储罐底板阴极保护电位分布不均匀性分析

第23卷第4期 油　气　储　运 防腐保温
储罐底板阴极保护电位分布
不均匀性分析
梁　宏3
(中国石油管道公司乌鲁木齐输气处)
刘书梅
(吐哈油公司吐鲁番采油厂)
肖容鸽
(石油大学(山东))
梁　宏　刘书梅等:储罐底板阴极保护电位分布不均匀性分析,油气储运,2004,23(4)39～42。

摘　要　大直径储罐底板的阴极保护电位存在较大差异,可造成罐中心的欠保护,提高罐边缘电位可能造成罐中心的过保护。

利用电场的叠加理论,计算了储罐底板电位不均匀性的最大值,并推导了相应的计算公式,指出阴极电场是影响储罐底板电位不均匀性的主要因素,建议采用双阳极和四阳极的布置方法对储罐进行保护。

主题词　储罐 底板 保护电位 分布 不均匀 分析
一、前　言
钢质储罐通过防腐覆盖层配合阴极保护来控制储罐腐蚀,通常当罐中心的保护电位介于-0.85～-0.12V时,认为储罐完全得到了保护。

储罐电位的测试一般是在罐边缘放置参比电极,但是在罐边缘测取的数据与罐中心电位存在差异,尤其是大直径储罐罐底的电位分布是不均匀的,其不均匀程度与罐直径、土壤电阻率、罐底板的电流密度以及阳极的形状、大小、分布情况有关。

因此根据罐边缘保护电位来判定储罐的保护效果是不恰当的〔1〕。

目前国内外一般采用在储罐一侧或四周按一定的角度(90°或120°)安装深井阳极,该方法具有接地电阻小、使用寿命长、地表电位分布均匀、有利于克服屏蔽效应的优点。

由于阳极电场的分布,过多的电流流向了罐底边缘,造成了罐中心和罐边缘的电位差,可能会引起罐中心的欠保护〔2〕。

因此,研究阳极电场对储罐底板电位分布不均匀性的影响对于确定阳极布置、保护储罐具有重要的意义。

通常采用提高罐边缘的电位值来实现对罐中心的保护,由于罐边缘和罐中心的电位差是未知的,可能会造成罐边缘的过保护。

一部分储罐通过在罐底板埋置长效参比电极,这样可以监测保护电位分布。

补加长效参比电极会给罐区生产、施工、管理带来很多不便。

采用斜井阳极的方法,在储罐周边倾斜钻孔,将阳极置于罐底,可以改善电流流向罐中心的分布。

12,　雷永生等:石油胶体溶液结构及应用研究,化学世界增刊, 1996,113～114。

13,　卫一龙等:石油胶体分散体系理论及其在工业中的应用,抚顺石油学院学报,2000,20(4)31～35。

14,　耿殿雨:磁防蜡防垢机制分析-再谈磁致胶体效应,磁能应用技术,1990(3)6～8。

15,　Sheu E Y etal.Preprints Div Fuel Chem ACS,1992,37(3). 16,　郑　忠　李宁编:分子力与胶体的稳定和聚沉,高等教育出版社(北京),1995。

17,　方俊鑫等:电介质物理学,科学出版社(北京),1989。

18,　陈昭威:磁场处理油的机理的探讨(续),磁能应用技术, 1990(2)5～6。

19,　朱传征等:磁场对氯仿分子极化率、偶极矩影响的研究,华东师范大学学报(自然科学版),1996(2)106～108。

(收稿日期:2003204204)
编辑:张彦敏
　3838202,新疆鄯善火车站镇鄯乌首站,电话:(0995)8379206。

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二、研究方法
储罐底板电位分布不均匀性表现在罐底边缘电
位差δ1和罐底边缘与罐中心电位差δ2两个方面。

文献[3]指出罐底板电位是由三个电场叠加产生,保护电位<为:
<=U m -(U a +U c )(1)式中　U m ———罐底金属设备电位,V ;
U a ———罐底介质阳极电位,V ; U c ———罐底介质阴极电位,V 。

其中U m 可忽略不计,罐底边缘与中心的最大阴极电位差为:
max (ΔU c )=
i s ρr
6(2+k )
(6+k )(2)式中　i s ———罐底平均电流密度,A/m 2;
ρ———土壤电阻率,Ω・m ; r ———储罐半径,m ; k ———经验常数,取30。

阴极电场以罐中心平均对称分布,对罐底边缘电位差无贡献,式(2)中各参数取某一数值后,罐底边缘与中心的最大阴极电位差max (ΔU c )为定值。

埋地立式棒阳极的电场中任意P 点的电位为:
U a (x )=I ρ2πl ln
h +l +x 2+(h +l )
2
t +x 2+h 2
(3)
式中　l ———棒阳极的长度,m ;
h ———阳极顶部距地面深度,m ;
I ———阳极输出电流,A ;
x ———P 点到阳极中心的水平距离,m 。

对于不同的阳极电场,任意一点的阳极电位是多个阳极电场在该点产生的电位的叠加。

因此δ可表示为阳极电位差和阴极电位差之和。

δ1=max (
ΔU a )by -min (ΔU a )by +max (ΔU c )(4)δ2=max (
ΔU a )by -min (ΔU a )zx +max (ΔU c )(5)
为讨论方便,定义δ=λ+max (ΔU c ),λ对应阳极电位差,研究λ也就是研究δ。

λ1=max (
ΔU a )by -min (ΔU a )by (6)λ2=max (
ΔU a )by
-min (ΔU a )
z x
(7)
三、阴极电位差的计算
为了研究方便,在计算中,以50000m 3立式
储罐为例,r =30m ,深井阳极距油罐近端边缘距
离a =40m ,I ρ=144V ・m ,i s =5mA/m 2,ρ=1
200Ω・cm ,k =30,根据式(2),计算得出max (ΔU c )=0.3375V ,对于各种深井阳极布置情形均为定值,对罐底边缘电位差无贡献。

四、阳极电位分布的计算
1、　单阳极
单阳极如图1所示,由对称性可知,阳极电位不均匀性最大值在特殊点A 、B 两点取得,其中分别取h 为10m 、20m 和30m ,l 为16m 和26m ,利用式(3)、式(6)和式(7),得λ1=0.29585
V ,λ2=0.20459V ,且h 越小,l 越短,λ1和λ2越大。

图1　单阳极示意图
2、　双阳极
双阳极如图2所示,利用对称性,研究弧AC 即可得到罐底边缘的电位分布,PO
1=x ,利用几何关系,得:
PO 2=
4r 2+2a 2-x 2+4ar
图2　双阳极示意图
利用式(2),作U a (O 1P )和U a (O 2P )的函数曲线,然后将两者叠加,即可得到罐底边缘的阳极电位U a (x )分布(见图3)。

与单阳极类似,电位不均匀性最大值在特殊点A 、B 两点取得,λ1=0.1616V ,λ2=0.11332V ,其中h =10m ,l =16m ,且h 越小,l 越短,
λ1和λ2越大。

・04・油　气　储　运 2004年　
图3　双阳极阳极电场分布
3、　三阳极
三阳极如图4所示,由对称性可知,研究半圆
ACB 即可得到罐底边缘的电位分布,PO 1=x ,利用几何关系可以得到
PO 2
=
r +3
2
a -x cos β
2+
(r +a )3
2
+x sin β
2
PO 3=
r +3
2
a -x cos β　
2+
(r +a )
3
2
-x sin β　
2
cos
β=a 2
+2ar +x 2
2(a +r )x
　sin β=1-cos
β2
图4　三阳极示意图
利用式(2),作U a (O 1P )、U a (O 2P )和
U a (O 3P )的函数曲线,然后将三者叠加,即可得到罐底边缘的电位分布(见图5)。

图5　三阳极阳极电场分布
与双阳极不同,三阳极电位不均匀性最大值并不是在特殊点A 、B 两点取得,而是在AC 间的某一点(P 点和B 点)取得,λ1=0.17093V ,λ2=0.16112V ,其中h =10m ,l =16m ,且h 越
小,l 越短,λ1和λ2越大。

当h =30m 时,电位
不均匀性最大值在特殊点A 、B 两点取得。

4、　四阳极
四阳极如图6所示,由对称性可知,研究弧AC 即可得到罐底边缘的电位分布,PO 1=x ,利
用几何关系可以得到
PO 2=2(a +r )2-2x (a +r )(sin
β+c os β)+x 2PO 3=2(a +r )2+2x (a +r )(sin β-c os β)+x 2PO 4=
4(a +r )2-4x (a +r )c os
β+x 2利用式(2),作U a (O 1P )、U a (O 2P )、U a
(O 3P )和U a (O 4P )关于x 的函数曲线,然后将三者叠加,即可得到罐底边缘的电位分布(见图7)。

四阳极电位不均匀性最大值并不是在特殊点A 、B 两点取得,而是在AC 间的某一点P 和B 点
取得,但是罐底板边缘电位分布均匀,与罐中心电
位也很相近。

λ1=0.03633V ,λ2=0.00686
V ,其中h =10m ,l =16m ,且h 越小,l 越短,λ1、λ2越大。

・
14・第23卷第4期 梁　宏等:储罐底板阴极保护电位分布不均匀性分析
图6　
四阳极示意图图7　四阳极阳极电位分布图
五、结　论
将上述几种阳极形式的阳极电位分布图绘制于
图8中,可以得出如下结论。

(1)单阳极罐底板电位不均匀性最大,双阳极可以部分的改善罐底板电位的不均匀性,三阳极罐底板电位不均匀性变大,四阳极罐底板电位分布均匀。

(2)对于三阳极,罐底板电位不均匀最大值不是在离阳极最近和最远的端点达到,这对于根据罐边缘电位估计罐中心电位具有一定的指导意义。

图8　阳极电位分布
(3)从减少电位不均匀性和减少建设施工费
用的角度考虑,建议采用双阳极和四阳极,具体情况还要进行实际计算和经济性评价。

(4)阴极电场是影响罐底板电位不均匀性的主要因素,通过减少罐底板的电流密度或在底板下覆盖电阻率较小的土壤来减少阴极电场。

(5)其他参数一定,埋深越深,阳极长度越长,储罐底板电位不均匀性越大。

参
考文献
1,　孟凡前等:油罐罐底外侧阴极保护技术,油气储运,1999,
18(12)46～47。

2,　冯洪臣:已建储罐底板的阴极保护系统,油气储运,2000,
19(4)44～47。

3,　李相怡　翁永基:金属储罐底板外侧阴极保护电位分布的解
析计算法,石油学报,1998,19(3)99～103。

(收稿日期:2003204209)
编辑:吕　彦
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・24・油　气　储　运 2004年　
油　气　储　运 2004年作　者　介　绍
陈庆勋　见本刊2004年第3期作者介绍。

王峰会　教授,1962年生,1995年毕业于西北工业大学材料科学与工程系,获博士学位,现在西北工业
大学工程力学系从事材料力学行为研究。

王艳峰　1978年生,2001年毕业于清华大学工程物理系,现在清华大学工程物理系攻读硕士学位。

付道明　高级工程师,1966年生,1988年毕业于石油大学(山东)油田地面工程专业,现任塔里木油田
分公司开发事业部技术部主任。

杨晓军　1976年生,1999年毕业于抚顺石油学院机械系,现在石油大学(北京)攻读硕士学位。

冯海东　高级工程师,1966年生,1985年毕业于华东石油学院油气储运专业,现在上海交通大学机械与
动力学院攻读博士学位。

刘　刚　1970年生,1992年毕业于中国人民解放军后勤工程学院油气储运专业,现在中国人民解放军后
勤工程学院攻读博士学位。

蒋新生　讲师,1972年生,1999年毕业于重庆大学材料工程专业,获硕士学位,现在中国人民解放军后
勤工程学院从事教学和流体力学与油气储运工程领域研究工作。

王双凤　工程师,1965年生,1986年毕业于河南师范大学化学专业,现在中原油田技术安全监督处工作。

马秀波　1970年生,1993年毕业于山东省德州学院物理系,现在石油大学(山东)应用物理系攻读硕士
学位,主要从事磁技术应用相关研究。

梁　宏　助理工程师,1973年生,1998年毕业于石油大学(山东)矿机专业,现在中国石油管道公司乌
鲁木齐输气处鄯善首站从事输气管理工作。

周　勇　工程师,1974年生,1996年毕业于安徽机电学院工业自动化专业,现在华北油田分公司第五采
油厂工程技术研究所自动化室从事自动化仪表管理工作。

孙兴祥　工程师,1964年生,1985年毕业于重庆石油学校输气专业,现在兰州输气管理处从事生产管理
工作。

贾宗贤　高级工程师,1960年生,1981年毕业于胜利石油学校石油储运专业,2002年毕业于中国矿业大
学研究生院安全技术与工程专业,现任中国石化集团公司中原油田分公司输油管理处副经理兼总工程师,一直从事石油储运、安全技术及工程管理工作。

肖洪兵　副教授,1968年生,1991年毕业于华中科技大学自控系,现任华北航天工业学院电子信息工程
教研室主任,北京航空航天大学机械工程与自动化学院在读硕士研究生。

尚凤山　见本刊2004年第1期作者介绍。

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06・
Crude Oi I,O GST,2004,23(4)35～39.
In this paper,it is on the basis of“petroleum disperse system theory”that the effects of magnetic treatment on the paraffin grain formation are explained satisfactorily in the light of“DLVO theory”.Magnetic field strengthens the Van de Waals force of paraffin particles through the influence on the intermolecular dispersion force and promotes the paraffin particles to gather together,which is why magnetic treatment can prohibit paraf2 fin formation,reduce crude oil’s viscidity and change crude oil gel state.
Subject Headings:crude oil,wax deposit,magnetic treatment,viscosity,mechanism analysis
・CORROSION CON TROL&INSULA TION・
L IAN G Hong,L IU Shumei et at:Analysis on Distribution Inhomogeneity of Cathodic Protection Potential for Bottom Plate of Oil Tank,O GST,2004,23(4)39～42.
There is a large difference in cathodic protection potential for the bottom plate of big-diameter oil tank, that will produce a poor-protection potential in the center plate of oil tank,while a over-protection in it will also produce when increasing the protection potential in the circumference direction.The maximum value of in2 homogeneity of cathodic protection potential for bottom plate is calculated with superposition theorem of electric field and relative equations are derived.It is pointed out that the cathodic field is a major factor to influence the potential inhomogeneity of bottom plate of oil tank.The authors consider that double-anode or tetra-anode should be applied to protect oil tank.
Subject Headings:oil tank,protection potential,distribution,inhomogeneity,analysis
・EXPERIENCE EXCHAN GE・
ZHOU Y ong,MA Y ongzhong et at:Study on Radio Data Monitoring and Leak Locating Technology in Shen2 Shi Pipeline,O GST,2004,23(4)43～47.
This paper describes the study and application of negative pressure wave method in the leak detecting sys2 tem in ShenShi Oil Pipeline.The overall structure of the system,the determination of technical parameters and software design of the system are introduced.The analysis on the acquirement of time-difference during the leak point locating is made.The authors consider that the leak point locating technology of oil can improve the operation management of oil pipeline.
Subject Headings:oil pipeline,data acquisition and monitoring,leak location,negative pressure wave method,study,application
SUN Xingxiang,L IU Baoxia et at:Study on G as Displacement Technique for the Commissioning of G as Trans2 mission Pipeline,O GST,2004,23(4)48～51.
The different gas displacement scenarios for Sebei—Xi’ning—Lanzhou G as Transmission Pipeline to be commissioned are compared and analyzed.This paper describes the advantages and disadvantages of use-separa2 tion-pig and non-use-separation pig and the feasibility of non-use-separation pig scenario.A qualita-tive analysis on the measurement data is made and common law is summarized.Based on the analytical result,the
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