3.5 Применение алюминиевых сплавов в резервуаростроении

Алюминий является термодинамически неустойчивым металлом вследствие сильно отрицательного значения электродного потенциала (-1,67 В). Однако коррозионная стойкость алюминия и его сплавов очень высока во многих средах.

На воздухе поверхность алюминия быстро теряет металлический блеск, покрываясь тонкой и прочной защитной пленкой, состоящей из оксида алюминия. Защитная пленка предохраняет металл от дальнейшего окисления. Алюминий и его сплавы имеют весьма высокую стойкость в нефти, нефтепродуктах, газовом конденсате и сжиженных газах, агрессивность нефти определяется содержанием примесей и воды. В реальных конструкциях возможно возникновение коррозии ввиду наличия щелей и зазоров. Вследствие различного поступления кислорода к металлу в зазоре возникает пара дифференциальной аэрации, где алюминий в зазоре служит анодом коррозионного элемента и подвергается усиленной коррозии.

В резервуарных конструкциях применяют в основном алюминиево-магниевые сплавы, обладающие благоприятным сочетанием химических, механических и технологических свойств.

На НГДУ «Арланнефть» в Нефтекамске был изготовлен стальной резервуар с алюминиевой крышей. Было установлено, что разработанная алюминиевая крыша удовлетворяет предъявляемым требованиям по коррозионной стойкости. После 20 месяцев эксплуатации очаги коррозии не образовывались. Снизилась общая коррозия днища резервуара, которая происходит из-за сульфидных осадков, падающих со стальных крыш. Пример алюминиевой крыши на рис. 7 (город Муром). Прогнозируемый срок службы алюминиевой крыши достигает 20 лет, что дает возможность исключить затраты на ремонт стальных крыш. Срок окупаемости дополнительных капитальных вложений на сооружение алюминиевой крыши составляет около 3, 5 лет.

Недостатками алюминиевой крыши в Нефтекамске являются большое количество сварных швов и большая масса.

Учитывая положительные результаты исследований, экспериментальных и опытно-промышленных работ по применению алюминиевых сплавов в резервуарных конструкциях, можно считать, что алюминиевые сплавы имеют реальную возможность использования в серийном резервуаростроении. В то же время при разработке проектов необходимо принять во внимание склонность алюминия к локальным видам коррозии и высокую чувствительность к контактной коррозии.

Рисунок 7 – Общий вид герметичной алюминиевой купольной крыши РВС-1000

4 Расчет протекторной защиты резервуара рвс.

Протекторная защита внутренней поверхности нефтепромысловых резервуаров типа РВС различного назначения от электрохимической коррозии применяется при любом уровне водной фазы, удельное электросопротивление которой составляет не более 0,7 Ом·м.

Цель расчета параметров протекторной защиты резервуаров в рассматриваемом случае - нахождение диаметров и длины витков протектора на днище, массы протекторов, расстояния между точками дренажа, величины сопротивлений, дополнительно включаемых в цепь дренажных проводов, рассмотрим протекторную защиту с низким уровнем фаз.

Исходные данные:

• диаметр РВС D, м;

• средняя высота слоя воды , м;

• удельное сопротивление воды , Ом м;

• коэффициент дефектности противокоррозионного покрытия днища S0, в долях единицы;

• поляризационное сопротивление стали , Ом·м²;

• задаваемая степень защиты от коррозии , в долях единицы;

• диаметр протектора , м;

• удельное сопротивление металла протектора , Ом·м;

• удельный расход протектора под током q кг/А·год; 88

• масса 1м протектора , кг/м;

• задаваемый коэффициент использования массы протектора =0,65;

• проектный срок службы протектора , год;

• потенциал протектора в пробе воды при наложении анодной плотности тока 1 А/м², измеренный относительно электрода сравнения , , В;

• дополнительная поляризация протектора в реальных условиях работы за счёт загрязнения его поверхности ∆φп, В (принимают ∆ = 0,1 В);

• задаваемый коэффициент неравномерности утечки тока по длине протектора ;

• стационарный потенциал стали в водной фазе РВС относительно электрода сравнения , В;

Этап 1. Расчет защитной катодной поляризации

 = 0,08lg(1- ), В, где - степень защиты резервуара от коррозии, доли единицы (принимают = 0,95-0,99).

Этап 2. Расчет минимально необходимой защитной плотности

тока на поверхности резервуара (при наличии покрытия - в дефектах

покрытия)

= , А/ м², где Pc - поляризационное сопротивление стали.

Этап 3. Расчет переходного сопротивления днища резервуара

R = , Oм , где - коэффициент дефектности противокоррозионного покрытия днища, в долях единицы.

Этап 4. Расчет расстояния между витками протектора на днище

Рассчитывается коэффициент распространения тока междувитками протектора в слое водной фазы:

 , , где - удельное сопротивление воды, Ом·м; - средняя высота слоя воды, м.

Рассчитывается коэффициент :

= где - масса 1м протектора, кг/м; - задаваемый коэффициент использования массы протектора = 0,65; q - удельный расход протектора под током кг/А·год; Тп - проектный срок службы протектора, год (принимают Тп = 3-5 лет); - задаваемый коэффициентнеравномерности утечки тока по длине протектора (принимают = 1,1-1,2444).

Расстояние между витками протектора на днище:

a≤ ln( , м, где α - коэффициент распространения тока между витками протектора в слое водной фазы, 1/м.

Этап 5. Расчет диаметра и длины витков протектора на днище

= (2i−1)a; =π ; i=1,2,…n; ≤D, где į - номера витков, начиная от центра РВС; n - число витков, равное номеру последнего витка, диаметр которого не более диаметра РВС.

Этап 6. Расчет расстояния (по длине витков протектора) между точками дренажа (соединения дренажных выводов с протектором)

Рассчитывается переходное сопротивление протектора:

= cth(0,5 Ом∙м, где cthα = - гиперболический котангенс; а- расстояние между витками протектора на днище, м; α – коэффициент распространения тока между витками протектора в слое водной фазы.

Продольное сопротивление протектора в конце срока службы:

= , Ом/м, где -удельное сопротивление металла протектора, Ом·м; -задаваемый коэффициент использования массы протектора; –диаметр протектора, м.

Коэффициент распространения тока по длине протектора:

= , где - продольное сопротивление протектора в конце срока службы, Ом/м; - переходное сопротивление протектора, Ом∙м.

Расстояние (по длине витков протектора) между точками дренажа (соединения дренажных выводов с протектором):

l≤ ln( , м, где -задаваемый коэффициент неравномерности утечки тока по длине протектора; - коэффициент распространения тока по длине протектора.

Этап 7. Расчет количества точек дренажа

m= /l;  где суммарная длина витков протектора. Округляют m до ближайшего целого числа и уточняют l= m. При этом расстояниемежду концами витков и ближайшими к ним точками дренажарассчитывают по формуле l= m.

Этап 8. Расчет требуемой силы тока защиты РВС

Рассчитывается коэффициента неравномерности утечки тока между витками: = /ln( + ); =ch0,5a chα= - гиперболический косинус.

Коэффициент неравномерности утечки тока по длине витков:

/ln( + ); =ch(0,5 l).

Общий коэффициент неравномерности:

, где - коэффициента неравномерности утечки между витками; - коэффициент неравномерности утечки тока по длине витков.

Требуемая сила тока защиты РВС: I= , A.

Этап 9. Расчет силы тока в каждом дренажном проводе =I/m, A, где m - количества точек дренажа, I - требуемая сила тока защиты РВС, А.

Этап 10. Расчет сопротивления, дополнительно включаемого в

цепь дренажных проводов. Рассчитывается требуемая разность потенциалов между протекторами и РВС в точках дренажа:

U=   В, где   - защитная катодная поляризация, В. Суммарная величина сопротивления, включаемого между протектором и РВС в каждой точке дренажа:

= , Ом, где - потенциал протектора в пробе воды при наложении анодной плотности тока 1 А/м², измеренный относительно электрода сравнения, В; - стационарный потенциал стали в водной фазе РВС относительно электрода сравнения, В; - дополнительная поляризация протектора в реальных условиях работы за счёт загрязнения его поверхности, В (принимают = 0,1 В).

Рассчитывается сопротивление резисторов, дополнительно включаемых в цепь дренажных проводов:

= , Ом, где Rпр - сопротивление i - го дренажного провода, Ом; i=1,2,..,m.

Рассмотрим протекторную защиту с высоким уровнем фаз (более 2м).

Исходные данные те же, а также понадобятся:

срок подключения центральных протекторов (ЦП), расположенных вокруг центральной стойки - ,год;

диаметр центральной стойки РВС Dц, м;

 длина вертикально устанавливаемых у боковой стенки и центральной стойки протекторов - , м ( ≤ );

Расчет практически идентичен расчету с низким уровнем, укажем лишь различия:

Этап 4. Расчет расстояния между витками протектора на днище

Рассчитывается коэффициент распространения тока междувитками протектора в слое водной фазы:

 /R , , При больших ( >3м) принимают = 2, где =4 м – расчетное расстояние между витками, которое принимают в начале расчетов. При <3м, hp= . Уточняется при hв=а/2 и коэффициент К1 по уточненному .

Рассчитывают окончательное значение а по уточненному .

Требуемая сила тока защиты днища РВС по формуле :

I=0,25π(  , A, где - диаметр предпоследнего витка, м.

Этап 11. Расчет шага расстановки вертикальных протекторов

(ВП) по периметру РВС

, м, =0,2D( ) / ; = ; =ch(0,5αD).

Этап 13. Расчет сопротивления добавочного резистора, включаемого в цепь точки дренажа крайнего витка

Рассчитывается требуемая разность потенциалов между протектором КВ и РВС в точке дренажа

==  

Сопротивление добавочного резистора, включаемого в цепь точки

дренажа КВ: = - , Ом, где - сопротивление дренажного провода КВ, Ом.

Этап 14. Расчет силы тока защиты ЦП

=π (0,0625 + ),А.

Этап 17. Расчет общей длины протекторных стержней, необходимых для защиты резервуара

= + + + ,м.