储罐设计论文：储罐阴极维护体系设计的缺陷探讨

储罐设计论文：储罐阴极维护体系设计的缺陷探讨储罐底板下表面防腐的必要性罐底基础内的回填沙需要通过淡水洗，筛网过滤等措施以保证其洁净、性质均一，降低其腐蚀性。国外规范中还有通过在沙层内添加少量水泥或石灰，以进一步提升沙层pH值和压实度的方法。但即便如此，在雨雪天气、地下水位高、海洋气候或环境氯碱含量较高等因素影响下，沙层仍可能存有水分、氧气、氯离子、油品等形成的腐蚀环境。当因为罐内液位发生变化时，罐底板会发生一定形变，即使有阴极保护系统，也无法对罐底板与沙层分离的部分进行保护。罐底板经防腐处理以后，可以对罐底板的大多数区域进行保护，并且大大降低阴极保护的保护电流，节约能源，因此有必要对罐底板下表面进行防腐处理。但国内很多大罐在做罐底板涂层防腐的同时也进行了沥青砂保护（图1），这种作法有可能导致阴极保护系统的局部失效。在苏丹、阿尔及利亚、伊拉克等很多国外项目中，这种作法都出现过争议。国外文献的5.1.4条款和文献的15.2.2条款都明确规定：不宜在有阴极保护系统的同时，采用沥青砂等与阴极保护系统不兼容的防腐方式对罐底板下表面进行保护，以防止在罐底板与阳极之间形成防碍阴极保护电流通过的屏障。因此进行阴极保护的储罐底板下表面应尽量避免同时采用沥青砂进行保护。网状阳极布局及埋深的确定网状阳极的布局包括阳极带、导电片及馈电点分布方式的确定。其中的阳极带是阳极电流的直接输出单元，其布局应根据阳极带规格、罐底保护面积、罐底涂层类型、罐底结构、环墙基础结构等因素确定阳极网应避免与罐底板或积水坑、环墙钢筋等金属构件接触，以避免阴阳极发生短路和阴极保护电流的额外消耗。导电片和馈电点是输送阳极电流的导体，需要根据电流衰减公式计算其导电片间距、馈电点数量及分布，以便在经济、便于安装的基础上，最大水准地保证阳极电流的均匀分布。阳极网与罐底板的距离越大，电流分布越均匀，而阳极间距越大，越节省阳极材料。假定罐底板保护电流密度为10mA/m2情况下根据NACE推荐的采用60°仰角原理，计算直径80m储罐底板下表面采用不同埋深MMO带状阳极时阳极间距和阳极总量的对比结果（表1）表明，埋深0.2m的MMO阳极用量是埋深0.45m阳极用量的2倍多。因此在回填沙垫层允许的范围内，阳极网深度应尽量增大。但阳极长度同时应满足小于其额定发电量的要求，如本例要保证MMO阳极的表面电流密度小于1.2A/m2，阳极带总长度需大于2956.79m。综合考虑，本例MMO阳极网至罐底板距离宜取0.45m左右。在实际应用中，因为罐底大都存有一定的锥度，因此阳极至罐底的距离从罐底中心到罐壁也不一致，若相差较大，应根据实际情况对阳极埋深和间距进行调整。参比电极布局及测试管的应用国内很多设计院习惯将罐底的参比电极沿储罐某一半径进行排列，有时为便于互相校准，还采用不同类型的参比电极交替排列。这样排布参比电缆在罐底可以同沟覆设，便于施工。但是从监测效果来看，这种参比电极排布方式有一定局限性。因为罐底板下表面各点在与其临近的环境中的电位受环境电解质的组成、阴阳极馈电点的位置以及涂层破损位置等因素相关，沿储罐某一半径上的电位检测结果无法全面代表整个罐外底板的被保护情况。因此参比电极宜在罐底板下方均匀分布。大多数铜/饱和硫酸铜的寿命为15年左右，当使用年限大于参比电极寿命时，这些参比电极可能发生失效。这样整个阴极保护系统就失去了判断保护效果的基准，导致整个阴保系统无法有效发挥作用。因为参比电极大多位于罐底混凝土环墙内，对其进行更换几乎不可能。因此最好在设计之初就在环墙上沿储罐底板直径设置测试管，测试管上每间隔一定距离开孔槽，以便于永久性参比电极失效后，采用便携式参比电极进行测试。储罐与外部管线和接地系统的绝缘处理储罐底板下表面的阴极保护通常要求将储罐与外部接管或接地等金属连接用绝缘法兰或绝缘接头隔离，以防止阴极保护电流的流失。但目前国内外新建储罐一般都要在环墙内包覆一层HDPE防渗膜，以防止罐内油品泄漏污染地下水系统（图1）。这层防渗膜将罐底板下的网状阳极外加电流阴极保护系统的阴阳极与外界隔离开，保证了阴极保护电流不流失，因此对罐底的阴极保护系统有积极作用。因为防渗膜在电解质路径起到了绝缘作用，在这种情况下，即使项目投用初期金属导体路径没有有效绝缘也不会影响到阴极保护系统的效果。但随着大罐沉降和HDPE层老化，防渗膜的绝缘性能可能会失效，使阴极保护系统与周围金属结构形成通路，进而影响阴极保护系统的性能。因此从长期稳定运行角度来看，储罐还是应该保证与周围埋地金属设施的绝缘。阳极材料的选取根据设计寿命、保护电流和储罐基础的结构不同，储罐底板下表面的阴极保护系统可以选用从镁、锌等牺牲阳极到高硅铸铁、导电聚合物阳极、混合金属氧化物阳极等外加电流阳极的不同材料。但牺牲阳极存有寿命短、发电量低、驱动电压小的共性，因此主要应用于电流需求少，设计寿命较短并且阳极更换较方便的场合。高硅铸铁作为一种主要的传统阳极材料目前仍有广泛应用，但因为其消耗率和机械性能的限制，一般只能用作沿罐周分布的深井、斜井或浅埋阳极，在有防渗膜存有的情况下其应用受到限制。导电聚合物阳极和混合金属氧化物阳极作为新型阳极材料在罐底板外加电流阴极保护系统中都有应用，其中的混合金属氧化物阳极因为消耗率极低、效果稳定，并且其性能随着科技进步持续提升而得到越来越多的应用，在储罐阴极保护系统中占主导地位。通常工程应用中要求MMO阳极的放电电流密度小于1.2A/m2，以保证其使用寿命，而实际上阳极带的两面因为与作为阴极的罐底板的位置不同，其表面的实际输出电流密度是不一样的，正对罐底板的一面电流密度较大，而其背面输出电流密度较小。因此若要保证其平均工作电流密度为1.2A/m2，则规格书中要求的产品最大输出电流密度应大于此值。如果阳极网距离防渗膜过近，则会进一步限制MMO阳极带下底面的阳极电流输出，此时阳极的电流输出保守要求应能满足2.4A/m2,目前国内已有新型MMO复合阳极可达到此要求。储罐基础预留注水管的必要性在海外储罐阴保设计工作中曾碰到有国外监理要求在储罐环墙基础上预留注水管，以备罐底垫层干燥导致电阻率过高时降低电阻率，提升阴极保护电流。但通过分析，这种作法为舍本求末，并不可取。环境电阻率是判断其腐蚀性的一个重要依据，若电阻率很高，表明其腐蚀性很弱，通过灌水来降低其电阻率其实是人为制造了一种更严重的腐蚀环境，而且只要在设计阶段合理对环境电阻率进行考虑，完全可以满足高电阻率下阴保系统的性能要求。表2为假定在不同规格储罐基础内砂垫层电阻率为500Qm，MMO网状阳极埋深500mm情况下计算的MMO阳极网地床电阻、垫层电阻及假定保护电流密度为10mA/m2情况下计算的回路电压。通过对不同直径罐体底板下表面阴保系统部分电阻计算可以发现，储罐越小垫层电阻率对阴保回路电阻的影响越明显。但同时储罐越小所需要的保护电流也越少，综合来看，对电源输出电压的要求影响不大。若想降低阴极保护系统回路电阻，采用焦炭作为阳极地床填料为更可取的方法。小结储罐底板下表面的外加电流阴极保护系统可以有效保护罐底板免受腐蚀的危害，具有很高的经济效益和社会效益。但目前国内罐外底板阴极保护的设计还存有部分区别。通过比较分析可以发现，罐底板应采用与阴极保护系统兼容性好的防腐层，阳极网的布局应保证阳极电流的均匀分布，