新技术的工程应用
徐志贤 翟云皓 武烈
摘 要：腐蚀调查表明石化大型原油储罐存在内、外壁腐蚀已成为设备管理的隐患，通过采用新型深井阳极阴极保护与牺牲阳极综合防护新技术，结合工程实践，首次实施深井阳极模式化设计计算方法和大型储罐腐蚀与防护遥测遥控装置二项专利，取得良好的保护效果和维护设备安全运行的新经验。
关键词：大型储罐 腐蚀调查 深井阳极 阴极保护 模式设计 遥测遥控
1、前言
扬子石化贮运厂在长江北岸137×132m2的长方形区域内建有4座直径为46.2m、容积为30000m3的原油储罐，罐号：G901A、G901B、G901C、G901D，罐距20m。罐体采用A3钢建成，常年存储原油，以沙特轻、重油为主，具有较高的腐蚀性。原油成份见表1。原油储罐作为石化储运大型设备之一，近年来其损坏事故，大部分是由腐蚀引起的，其中底板腐蚀又是最常见和最为严重的。为此，对G901A罐外部实施了浅埋式外加电流阴极保护，四储罐内壁都采用了涂料防腐。2001年，经腐蚀调查和技术论证，进一步实施“原油储罐腐蚀控制”的专项研究。2003年5月经论证，确定了在役储罐外壁采用新型深井阳极阴极保护的技术方案和施工设计、工程实施，取得了良好的保护效果和经验。
表1 沙特轻重油的成分
AP1
15.6d
S%
Ni ppm
凝点(F)
V(cs)
37℃
残碳
雷氏
蒸汽压
盐NaCl
16S/1000
灰分(%)
沙特轻油
33.4
0.8575
1.079
20.50
-30℃
6.25
3.58
3.60
6.0
0.00
沙特重油
27.9
0.8871
2.850
57.00
-20℃
19.00
7.90
7.50
4.0
0.01
2、原油储罐腐蚀调查
腐蚀环境直接影响原油储罐的腐蚀成因，需要通过对罐区地质、水文、土壤、气候的调查，确定腐蚀环境的基本特性，土壤电阻率及氧化－还原电位、土壤理化分析判定设计所要的环境及土壤的基本技术指标。
2.1 罐区地质地貌基本调查
据“江苏土壤”及南京市相关地质资料了解：贮运厂罐区位于长江北岸，大厂区域内，东临滁河河谷平原，北缘老山山脉末梢，西有马汊河，南为长江北岸冲积土带。该区原为滁河及支流所围沼泽洼地，后经历代淤泥堆积而成今平缓倾斜的平原低地，河塘遍布，植被茂盛，气候温湿，腐殖质丰富，构成了多种土壤发育条件，形成基本的腐蚀特征。根据该区地质及土壤成因分析、土壤剖面分析结果，埋地钢材较易发生腐蚀。
2.2 土壤电阻率测量
土壤电阻率为综合衡量土壤腐蚀性状的基本指标， 表2 中国一般地区土壤腐蚀性分级标准
腐蚀性等级
强
中
弱
土壤电阻率/Ωm
<20
20～50
>50
据我国的土壤腐蚀等级排序，可确定土壤腐蚀等级。
如表2所示。
在罐区内选点测量，如表3（气温：37.5～37.8℃，土壤干湿：很干，电极间距：A=2m）。
表3 原油储罐土壤电阻率测量成果表
序号
土壤电阻R（Ω）
土壤电阻率（Ωm）
1
4.15
52.12
2
4.9
61.54
3
20.5
257.48
4
1.95
23.86
5
1.82
22.86
6
3.15
39.56
7
1.6
20.10
8
1.25
15.70
9
1.85
23.24
由此可见，原油罐区土壤电阻率处于20～50Ωm
占大部分，少部低值和高电阻值与罐区局部地貌变化
有关。在工业化环境中，土壤腐蚀为中等略偏强等级。
2.3 土壤氧化还原电位测量分析
此项反映了土壤各种氧化还原平衡综合指标，其
氧化还原电位高低呈现了土壤对金属阴极化过程的影响。特别是在厌氧性微生物如硫酸盐还原菌的生命活
动所产生的细菌腐蚀作用，其阴极反应中氧 的去极化作用与腐蚀相关。具体的土壤细菌腐蚀评价标准如表4所示。
表4 土壤生物腐蚀等级分类
氧化还原电位Eh7（mV）
（相对氢标电极）
土壤生物腐蚀
<100
强
100～200
较强
200～400
中
>400
小
经1处连续测量五点取平均值作为Eh值，计算如下：
Eh = ESCE + E0 ESCE = 241.5 -0.76（T - 25℃）
土壤PH值= 7.81 T = 27.9℃
得到：ESCE=239.3mV Eh=346.8mV
Eh7 = 395.4mV
结果：罐区土壤生物腐蚀为中等强度等级。 表5 土壤理化分析综合表
序号
理化分析项目
数据范围
1
含水量
19.4～33.2％
2
PH值
6.98～7.94
3
氯离子含量
231.34～320.56mg/L
4
SO42+
0.126～0.420cmol/kg
5
可溶盐含量
0.022～0.069％
2.4 土壤PH值测量测量9点，PH值在6.98～7.94之间，对埋地钢铁腐蚀影响不大。
2.5 土壤理性分析
土壤中含有的无机盐、水分、氧、有机物会对金属腐蚀带来影响，如对其导电性，水对吸氧腐蚀速度的影响。取9点测量，理化分析综合如表5。
2.6 罐内沉积水理化分析 取样分析，如表6所示。氯离子含量达分析综合表沉积水理化到7.5～14.6g/L，造成小孔腐蚀的可能性很大。 表6 罐内
罐号
氯离子（mg/L）
硫酸值（mg/L）
PH值
G901A
10444.20
194
7.14～7.16
G901B
7590.04
198
7.34～7.36
G901C
14616.80
186
7.34～7.36
G901D
8757.74
180
7.42～7.44
2.7 罐体腐蚀状况分析
蚀孔孔径测量（mm）：3.52、2.53、3.34、3.94、
2.58，呈局部腐蚀，以小孔腐蚀为主。
2.8 电位测量与分析表7 原油储罐罐壁电位测量表（－V）
序号
G901A
G901B
G901C
G901D
1
1.40
0.56
0.36
0.31
2
1.41
0.62
0.87
0.30
3
1.40
0.30
0.88
0.30
4
1.40
0.28
0.88
0.30
5
1.39
0.26
0.36
0.31
6
1.41
0.36
0.36
0.36
7
1.41
0.35
0.36
0.36
8
1.41
0.35
0.36
0.36
每罐四周埋设8支长效型硫酸铜参比电极，其中G901A在几年前已作浅埋式外加电流阴极保护，
罐区腐蚀与防护电位如表7所示。
G901B、G901C处于G901A附近，罐体电位分布不均匀，靠近处电位较负，而远离处电位较正，会造成异接腐蚀。必需对G901B、C、D三罐同步实施阴极保护。
3、大型储罐深井阳极阴极保护设计
2002年扬子石化公司正式立项，由扬子石化公司贮运厂牵头进行“大型储罐综合防腐技术”的研发，编制技术方案设计。其技术路线为：在储罐内壁采用铝基牺牲阳极阴极保护，以4—4.5米距离的多层同心圆布置；外壁采用深井阳极外加电流阴极保护，及开发完成相应的腐蚀防护遥测遥控装置。具体如系统组成原理图（图1）。
3.1 参照标准规范
² SY/J07-96 钢质管道与储罐防腐蚀工程设计规范 石油行业标准
² APIRP651 地下石油储罐阴极保护 美石油学会
² RP-05-72-85 外加电流深井阳极设计、安装及维护 美NACE
² Q/NWHA01-2002 WZY-1分段预制式阳极井体 企标
² Q/NWHA02-2002 WZAH-1增安型防爆恒电位仪 企标
² Q/NWHA03-2002 WZT-1、-2、-3高纯度低阻抗碳素填料 企标
3.2 引用专利技术及研究成果
本工程进行以下四项专利技术二次开发，并形成本项目的二项新的专利技术成果：
² 实用新型专利 分段预制式阳极井体 ZL96228997.3
² 实用新型专利 组合装配式深井阳极地床 ZL97232551.4
² 发明专利 高纯度低阻抗碳素填料 03112389.9
² 实用新型专利 阳极井下耐蚀电缆 ZL97206025.1
由扬子石化为主自主研发的专利技术二项，并申报国家专利局获[批：
² 发明专利 深井阳极保护用模式化设计计算 03132153.4
² 实用新型专利 原油储罐防腐在线遥控及寿命预测装置 03259244.2
3.3 深井排流体模式化计算
深井阳极模式化发明专利实质上是一个排流体的多元化研究新模式。作为排流体而言，其接地电阻越小，则排流能力就越强，性能越好。针对排流能力，则是在地表以下的发散电流面积越广，电位分布越均匀。本次计算的内容解决：排流体自身面电流密度分布情况，随着其埋深变化与其接地电阻的变化情况，本专利以数学拓扑方法首次明确了排流体组的均匀化排流与深井阳极分布位置的相应关系。就本项目四座储罐“田”字型布局，模式化计算给出了与之相对应的中心十字深井阳极井位的最佳定位，经过施工，调试达到理想的阴极保护效果。
深井阳极模式化设计计算方法是由外协单位上海交通大学电力工程系高压研究所对直流接地板排流性能用镜象法进行数学模式化理论计算。按照最佳的电位分布和接地电阻计算达到与实施后尽可能一致。理论计算：电位均匀性，波动幅度≤20mv。传统的储罐底部中心和边缘，因边缘效应，电位差达300mv。均匀性相差了60%以上。接地电阻为0.756Ω。
＃
图1 正方田字形罐区深井阳极模式化设计的十字中心线对称定位示意图
主要设计参数为：
保护面积：T-901罐区：底板S1=1661.89m2×4=6647.56m2；
外测L=0.5m S2=72.22m2×4=288.88m2；
相连其他金属管道、接地网面积S3=250m2。
保护电流密度：i=10mA/m2。
恒电位仪：额定值50A/50V，防爆型。
新型深井阳极：4座，按模式化设计计算，对称分布，每井排流体8～30A。
参比电极：在役罐侧每罐对称布置8支长效埋地式参比电极，每罐设立一支测试桩，汇集测量电流。
均压处理：检测储罐、埋地金属管线、接地网、钢筋基础的电性连接情况，为避免杂散电流，应作均压处理。
阴极保护站：造建在罐区配电间旁，面积8m2以上，供电容量AC380V/50Hz×15A。
防爆处理：阳极电缆在防火墙内应埋地或穿墙引入阴保站，阴极电缆、参比电极电缆可走公用仪表线槽。阴极保护站在储罐罐区属于一级防爆厂区，为此，恒电位仪选用增安型防爆式，机壳防护等级IP54。
3.4 计算机实时在线遥测遥控装置
在中心控制室或阴极保护站安装一台可控计算机及通讯、外部设备连接相关恒电位仪接口输出端，每台仪器的数据采集控制板连2座3万方储罐的所有电气参数及阴极保护测量端。主要技术参数：
测量参数：各电气模拟信号，4路开关信号；
测量范围：1500m（有线）
遥测频度：9600bps
测量电位IR降处理：瞬间断电法
遥控指标：电位 －300mv ～ -2000 mv；精度 ±5 mA
3.5 储罐腐蚀与防护评价及寿命预测
根据储罐现场腐蚀与防护的特点、生产管理的需要和新技术的发展，本项目研究引入新兴的一门指导生产管理、决策的应用新技术——工程风险评估与预测评估[7]。针对储罐极值统计，采用具有概率特征的评估预测方法。根据相关文献的介绍，局部腐蚀现象的极值数据主要具有三种分布类型（表7）。
表7 极值分布的分类
类型
最大分布
最小分布
1
F(x)=exp[－exp(－（x－λ)/a）]
F－1(x)=1－exp[－exp(－（x－λ)/a）]
﹝－∞＜x＜∞, －∞＜λ＜∞，a＞0﹞
2
F(x)=exp[－（（x－γ)/η））－m]
F－1(x) =1－exp[－（（x－γ)/η））－m]
﹝－∞＜γ≤x＜∞, η＞0, m＞0﹞
3
F(x)=exp[－（（x－γ)/η））m]
F－1(x) =1－exp[－（（x－γ)/η））m]
﹝－∞＜x≤γ＜∞, η＞0, m＞0﹞
实践和理论证明最深蚀孔深度概率分布。主要服从Ｇumbel分布。本项目深入应用研究，按石化储罐的腐蚀特征及现场条件，作了适当的补充和简化。依据极值统计处理方法推算出最大腐蚀孔深值，用局部腐蚀进展的乘幂公式进行储罐寿命的估算：
tf = (d/x)1/n x t
t —— 孔深测量时在役时间；
x —— 在t 时刻测得的最大蚀深值；
d —— 调查点壁厚；
n —— 孔蚀体系和时间常数
tf —— 预测的储罐使用寿命。
在阴极保护条件，本项目的实施的储罐预测寿命tf 均达20年以上。
4、施工安装
自2003年9月～11月，实施工程分项目如下：
Ø 深井阳极：地质调查、定位、钻建深井4座，深度35～40m，距罐区中心50～60m。
Ø 电缆布设：埋设布敷阳极电缆、阴极电缆、参比电缆、阻燃电源电缆共3600m。其中桥架380m。
Ø 参比电极埋设安装：每罐8支WZC-2型长效埋地铜/硫酸铜参比电极。
Ø 阴极保护站改建：将更衣室加筑隔断，设立8m2阴极保护站，布设电源线路和防爆断路器，电缆线槽桥架电气安装。
Ø G901A罐同方位深井阳极阴极保护改装。
Ø 测试桩：每罐1支，共4支。汇集参比电缆接头8个，阴极电缆接头1个。
Ø 计算机实施在线遥测遥控及寿命预测系统安装调试：
主要技术工艺参量：
测量参数：13路模拟信号，4路开关系统/台
测量范围：1500m，有线
遥测频度：9600bps
测量电位：－0.2～－1.999V，直流
遥控范围：－3000mV～－2000mV，恒电位精度：±5mV
寿命预测精度：0.1年
原图2 储罐深井阳极阴极保护系统组成及原理图
图3 3万m3罐的阴极保护电位测量数据表及电位分布
5、阴极保护系统运行与效果评价
自2003年11月竣工验收，并制定了阴极保护管理保护规程，进行管理人员的技术培训。本系统已正常运行近2年。其计算机在线遥测遥控装置，采样存储的电位数据测量表及电位分布曲线如图2所示。实际输出电压、电流为：DC2~5V/3～7A，保护电位：－0.85～－1.09V。分布曲线的水平曲率低，均匀性好，且可动态显示和取样，其直观性对管理操作带来方便，完全可达到预期的设计指标和充分的保护状态。
6、阴极保护新技术的应用推广
本项目的实施成功受到扬子石化公司，中石化集团公司生产设备部门的关注和表扬。2004和2005年在新建扬子石化储运厂码头车间3.8万方三座油品罐工程项目中全面采用新型深井阳极阴极保护和铝基牺牲阳极联合保护储罐外、内壁，。根据三座罐呈“一”字型分布的特点，深井阳极模式化设计采用锯齿形斜角对称布位，使每座储罐底板受到对称的二座深井阳极的保护。
图4 一字型3.8万方×3油品罐区深井阳极模式化锯齿型对称定位示意图
3.8万方×3油品罐防腐采用本深井阳极模式化设计方法。对于其呈一字型的罐座布局，采用锯齿型对称深井定位设计。经理论计算，其电位分布均匀性和接地电阻均达到优良的水平。具体如图4所示。实施后经调试测量，保护电位达到-0.85－-1.05V其保护效率均匀，节能。均达到设计指标要求。
本项目技术成果的特点适用在和新建的大型储罐腐蚀防护，其改造和工程实施不影响生产系统的安全运行，在进一步改善埋设底部的参比电极抗压性能，提高其可靠性，更可减少维修管理难度。目前，在新的2.5万方*2油罐项目中，已通过采用ABS抗压高强度长寿命埋地参比电极，进一步改善系统的可靠性和长寿命运用性能。
参考文献
【1】美国专利No.3725.669“外加电流深埋阳极井” J.F.Tatum
【2】美国专利No.4400.259“深阳极井装置” W.R.Rchut
【3】“阴极保护和接地用深井阳极地床安装的材料” J.F.Tatum 1987
NACE Corrosion Proterion
【4】中国专利No.96228997.3“分段预制式阳极井体” 武烈 1996
【5】中国专利No.97232551.4“组合装配式深井阳极地床” 武烈 1997
【6】油气储运 No. 1.1997
【7】钢质管道储罐腐蚀与防护评价及预测方法研究 卢绮敏 李绍忠 第13届国际腐蚀会议译文集 1998 石油出版社
信息来源：上海金属防腐 文章作者：徐志贤 翟云皓 武烈
