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罐底外侧阴极保护电位分布模拟试验：方法、影响因素及应用研究

一、引言

1.1研究背景与意义

在石油、石化等工业领域，储罐作为储存各类液体、气体等原料或成品的关键设备，对整个工业系统的安全、稳定、长期运行起着举足轻重的作用。然而，储罐在运行过程中，罐底长期与地面接触，面临着复杂且严峻的腐蚀环境威胁。

从实际情况来看，储罐腐蚀事故频发，其中罐底板腐蚀穿孔是最为常见的问题之一。相关调查显示，储罐的实际寿命仅为设计寿命的30%-70%，而在储罐腐蚀中，底板腐蚀约占50%，罐底内外侧的腐蚀各占一半。罐底外侧的腐蚀主要源于土壤腐蚀、氧浓差电池腐蚀以及杂散电流和硫酸盐还原菌的腐蚀等。土壤中存在的水分、各种化学物质以及微生物等，会与罐底金属发生化学反应，形成电化学腐蚀。当储罐压力变化、季节变化导致沥青砂层出现细小裂痕时，地下水会因毛细作用与罐底外表面接触，从而引发电化学腐蚀，甚至出现腐蚀穿孔现象。大直径油罐沉降不均或罐底施工时与砂层接触不良，底板周边若未用沥青密封，雨水、地下水等侵入底板周边缝隙，在透气性不同的位置间构成氧浓差电池，使得底板特别是其中部外表面极易发生腐蚀，局部腐蚀不断恶化，最终形成坑蚀并导致腐蚀穿孔。此外，杂散电流和硫酸盐还原菌的存在也会进一步加重罐底的腐蚀程度。

罐底腐蚀带来的危害是多方面且极其严重的。它会导致储罐的使用寿命大幅缩短，增加了原油储存成本。腐蚀化学反应产物进入原油加工工序会使催化剂失效，影响正常生产过程，造成原油的浪费。更为严重的是，腐蚀引发的穿孔会影响储罐的安全运行，导致原油泄漏，进而污染周边环境，存在引发火灾、爆炸和人身事故的重大危险，危及整个储运系统的安全生产，可能产生巨大的经济损失和恶劣的社会影响。

为了有效防止储罐底板外壁发生腐蚀穿孔，国内外普遍采用阴极保护技术，包括外加电流和牺牲阳极两种方式，并建立了相应的技术规范。阴极保护的基本原理是通过外部电源或牺牲阳极，向被保护的金属结构物提供足够的电子，使金属表面的电位降低到某一数值，从而抑制金属的腐蚀过程。在罐底外侧阴极保护中，电位分布是衡量保护效果的关键指标。如果电位分布不均匀，部分区域的电位可能无法达到有效的保护电位范围，导致这些区域仍然容易发生腐蚀。因此，深入研究罐底外侧阴极保护电位分布具有至关重要的理论和实践意义。

目前，数值模拟方法已成为研究阴极保护体系电位和电流分布的重要手段，如有限元法、有限差分法、边界元法等。这些方法能够通过建立数学模型，对复杂的阴极保护系统进行数值计算，从而获取被保护金属结构物表面的电位和电流密度分布状况。与传统的实验方法相比，数值模拟具有保护效果预知性强、设计更具理论依据、可预测并消除干扰和屏蔽问题等优势。它可以在实际工程实施前，对不同的阴极保护方案进行模拟分析，优化设计参数，提高保护效果，降低工程成本和风险。通过模拟不同因素对罐底外侧阴极保护电位分布的影响，能够为实际生产中确定合理的阴极保护系统参数及阳极埋设位置提供科学的理论指导，确保储罐的安全运行，延长其使用寿命，减少因腐蚀带来的经济损失和安全隐患。

1.2国内外研究现状

阴极保护技术作为一种有效的金属腐蚀防护手段，在储罐保护领域已得到广泛应用，罐底外侧阴极保护电位分布的研究也一直是该领域的重点和热点。

国外对阴极保护技术的研究起步较早，在理论和实践方面都积累了丰富的经验。早期，国外主要通过实验测量的方法来研究罐底阴极保护电位分布。随着计算机技术的发展，数值模拟方法逐渐成为研究的重要手段。例如，有限元法、有限差分法、边界元法等多种数值计算方法被成功应用于电化学问题的数值计算中，以获取被保护金属结构物表面的电位和电流密度分布状况。在阳极材料和布置方式研究上，国外研发出多种新型阳极材料，如混合金属氧化物（MMO）柔性阳极等，这种阳极能够紧密贴合储罐罐底，确保电流均匀分布，避免了传统点状阳极可能导致的电位分布不均、易于产生干扰和屏蔽等问题。在实际工程应用中，国外制定了完善的阴极保护设计、施工和监测标准规范，保障了阴极保护系统的有效运行。

国内在阴极保护技术方面的研究虽起步相对较晚，但发展迅速。目前，国内对罐底外侧阴极保护电位分布的研究主要集中在数值模拟和实验研究两个方面。在数值模拟方面，不少学者建立了考虑多种因素的数学模型，利用专业软件模拟不同因素对罐底外侧阴极保护电位分布的影响。赵玉飞等人采用数值模拟软件建立了储罐底板外壁阴极保护电位分布的模型，研究了汇流点位置数量、阳极地床、阴极保护电流量、涂层破损率、土壤电阻率等对储罐底板电位分布的影响，结果表明储罐底板金属内电阻、阳极地床和阴极极化是影响储罐底板阴极保护电位分布的三个主要因素。在实验研究方面，部分学者搭建了罐底外侧阴极保护模拟实验装置，测量不同情况下模拟罐底板阴极保护电位分布，并与数值模拟结果