储罐在海水中的腐蚀主要是电化学腐蚀, 即在腐蚀过程中有微电流产生。实际的腐蚀过程往往是一个或几个电化学腐蚀机理共同作用的结果。腐蚀过程包括金属失去电子 (氧化反应) 和得到这些电子的还原反应 (如氧、水的还原) :氧化反应称为阳极反应, 还原反应称为阴极反应, 腐蚀发生时, 这两个反应同时进行。氧化反应导致金属损失和腐蚀, 腐蚀过程是不可逆的。从电化学原理可知, 腐蚀电池的阴极是不发生腐蚀的, 而只有阳极才发生腐蚀。因此, 将被保护金属变成阴极, 就可以防止金属的腐蚀, 这种方法叫做阴极保护。
阴极保护的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的状态, 使金属表面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。有两种办法可以实现这一目的, 即牺牲阳极阴极保护和强制电流阴极保护。牺牲阳极阴极保护是将电位更负的金属与被保护金属连接, 并处于同一电解质中, 使该金属上的电子转移到被保护金属上去, 使整个被保护金属处于一个较负的、相同的电位下。该方式简便易行, 不需要外加电源, 很少产生腐蚀干扰。强制电流法的特点是:阴极保护措施指在现有的钢板结构工艺措施基础上, 向被保护的金属通以直流电流, 使被保护的金属变成阴极从而得到保护。电压、电流可调性好, 可随外界条件变化实现自动控制。使用周期长, 可用于不同介质中。需要成套电源控制设备, 并经常检查管理。
在大型储罐进行海水试压时一般采用牺牲阳极法。
1 储罐基本参数
1.1 储罐内表面临时阴极保护参数表
1.2 单罐体积:100000 m3;
1.3 罐直径:80米;
1.4 充海水试压罐内最高水位:20.2米;
1.5 地理条件:海域水质干净, 不在河口, 海水含盐量相对较高, 海水对钢的腐蚀性很强。
1.6临时阴极保护时间:最长时间为65天;
2设计技术指标
2.1 阴极保护期内介质电位:-0.85V~-1.10V (相对于Cu/CuSO4参比电极) ;
2.2 保护范围:浮舱下表面、罐底板内表面、罐壁内表面;
2.3 阴极保护时间:65天。
2.4 保护效果:罐体在海水中无锈蚀, 钢板上原有的黄锈部分会被洗除, 在排水进行中可以目测检查;但在排水后, 如不对罐壁及时冲淡水处理, 裸露的罐壁在大气中仍然会形成氧化浮锈, 浮锈可用抹布擦除;在浮舱下表面及罐底板内表面形成少量的钙镁结合物。
3 设计计算
3.1 保护面积计算
3.2 保护电流
3.2.1 电流密度的选取
本次原油储罐的试压时间为65天左右, 它不像海洋工程在海水中使用几十年, 允许初期以较小的电流密度, 阴极极化逐步产生钙镁保护层, 就像长了一层油漆层一样。这样的极化过程允许1个月至半年内完成并达到理想的保护电位, 对保护效果影响不大。而储罐压载试验的时间只有几十天, 极化速度必须快, 海水升到哪里, 哪里就应立刻受到保护, 因此, 保护电流密度选取如下:
3.2.2 保护电流计算
IP=ips
式中:IP表示罐底内表面、浮舱下表面及罐壁内表面所需的保护电流;
S表示罐底内表面、浮舱下表面及罐壁内表的保护面积;
ip表示表3中裸露或涂层的保护电流密度。
计算结果如下表:
4 阳极选型
阳极选型满足如下条件:
(1) 整个罐体极化电流需要量非常大, 故单支阳极的发生电流量要最大化;
(2) 临时阴极保护的时间短, 一般为1~3个月, 多则半年, 故阳极的选型要尽量做到效率高, 减少不必要的浪费;
(3) 阳极的化学成份要匹配此海水环境下的阴极保护极化速度;
(4) 在整个临时保护过程中, 阴极保护的用材要考虑罐体工程实际需求, 一定要避免产生过量的钙镁结合物敷住罐内焊缝, 难以清理。
因此, 本设计中的阳极的选型及化学成份如下:
(1) 罐底板内表面及浮舱下底面:
型号:HCAJ-D/10
(2) 罐壁
型号:HCAJ-D/22
(3) 阳极的化学成份:HC钢质储罐临时阴极保护专用阳极。
5 所选阳极的接水电阻及阳极发生电流计算
(1) HCAJ-D/10型阳极接水电阻及发生电流计算
a) 阳极的接水电阻计算
式中:R1—阳极接水电阻, Ω;
L1—阳极的长度, ㎝;
ρ—海水电阻率, 25Ω.㎝;
r1—阳极截面当量半径;
C—阳极截面周长, ㎝
b) 阳极发生电流计算
式中:ΔV—阳极的驱动电位, V;
If1—阳极的发生电流, mA;
c) 阳极的寿命核算
式中:T1—阳极使用寿命, 天;
η—阳极平均发生电流系数;
If1—阳极发生电流;
24—平均每天小时数;
0.85—阳极使用系数。
(2) HCAJ-D/22型阳极接水电阻及发生电流计算
a) 阳极的接水电阻计算
式中:R2—阳极接水电阻, Ω;
L2—阳极的长度, ㎝;
ρ—海水电阻率, 25Ω.㎝;
r2—阳极截面当量半径
C—阳极截面周长, ㎝
b) 阳极发生电流计算
式中:ΔV—阳极的驱动电位, V;
If2—阳极的发生电流, mA
c) 阳极的寿命核算
式中: T2—阳极使用寿命, 天;
η—阳极平均发生电流系数;
If2—阳极发生电流;
24—平均每天小时数;
0.85—阳极使用系数。
综上计算:
(1) 浮舱下表面每支阳极发生电流为10.20A, 使用寿命为77天;
(2) 罐底板内表面每支阳极发生电流为10.20A, 使用寿命为77天;
(3) 罐壁内表面每支阳极发生电流为20.27A, 使用寿命为85天。
通过阳极的寿命核算, 每支阳极均能满足临时阴极保护65天期限的要求。
6 阳极数量计算
计算公式如下:
罐底板内表面阳极数量
由于罐内附件及不可预见的因素, 特增加5支阳极,
取整数, N1=20根
其中:IP11=IP1-IP12=145180m A
IP12:罐底板内表面已安装块状铝合金牺牲阳极块的电流发生量;
IP12= 332100mA
(2) 浮舱下表面阳极数量
取整数:N2=47根。
(3) 罐壁内表面阳极数量
取整数:N3=24根
(4) 阳极数量计算结果表
7 实际应用效果
在天津国家石油储备基地工程中, 采用海水进行储罐水压试验, 按照上述计算采用铝镁铟镉合金阳极进行阴极保护, 充水试验结束后发现阳极的保护效果较好, 大大减少了海水对钢板的腐蚀。
8 结语
⑴ 根据储罐的基本参数和相关规范可以计算出储罐海水试压所需要的阴极保护的数量;
⑵ 通过在储罐海水试验中的实际应用验证了临时阴极保护计算的合理性和准确性。
摘要：在国际油价的影响下, 国有企业、民营企业特别是地方港口投资建设原油储备库的项目方兴未艾, 在大型储罐施工过程中水压试验是一个必不可少的工序, 在地域条件、经济条件影响下, 大部分石油储备项目都采用与海水进行试压, 为减少海水在试验过程中对钢板的腐蚀, 需在储罐相关部位安装临时阴极保护。为确定阴极保护的形式和数量, 结合GB50393-2008及其它相关规范, 以十万方储罐为例, 计算出十万立储罐所需阴极保护数量, 并在工程中进行了应用, 通过实际应用验证了计算的合理性。
关键词：储罐,海水试验,阴极保护
参考文献
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