孔上，导电盐桥穿过沥青砂层，用来模拟目前常用的多孔PVC管的测量方法。表2-2 外加电流辅助阳极的埋设参数阳极编号A1A2A3A4距管道距离（m）10512埋地深度(m)0.60.60.66.0断电法是采用APM-1智能电位测量仪来控制罐底板和接地体极化电流的通断，利用长颈塑料杯来测量断电时的罐底电位分布。极化试片法(见图2-2)则通过安装在罐底板12mm测试孔上的测量探头上的极化试片，来测量罐底电位分布。采用极化试片法可以避免沥青砂层IR降和接地体电位可能对罐底电位分布的影响。极化探头塑料钢板沥青砂层盐桥极化试板连接桩盐桥长颈塑料杯钢板理清砂层连接桩图2-2极化试片法的示意图 图2-3普通测量法的示意图外加电流阴极保护系统的接线，如图2-4所示。电源采用手动调压整流电源，为了减小直流电源的纹波，采用电感、电容联合滤波。电源正极通过阳极电流分配器连接到阳极，阳极电流分配器是用来平衡四支阳极的输出电流;负极则分成两路分别接到罐底板和接地体上，线路上接两个可变电阻，以分别调节接地体和罐底极化电流的大小。电流分离器 阳极接地体沥青砂罐底板W1W2K1K2KAA1A2图2-4模拟罐底阴极保护的实验接线图2.2.3实验结果与讨论:(1)罐底电位的测量直接测量采用如图2-3所示的普通测量法测量，在极化回路中，断开图2-4中开关K2，合上开关K及K1调节W1对罐底板进行极化，辅助阳极为16支高硅铸铁阳极，测得的极化曲线如图2-5所示。从图中可以看出，底板的极化曲线基本为一条直线，呈典型的电阻极化特征。因而，从整体看沥青砂层上罐底板的阴极极化行为由土壤中传统的氧扩散控制，变为沥青砂层的电阻极化控制。因而在测量罐底电位时，沥青砂层IR降的影响比与土壤直接接触的IR降影响大得多。由此可以看出，在沥青沙层下直接测量的罐底电位因沥青砂层IR降的影响而存在很大的误差图2-5罐底的阴极极化曲线(接地体未通电)整体断电法在实际阴极保护系统中，为了消除沥青砂层IR降，可采用断电法来测量罐底的极化电位。由于罐底和接地体存在电连接，且不可分割。因此，在采用断电测量技术时，一般是对罐底和接地体同时断电。断电后，接地体和罐底仍是电连接。本文中的整体断电法就是根据实际情况进行的模拟。在图2-4中，K断开，其两端接到APM-1测量仪的自动控制开关两端， K、闭合，调节W1，在测试过程中保持底板极化电流10mA不变，通过调节W，来改变接地体的极化电流。测量仪采用APM-1智能电位测量仪，测量仪的自动控制开关两端连接在K的两端K(断开)，由APM-1测量仪自动控制极化电流通断，参比电极安装在图2-3的长颈测量杯中，连接参比电极和零位接阴线到APM-1测量仪的电位测量端。测量结果如表2-3所示。表2-3 整体断电法测量的罐底电位测量点E1-0E1-1E1-2E1-3E1-4接地体极 化电 流常 规断电常 规断电常 规断 电常 规断电常 规断电常 规断 电0.5A-974-447-1118-510-1201-553-1083-484-1055-486-839-7651.0A-1060-418-1238-466-1356-495-1221-446-1152-446-1081-8671.5A-1188-398-1382-446-1522-484-1341-433-1259-435-1553-10542.0A-1284-389-1486-438-1618-461-1457-412-1344-413-1821-11012.85A-1435-372-1652-415-1795-447-1641-402-1496-399-2268-1104从表2-3的结果可以看出，在保持罐底板极化电流不变的条件下，两种测量方法的测量结果及变化趋势迥异。采用常规方法测量时，罐底电位随接地体电位的负移而负移;而采用整体断电法时，罐底电位随接地体的负移而正移。这一实验结果表明，此两种测量方法测量的罐底电位数据，均受到了接地体电位的影响。众所周知，在罐底极化电流及介质条件不变的条件下，罐底的真实极化电位应基本不变(随后的结果将证明这一点)。采用常规法，测得的罐底电位数据，除了叠加沥青砂层的IR降外(这一部分与罐底极化电流一样保持不变)，还受到接地体电位的直接影响，即测量的电位为罐底板电位、沥青砂层IR降、土壤中IR降和接地体电位的混合电位。所以其测得的电位数据，随接地体电位的负移而负移。而采用断电法时，由于极化电流产生的沥青砂层和土壤中IR降为零，对测量结果没有影响。上述四项影响测量结果的因素只剩下罐底电位和接地体电位。此时如果不考虑其他因素，其测量结果应随接地体电位的负移而负移;但是测量结果却随接地体电位的负移而正移。这是因为由于接地体和罐底板所处介质条件的差异;在进行阴极极化时，接地体能得到比罐底板平均电流密度大得多的阴极极化电流密度，使得接地体的电位远负于罐底板电位;在断电后，由于外电场的消失，接地体表面聚集的大量电子通过钢导体流向罐底板，而后通过沥青砂层流失到大地，并在沥青砂层产生一个与阴极极化电流反向的I降，使得罐底电位的测量数据正移，而这种正移随着罐底板与接地体的电位差的增大而增大;所以采用整体断电法测量的罐底电位会随着接地体电位的负移而正移。为了验证上述结论，改变整体断电法为底板断电法，即把图2-4中K闭合，K1断开，APM-1型测量仪的自动控制开关的两端连接在K1的两端。其他实验条件不变，重复上面的实验，实验结果见表2-4。表2-4 底板断电法测量的罐底电位接地体E1-0E1-1E1-2E1-3E1-4极 化电 流常规断电常规断电常规断电常规断电常规断电0.5A-1055-355-1159-402-1244-426-1165-387-1160-3661.0A-1155-453-1299-516-1359-546-1262-460-1248-4401.5A-1236-513-1398-611-1460-649-1377-588-1342-5102.0A-1359-633-1497-674-1575-746-1478-672-1427-6072.85A-1452-742-1654-833-1758-914-1638-819-1552-706从表2-4的结果可以看出，采用底板断电的测量方法，其测量结果则随接地电流的增大而负移，这进一步证实了上述结论;同时也说明此种方法的测量结果仍受接地体电位的影响。以上的实验结果表明:在沥青砂层下测量罐底电位，无论采用普通的直接测量法，还是采用断电法，其测量结果均受到接地体电位和沥青砂层IR降的影响。因而，其直接测量的电位结果不能代表罐底电位。极化试片法测量方法如图2-2所示，极化试片通过连接桩与罐底板相连接，参比电极放入塑料杯内来测量罐底板的极化电位。为了验证采用此方法测得罐底电位数据是否受接地体电位的影响，实验线路图2-4中K、K1、K2均闭合，调节W 1保持罐底极化电流为15mA，调节W2来改变接地体的极化电流，测量结果如表2-5。表2-5 极化试片法测量的罐底电位 极化电流E1-0E1-1E1-2E1-31.0A-359-330-536-5161.5A-360330-538-4762.0A-362-330-539-4753.0A-362-319-541-527由表2-5的测量结果，测得的罐底板极化电位基本上不受接地体电位变化的影响。因此，可以认为采用此方法测得的电位数据基本上代表了真实的罐底板极化电位。(2)阳极地床位置对电位测量及保护效果的影响为了研究阳极位置对罐底电位分布的影响，本实验布置了四组阳极其埋设的位置参数见表2-2。图2-7罐底的电位分布曲线(E3, E4, E5度)图2-8 单边极化罐底的电位分布曲线(E1,E2 ) 为了验证上述结果，将阴极极化电流从罐边四个方向施加改为从单个方向施加，即取每组阳极的第一根阳极(东边)，对罐底施加阴极保护电流，这样进一步扩大电流流向的不对称性，再测量罐底电位分布。测量结果如图2-8所示。从图中可以看出，单边极化条件下，罐底电位的分布也基本为一条水平线，与测量点的电位值无关。 上述实验结果可以证明，对于含沥青砂层结构的罐底板，其保护电位的分布基本均匀，与测量点的位置无关。2.3罐底电位分布的理论分析:在罐底及周围介质均匀一致的条件下，罐边与罐中心的阴极电场差可以用下式表示(2-1) (2-1)式中 E罐中心与罐边阴极电场差 罐底及周围均一介质的电阻率 is 罐底平均电流密度 k 反映罐底电流密度 r 罐底半径当k0，电场差出现最大值为： (2-2)对于罐底铺设有砂层的情况下，设沥青砂层的绝缘电阻为R（m2），则由于阴极的阴极极化电流密度差为： (2-3)一般认为，式中i边is i中心is (2-4) (2-5) (2-6)在罐底阴极极化过程中，其典型反应为耗氧反应，其控制过程在阴极极化的不同阶段，表现为电化学控制和氧扩散控制。在本实验条件下，由于氧的扩散相对容易，扩散路程短，因而其阴极极化控制过程应为电化学控制过程，其电极电位可由下式表述:所以将式(2-6)代入(2-7)中，则 (2-7) (2-8)式中 b为Travel斜率，对于吸氧反应，b=0.116V。从(2-8)中可以看出，罐底电位差受土壤电阻率p，沥青砂层电阻R和罐半径r三个因素的影响:罐半径愈大，罐底电位差愈大;土壤电阻率愈高，罐底电位差愈大;而沥青砂层绝缘电阻愈大，则罐底电位差愈小。本实验模拟罐直径为12米，其r=6米。现场土壤电阻率为67.9 m罐底沥青砂层绝缘电阻为2150.m2。代入式(2-8)有:从上面的计算结果可以看出，在本模拟实验条件下，罐边与罐中心的电位差理论上的最大值仅为9.6mV，基本上可以忽略不计，这从理论上证实上述实验结果的正确性。那么，在相同条件下，对于一个直径为60米的5万立方米的大型储罐，其理论上的最大电位差为:上面的计算结果仅为52mV，这表明在罐底有沥青砂层的情况下，其电位分布基本均匀。第3章 林源库区外加电流阴极保护系统综合技术研究大庆输油管理处林源输油站油库区的总容量为30万立方米，是大庆油田外输的总出口。油库区自1974年投产至今已有27年，罐底