在爆炸性氣體環(huán)境中外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的安全分析

馬化雄，李云飛

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

在港口碼頭工程中，鋼結(jié)構(gòu)以其優(yōu)良的物理、機(jī)械、工藝和施工性能，在風(fēng)浪較大、地質(zhì)條件復(fù)雜和急需盡快投產(chǎn)的專業(yè)化碼頭及深水泊位建設(shè)中，具有其它材料難以比擬的優(yōu)勢。鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)（鋼板樁、鋼管樁等）在海水介質(zhì)和海洋環(huán)境中會(huì)遭受較嚴(yán)重的腐蝕，其平均腐蝕速度達(dá)到0.1～0.4 mm/a，局部腐蝕速度高達(dá)1 mm/a，鋼鐵結(jié)構(gòu)受腐蝕以后，其厚度減少，物理、機(jī)械性能下降及局部應(yīng)力集中等，不僅影響了工程結(jié)構(gòu)的使用功能及外觀，降低了工程的使用壽命，甚至可引發(fā)工程破壞事故，嚴(yán)重影響設(shè)計(jì)使用壽命較長的港口碼頭的安全使用。

陰極保護(hù)是水下區(qū)域防腐最有效的手段之一，它可以使這些鋼結(jié)構(gòu)物的腐蝕速度降至0.02 mm/a以下，對(duì)確保鋼結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的安全及正常使用功能，是十分必要的。

與犧牲陽極法相比，外加電流法具有使用的（輔助）陽極數(shù)量少、重量輕、保護(hù)電流連續(xù)可調(diào)，對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)狀態(tài)可實(shí)時(shí)監(jiān)控與調(diào)節(jié)，確保保護(hù)電位滿足要求，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，對(duì)大型鋼結(jié)構(gòu)的保護(hù)成本較低等優(yōu)點(diǎn)，在近年得到較多應(yīng)用。

存在爆炸性氣體的碼頭環(huán)境包括原油碼頭、液品化工碼頭、液化石油氣（LPG） 碼頭和液化天然氣（LNG） 碼頭等。對(duì)這些敏感區(qū)域?qū)嵤┩饧与娏麝帢O保護(hù)時(shí)，必須高度重視其安全設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量控制。文獻(xiàn) [1]明確規(guī)定：當(dāng)外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用于有易燃易爆氣體的環(huán)境中時(shí)，電源和檢測設(shè)備應(yīng)設(shè)置防爆裝置；各種接線點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行絕緣密封，并置于密閉的接線盒中；所有電纜應(yīng)敷設(shè)于電纜套管中，不得有外露點(diǎn)。危險(xiǎn)區(qū)域的劃分、儀器設(shè)備防爆等級(jí)要求及安裝位置，應(yīng)滿足相關(guān)規(guī)范[2]規(guī)定。本文結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用情況，簡述外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)、施工和使用過程中應(yīng)注重的安全原則及要點(diǎn)。

1 安全設(shè)計(jì)的原則

按照規(guī)定[2]，爆炸性氣體環(huán)境的安全設(shè)計(jì)和施工須貫徹預(yù)防為主的方針，保障人身和財(cái)產(chǎn)的安全，因地制宜地采取防范措施，做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用。

爆炸性氣體環(huán)境危險(xiǎn)區(qū)域可根據(jù)爆炸性氣體混合物出現(xiàn)的頻繁程度和持續(xù)時(shí)間進(jìn)行劃分。0區(qū)：連續(xù)出現(xiàn)或長期出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境；1區(qū)：在正常運(yùn)行時(shí)可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境；2區(qū)：在正常運(yùn)行時(shí)不可能出現(xiàn)爆炸性氣體混合物的環(huán)境，或即使出現(xiàn)也僅是短時(shí)存在的爆炸性氣體混合物的環(huán)境。

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的直流電源、控制設(shè)備、檢測、監(jiān)測、遙測裝置和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)的布置和安裝位置，應(yīng)遠(yuǎn)離可能會(huì)有爆炸性氣體溢出的輸油臂、輸送軟管接口等危險(xiǎn)區(qū)域，消除安全隱患。

陰極保護(hù)系統(tǒng)的所有設(shè)備均應(yīng)滿足相應(yīng)安裝位置的防爆等級(jí)要求，設(shè)備儀器外殼應(yīng)妥善接地，設(shè)備、電纜的所有連接點(diǎn)必須有恰當(dāng)?shù)姆辣胧?，所有電纜應(yīng)敷設(shè)于電纜套管中，并有良好的支撐、固定措施。

爆炸性氣體混合物的分級(jí)和分組應(yīng)執(zhí)行有關(guān)規(guī)定[2]。爆炸性氣體混合物的分級(jí)應(yīng)按其最大試驗(yàn)安全間隙（MESG）或最小點(diǎn)燃電流比（MICR）進(jìn)行分級(jí)，并符合表1的規(guī)定。

甘蔗損失測定是收集測定區(qū)內(nèi)落地、蔗稍、割茬蔗莖等損失蔗莖質(zhì)量與包括損失蔗經(jīng)的全部蔗莖質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示，因收獲的甘蔗切段較短，在20～23cm之間，損失碎蔗率為5.09%，瀑蔗率為6.59%，總損失率為11.68%。

表1 最大試驗(yàn)安全間隙（MESG）或最小點(diǎn)燃電流（MICR）分級(jí)

爆炸性氣體混合物分組應(yīng)按引燃溫度進(jìn)行劃分，并符合表2的規(guī)定。

表2 引燃溫度分組

2 安全設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1） 陰極保護(hù)設(shè)備應(yīng)布置在爆炸危險(xiǎn)性較小或沒有爆炸危險(xiǎn)的環(huán)境內(nèi)，在滿足保護(hù)要求的前提下，應(yīng)減少防爆電氣設(shè)備的數(shù)量。

2） 選用的防爆電氣設(shè)備的級(jí)別和組別，不應(yīng)低于該爆炸性氣體環(huán)境內(nèi)爆炸性氣體混合物的級(jí)別和組別。當(dāng)存在有兩種以上易燃性物質(zhì)形成的爆炸性氣體混合物時(shí)，應(yīng)按危險(xiǎn)程度較高的級(jí)別和組別選用防爆電氣設(shè)備。

3）外加電流陰極保護(hù)直流電源設(shè)備的防爆結(jié)構(gòu)選型及開關(guān)柜、控制臺(tái)等設(shè)備的防爆結(jié)構(gòu)選型應(yīng)符合相關(guān)規(guī)定[2]。

4） 陰極保護(hù)電纜應(yīng)敷設(shè)在爆炸危險(xiǎn)性較小的環(huán)境或遠(yuǎn)離釋放源的地方，宜敷設(shè)在電纜橋架或電纜溝。電纜敷設(shè)線路宜避開可能受到機(jī)械損傷、振動(dòng)、腐蝕以及可能受熱的地方，不能避開時(shí)，應(yīng)采取預(yù)離措施。

5） 陰極保護(hù)電纜應(yīng)采用銅芯電纜，其絕緣的耐壓強(qiáng)度、導(dǎo)線的截面與最大允許電流應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定[2]。

6） 當(dāng)陰極保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)的導(dǎo)體與其他非本系統(tǒng)的導(dǎo)體接觸時(shí)，如輸油臂與輸油軟管連接，油氣輸送管連接等，應(yīng)采取適當(dāng)預(yù)防措施，不應(yīng)使接觸點(diǎn)處產(chǎn)生電弧或電流增大、產(chǎn)生靜電或電磁感應(yīng)。

7） 陰極保護(hù)設(shè)備的金屬外殼應(yīng)可靠接地。爆炸性氣體環(huán)境1區(qū)和2區(qū)內(nèi)的所有陰極保護(hù)設(shè)備應(yīng)采用專門的接地線。設(shè)備的接地裝置與防止直接雷擊的獨(dú)立避雷針的接地裝置應(yīng)分開設(shè)置，與裝設(shè)在建筑物上防止直接雷擊的避雷針的接地裝置和防雷電感應(yīng)的接地裝置可合并設(shè)置。接地電阻值應(yīng)取其中最低值。

3 施工安全要求

爆炸性氣體環(huán)境中外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的施工單位必須具有高度的安全責(zé)任感，應(yīng)該意識(shí)到，質(zhì)量監(jiān)管的任何缺失都可能造成系統(tǒng)的安全隱患，導(dǎo)致國家財(cái)產(chǎn)和人員生命的損失，制定嚴(yán)密的質(zhì)量計(jì)劃并嚴(yán)格執(zhí)行。外加電流陰極保護(hù)工程與安全有關(guān)的主要質(zhì)量活動(dòng)包括：

1） 核查全部儀器設(shè)備的質(zhì)量證明材料、規(guī)格型號(hào)和狀態(tài)，確認(rèn)所使用的設(shè)備防爆等級(jí)、防護(hù)等級(jí)和技術(shù)指標(biāo)符合規(guī)范和設(shè)計(jì)要求。

2） 檢查所有電纜包括電源電纜、陰極電纜、陽極電纜、控制電纜和測量用屏蔽線的外觀完整性；確認(rèn)其規(guī)格、材質(zhì)、線徑、耐壓等級(jí)和絕緣等級(jí)滿足規(guī)范和設(shè)計(jì)要求；檢測并記錄每一根的絕緣電阻。

3） 電纜的敷設(shè)應(yīng)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)和規(guī)范的要求執(zhí)行，包括敷設(shè)線路、套管的材質(zhì)和規(guī)格、連接和密封、支撐固定方式、銘牌及編號(hào)等。電纜敷設(shè)時(shí)應(yīng)留有長度余量，避免在使用過程中受力。

4） 儀器設(shè)備的安裝位置、固定法式和接地處理應(yīng)滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，所有接線點(diǎn)應(yīng)置于防爆接線盒內(nèi)，采用樹脂澆注密封并有適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施。

5）保存上述質(zhì)量活動(dòng)完整記錄，確保責(zé)任的可追溯性。

4 應(yīng)用情況

外加電流陰極保護(hù)應(yīng)用于油品碼頭和液體化學(xué)品碼頭鋼管樁的防腐，在國外已有眾多成功先例。在國內(nèi)的天津港、營口港和大連港也已經(jīng)有多個(gè)泊位采用該保護(hù)技術(shù)，根據(jù)調(diào)查結(jié)果，這些保護(hù)系統(tǒng)大多處于良好運(yùn)行狀態(tài)，取得了預(yù)期的防腐效果。但也存在一些矛盾和不足，主要表現(xiàn)在：

1） 安全法規(guī)尚未形成體系，國家安全標(biāo)準(zhǔn)與專業(yè)設(shè)計(jì)、施工規(guī)范和現(xiàn)場安全作業(yè)規(guī)程之間未能完全同步，并形成有針對(duì)性的安全體系。

例如我國目前仍有油品碼頭采用“船岸跨接等電位線”技術(shù)消除靠泊油輪與碼頭鋼結(jié)構(gòu)之間的電位差，這是為避免碼頭上輸油臂與船上輸油軟管連接時(shí)，因電流流動(dòng)而產(chǎn)生電火花的一項(xiàng)安全措施。當(dāng)船體和碼頭鋼結(jié)構(gòu)有一方或雙方均采用陰極保護(hù)時(shí)，該項(xiàng)措施的安全保障作用有限，特別是在碼頭鋼結(jié)構(gòu)采用外加電流陰極保護(hù)技術(shù)之后，由于有功率較大的恒定直流電源，該措施基本上是無效的。而且，截面積較小的等電位連接線可能因負(fù)載電流過大而產(chǎn)生安全問題。

英國標(biāo)準(zhǔn)BS7361 PART 1：1991《陰極保護(hù)》中，明確要求油輪和碼頭之間必須采用絕緣法蘭、絕緣接頭或非導(dǎo)體軟輸油管，不能用電纜連接方式來平衡兩端的電位差。理由是現(xiàn)在碼頭和油輪一般都有陰極保護(hù)，它們之間可能會(huì)有很大的電流流動(dòng)，連接電纜不可能有足夠低的電阻、足夠大的截面積來平衡兩個(gè)保護(hù)系統(tǒng)之間的電位差，因而，采用電纜連接是無效的，可能產(chǎn)生安全問題。

文獻(xiàn) [4]和 [5]也要求采用絕緣法蘭、絕緣軟管來解決船體與碼頭之間的電流流動(dòng)問題，但目前我國各港口從設(shè)計(jì)（是否使用絕緣法蘭）到使用（是否取消等電位連接線）均未形成一致。

2） 儀器設(shè)備和施工質(zhì)量仍存在不足，根據(jù)使用情況調(diào)查，發(fā)現(xiàn)一些保護(hù)系統(tǒng)儀器設(shè)備的使用壽命和防護(hù)狀態(tài)難以達(dá)到預(yù)期要求，電纜的敷設(shè)和防護(hù)存在不規(guī)范、不安全的處理方式。

[1]JTS153-3—2007，海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)范[S].

[2]GB 50058—92，爆炸和火災(zāi)危險(xiǎn)環(huán)境電力裝置設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]BS 7361 PART Ⅰ：1991 Cathodic Protection-Part 1，Code of Practicefor Land and Marine Application[S].

[4]ISGOTT，國際油船和石油碼頭安全指南[S].

[5]GB 18434—2001，油船油碼頭安全作業(yè)規(guī)程[S].