天津港30萬(wàn)噸級(jí)原油碼頭外加電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)

陳韜，楊太年，李云飛

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

1 工程概述

天津港30萬(wàn)噸級(jí)原油碼頭工程位于天津港南疆港區(qū)。新建碼頭由1座工作平臺(tái)，2座靠船墩，6座系纜墩和4個(gè)棧橋墩組成。

根據(jù)碼頭結(jié)構(gòu)和鋼管樁各部位的高程，該工程的鋼管樁處在水位變動(dòng)區(qū)，海水全浸區(qū)和海泥區(qū)三個(gè)區(qū)域。由于碼頭結(jié)構(gòu)終年處于海水及海洋大氣環(huán)境中，長(zhǎng)期受到氯化物、硫化物、海洋微生物以及各種陰、陽(yáng)離子等的腐蝕，碼頭結(jié)構(gòu)不可避免地要受一定程度的腐蝕，直接影響到碼頭的使用年限和安全。

本工程是石化碼頭，所以在設(shè)計(jì)陰極保護(hù)時(shí)，應(yīng)充分考慮到其防爆安全要求。本設(shè)計(jì)對(duì)保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)置采取了適當(dāng)?shù)姆辣胧⒁笏捎玫膬x器設(shè)備需具備一定的防爆等級(jí)。

2 碼頭自然條件和有關(guān)參數(shù)

1） 碼頭自然條件見(jiàn)表1。

2） 技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表1 碼頭自然條件

表2 碼頭有關(guān)技術(shù)參數(shù)

3 防腐設(shè)計(jì)要求和技術(shù)指標(biāo)

3.1 設(shè)計(jì)要求

針對(duì)天津港30萬(wàn)噸級(jí)原油碼頭鋼管樁存在水位變動(dòng)區(qū)、海水全浸區(qū)和海泥三個(gè)防腐區(qū)的實(shí)際情況，通過(guò)技術(shù)論證和經(jīng)濟(jì)比較，對(duì)碼頭部分鋼管樁水位變動(dòng)區(qū)和部分海水全浸區(qū)采用外加電流陰極保護(hù)與長(zhǎng)壽命防腐涂層聯(lián)合保護(hù)，對(duì)鋼管樁海水全浸區(qū)和泥面以下裸露鋼管樁采用外加電流陰極保護(hù)。

3.2 技術(shù)指標(biāo)

根據(jù)工程整體設(shè)計(jì)原則，確定鋼管樁防腐保護(hù)的技術(shù)指標(biāo)為：

1）碼頭上浸入海水中的樁體采用外加電流陰極保護(hù)，保護(hù)年限50 a；輸油管道引橋主固定墩的鋼管樁采用犧牲陽(yáng)極保護(hù)，保護(hù)年限為30 a，30 a后重新安裝陽(yáng)極達(dá)50 a保護(hù)壽命；

2） 涂層的使用壽命為20 a。工程交付20 a后，應(yīng)根據(jù)涂層附著情況以及鋼管樁的保護(hù)效果，重新修復(fù)防腐涂層，使其保護(hù)壽命達(dá)到50 a；

3） 根據(jù)所選涂料產(chǎn)品的性能指標(biāo)和規(guī)范的要求，本工程對(duì)保護(hù)電位實(shí)施嚴(yán)格監(jiān)控措施，使陰極保護(hù)最大負(fù)電位控制在-1.10 V（相對(duì)于Ag/AgCl參比電極，下同） 以下，避免防腐涂層因析氫而導(dǎo)致電剝離損壞；有效保護(hù)期限內(nèi)，鋼管樁水位變動(dòng)區(qū)、水下區(qū)的最小負(fù)電位確定為-0.80 V；

4） 在有效保護(hù)期內(nèi)，鋼管樁的腐蝕得到有效抑制，表面上基本無(wú)銹蝕，壁厚無(wú)明顯減薄，碼頭基本維持現(xiàn)狀而安全運(yùn)行（其它因素造成的損壞除外）；

5） 本工程的外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)可以對(duì)鋼管樁的保護(hù)電位進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 保護(hù)面積及保護(hù)電流計(jì)算

4.1 保護(hù)面積

根據(jù)天津港30萬(wàn)噸級(jí)原油碼頭工程施工圖紙，鋼管樁水中涂層區(qū)、海水裸露區(qū)和海泥區(qū)保護(hù)面積分別為5 621.8 m2、13 487.4 m2和 22 948.9 m2。

4.2 保護(hù)電流計(jì)算

最小保護(hù)電流密度是金屬構(gòu)件施加陰極保護(hù)時(shí)，為使金屬構(gòu)件得到完全保護(hù)所必需的電流密度值，通稱(chēng)為陰極保護(hù)電流密度。陰極保護(hù)電流密度，與最小保護(hù)電位相對(duì)應(yīng)，它的大小是影響金屬構(gòu)件陰極保護(hù)效果的重要參數(shù)之一。因此，必須選取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電流密度，使被保護(hù)的金屬構(gòu)件達(dá)到最小保護(hù)電位。如果保護(hù)電流密度偏高，會(huì)造成鋼質(zhì)構(gòu)件保護(hù)不足而縮短其有效使用年限；相反，保護(hù)電流密度偏高，不僅會(huì)消耗大量的電能，還會(huì)產(chǎn)生負(fù)作用，出現(xiàn)“過(guò)保護(hù)”現(xiàn)象。

陰極保護(hù)電流密度的大小與很多因素有關(guān)，主要有被保護(hù)的金屬種類(lèi)、金屬表面狀態(tài)、有效保護(hù)年限、海水的導(dǎo)電性、含氧量、流速、風(fēng)浪、pH值、溫度和污染等。這些因素的變化會(huì)導(dǎo)致保護(hù)電流密度產(chǎn)生數(shù)個(gè)到數(shù)百個(gè)mA/m2的變化。根據(jù)天津港30萬(wàn)噸級(jí)原油碼頭所處環(huán)境條件及作業(yè)工況，依據(jù)行業(yè)規(guī)范[1]選定該港區(qū)鋼管樁水中涂層區(qū)、海水裸露區(qū)和海泥區(qū)的保護(hù)電流密度分別為30 mA/m2、100 mA/m2和 20 mA/m2。

經(jīng)計(jì)算，本工程水中涂層區(qū)、海水裸露區(qū)和海泥區(qū)所需的保護(hù)電流分別為168.7 A、1 281.3 A和334.2 A?？紤]電流余量，外加電流陰極保護(hù)實(shí)際所需總電流為計(jì)算電流的1.1倍，總保護(hù)電流為1 974 A。

5 鋼管樁外加電流陰極保護(hù)防腐設(shè)計(jì)

5.1 輔助陽(yáng)極

輔助陽(yáng)極應(yīng)滿(mǎn)足以下要求[1]：

1）輔助陽(yáng)極的性能符合GB/T 7388《船用輔助陽(yáng)極技術(shù)條件》或BSEN 13174：2001《港口設(shè)施的陰極保護(hù)》的規(guī)定；

2）輔助陽(yáng)極接頭的水密性應(yīng)符合GB/T 7388的規(guī)定，接頭的絕緣電阻應(yīng)＞1 MΩ；

3）耐用年限應(yīng)與陽(yáng)極體的設(shè)計(jì)使用年限相一致；

4） 輔助陽(yáng)極的絕緣座密封材料以及靠近陽(yáng)極的支架和陽(yáng)極保護(hù)套管應(yīng)采用耐海水、耐堿、耐氯氣腐蝕的材料制成；

5）輔助陽(yáng)極的材料及幾何形狀應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)使用年限、使用條件、被保護(hù)鋼結(jié)構(gòu)的形式、陽(yáng)極材料的性能和適用性綜合確定。

經(jīng)過(guò)綜合考慮，本工程的輔助陽(yáng)極材料采用混合金屬氧化物涂敷的鈦陽(yáng)極，規(guī)格為φ25 mm×1 000 mm，額定輸出50 A以上。陽(yáng)極選用進(jìn)口產(chǎn)品，其優(yōu)點(diǎn)是：重量輕，易安裝，輸出電流密度高，而且一次使用壽命長(zhǎng)，達(dá)到50 a以上。

本工程采用復(fù)合金屬氧化物涂敷鈦陽(yáng)極，安裝44個(gè)，其安裝方向、角度及標(biāo)高應(yīng)符合施工圖的要求。同時(shí)，應(yīng)采取適當(dāng)防護(hù)措施，以免陽(yáng)極在搬運(yùn)和安裝過(guò)程中受損，確保陽(yáng)極接頭和連接電纜的絕緣密封性能。

5.2 整流器柜

整流器柜應(yīng)滿(mǎn)足如下要求[1，5-6]：

1）技術(shù)性能穩(wěn)定可靠，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)；

2）設(shè)有防腐蝕和防干擾的金屬外殼；

3） 性能指標(biāo)、適應(yīng)環(huán)境的能力滿(mǎn)足GB 3220《船用恒電位儀技術(shù)條件》的規(guī)定；

4） 根據(jù)使用條件、輔助陽(yáng)極的類(lèi)型、被保護(hù)結(jié)構(gòu)所需電流和保護(hù)系統(tǒng)回路電阻計(jì)算確定變壓整流器柜的輸出電流、輸出電壓；

5） 每個(gè)變壓整流器都應(yīng)插入一個(gè)按照國(guó)際電子技術(shù)委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)制造的帶有單獨(dú)繞組的隔離變壓器，考慮到石油碼頭的防暴要求，變壓整流器應(yīng)符合IEC 60529中的規(guī)定。

經(jīng)綜合考慮和計(jì)算，本工程所采用的變壓整流器柜符合以下性能指標(biāo)：①交流電輸入：400 V，三相，50 Hz；②直流電輸出：450 A，20 V；③油冷式、鋼外殼，涂料和聚合物防腐，防暴等級(jí)達(dá)EEx od IIB T5，防護(hù)等級(jí)為IP65，并安裝門(mén)式聯(lián)鎖保險(xiǎn)盒；④可通過(guò)參比電極進(jìn)行自動(dòng)控制。每臺(tái)變壓整流器柜共連接3個(gè)參比電極，其中1個(gè)用來(lái)控制，另外2個(gè)用作監(jiān)測(cè)；⑤整流器柜的使用壽命要求超過(guò)25 a，安裝后15 a內(nèi)極少需要維修。同時(shí)應(yīng)當(dāng)配備設(shè)計(jì)使用壽命內(nèi)的易損備件，25 a后進(jìn)行更換，以保證能達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限。

整流器柜的布置應(yīng)根據(jù)電源的臺(tái)數(shù)、碼頭的結(jié)構(gòu)型式、平面布置條件、維護(hù)管理和經(jīng)濟(jì)因素等綜合確定，其施工要求滿(mǎn)足GB 50254—96《電器裝置安裝工程低壓電器施工及驗(yàn)收規(guī)范》的有關(guān)規(guī)定。本工程共布置5臺(tái)整流器，分散布置于工作平臺(tái)，其交流輸入端應(yīng)安裝外部切斷開(kāi)關(guān)，且設(shè)置有通風(fēng)、防腐蝕和防飛濺的金屬外殼，該金屬外殼應(yīng)妥善接地，接地電阻＜4Ω。

5.3 參比電極

本工程選用永久性Ag/AgCl參比電極作為檢測(cè)、監(jiān)控用電極。該參比電極極化小、穩(wěn)定性好、不易損壞，并適用于所處的環(huán)境介質(zhì)；具有很好的絕緣性能，在干燥狀態(tài)下，其電極體或?qū)щ姉U與電極水密罩或填料函間的絕緣電阻應(yīng)＞1 MΩ；水密性能優(yōu)異，其在196 kPa水壓、歷時(shí)15 mim的水壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)不滲水；使用壽命長(zhǎng)，安裝后其使用壽命不少于20 a，20 a后通過(guò)更換新的參比電極以達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限；參比電極規(guī)格、型號(hào)、技術(shù)質(zhì)量指標(biāo)應(yīng)滿(mǎn)足GB 7387《船用參比電極技術(shù)條件》的規(guī)定。

本工程共安裝17個(gè)長(zhǎng)效Ag/AgCl參比電極。參比電極測(cè)量電纜與接地電纜不存在水中接頭，水上接頭應(yīng)采取嚴(yán)格的絕緣密封措施，電纜在敷設(shè)時(shí)留有適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度余量；參比電極電纜接線(xiàn)盒也采取了絕緣密封措施。

5.4 監(jiān)控設(shè)備

外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的監(jiān)控設(shè)備可根據(jù)平面布置和維護(hù)管理?xiàng)l件采用控制室集中控制或分散布置于工程結(jié)構(gòu)的相應(yīng)位置上[1，4-9]。本工程的監(jiān)控設(shè)備能適應(yīng)所處的環(huán)境條件，其保護(hù)性外殼應(yīng)能抵御海水飛濺、鹽霧、雨水、紫外線(xiàn)和海洋腐蝕介質(zhì)的侵蝕，測(cè)量導(dǎo)線(xiàn)和儀器的連接點(diǎn)應(yīng)做好相應(yīng)的絕緣密封，其絕緣密封等級(jí)為IP65；具有測(cè)量、調(diào)節(jié)并顯示鋼結(jié)構(gòu)保護(hù)電位、電源設(shè)備的輸出電流和輸出電壓等功能；設(shè)有手動(dòng)檢測(cè)接線(xiàn)端子和備用參比電極接線(xiàn)端子；具備數(shù)據(jù)采集、遠(yuǎn)程信號(hào)發(fā)射、接收功能，能實(shí)時(shí)監(jiān)控保護(hù)系統(tǒng)的狀態(tài)。

監(jiān)控系統(tǒng)的工作流程：通過(guò)安裝于整流器中的信號(hào)采集元件來(lái)收集鋼管樁保護(hù)電位數(shù)據(jù)及整流器的工作參數(shù)，由控制電纜將收集到的信息傳輸?shù)郊邪l(fā)射裝置，通過(guò)終端計(jì)算機(jī)接收模塊收集并處理各發(fā)射裝置輸出的數(shù)據(jù)?？刂迫藛T可以通過(guò)監(jiān)控軟件，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作情況，并可根據(jù)情況，發(fā)出相應(yīng)的調(diào)整指令。

信號(hào)采集元件安裝于整流器中，其防護(hù)條件與整流器相同，無(wú)需增加特殊防護(hù)措施[4-5]。集中發(fā)射裝置要求采用鋼制外殼，安裝于整流器防護(hù)外殼之上。鋼質(zhì)外殼應(yīng)妥善接地，其表面清理清潔度達(dá)到Sa2.5級(jí)，表面粗糙度為50～80μm，并采用涂料進(jìn)行保護(hù)，厚度為50μm的冷鍍鋅或有機(jī)富鋅底漆+60μm的環(huán)氧底、中漆+50μm的聚氨酯面漆，防護(hù)等級(jí)為IP65。

5.5 電纜

陰極保護(hù)用電纜包括電源電纜、陽(yáng)極電纜、陰極電纜和監(jiān)控系統(tǒng)測(cè)試電纜[4-5]。陽(yáng)極電纜和陰極電纜通常采用多股銅芯電纜，電纜護(hù)套具有良好的絕緣、抗老化、耐海洋環(huán)境和海水腐蝕性能；參比電極測(cè)量電纜應(yīng)選用耐海水腐蝕和耐老化的屏蔽電纜，參比電極電纜應(yīng)與動(dòng)力、電源電纜保持適當(dāng)距離，不得與動(dòng)力電纜、陰極電纜和陽(yáng)極電纜使用同一個(gè)電纜套管，其屏蔽層必須接地。

6 碼頭外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)安全設(shè)計(jì)

6.1 依據(jù)及原則

天津港30萬(wàn)噸級(jí)原油碼頭屬于易燃易爆環(huán)境，外加電流陰極保護(hù)設(shè)計(jì)和施工必須嚴(yán)格按照有關(guān)規(guī)定[2]執(zhí)行。貫徹預(yù)防為主的方針，保障人身和財(cái)產(chǎn)的安全，因地制宜的采取防范措施，做到技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全適用。

本陰極保護(hù)系統(tǒng)安裝時(shí)要求盡量遠(yuǎn)離危險(xiǎn)區(qū)域，消除安全隱患，并遵守以下兩個(gè)原則：1） 降低點(diǎn)燃源周?chē)霈F(xiàn)爆炸性氣體環(huán)境的可能性。2）消除點(diǎn)燃源。

陰極保護(hù)系統(tǒng)安裝時(shí)首先應(yīng)參照國(guó)標(biāo)規(guī)定對(duì)碼頭裝卸貨物進(jìn)行安全等級(jí)分組和分級(jí)，并對(duì)碼頭的危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行劃分。結(jié)合碼頭的實(shí)際信息對(duì)各儀器選擇適當(dāng)?shù)姆辣燃?jí)，選擇恰當(dāng)?shù)陌惭b位置，采取必要的措施降低安全隱患，提高系統(tǒng)的防爆能力。

6.2 危險(xiǎn)區(qū)域的劃分及各陰極保護(hù)設(shè)備所處分區(qū)

危險(xiǎn)區(qū)域按規(guī)定[2]進(jìn)行劃分。除了滿(mǎn)足規(guī)范條文的規(guī)定以外，還應(yīng)考慮以下因素：1）易燃物質(zhì)的泄出量；2）釋放速度；3）釋放的爆炸性氣體混合物的濃度；4）易燃液體的沸點(diǎn)液體混合物初沸點(diǎn)；5） 爆炸下限；6） 閃點(diǎn)；7）通風(fēng)量；等。

綜合上述判斷方法，對(duì)碼頭的危險(xiǎn)性區(qū)域進(jìn)行了劃分，為設(shè)備布置提供依據(jù)。

6.3 外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備、材料的安全選型

6.3.1 整流器

整流器安裝的位置與工作碼頭輸油臂之間的最小間距應(yīng)不小于30 m，且處于露天環(huán)境中，處于非爆炸危險(xiǎn)區(qū)域。

本工程選用的變壓整流器安全級(jí)別為EEx od IIB T5級(jí)，屬于隔爆型防爆結(jié)構(gòu)，適用爆炸危險(xiǎn)2區(qū)、IIB類(lèi)爆炸性物質(zhì)、T5級(jí)安全防爆要求。本碼頭所裝卸的貨物危險(xiǎn)等級(jí)最高為IIBT3級(jí)，故在本工程中可以安全使用。

6.3.2 接線(xiàn)盒

在陰極保護(hù)設(shè)計(jì)中，可能有部分接線(xiàn)盒處于危險(xiǎn)1區(qū)，其他各處的接線(xiàn)盒均處于危險(xiǎn)2區(qū)。

本工程將選用沈陽(yáng)北方防爆電器有限公司的BJX52系列防爆，其防爆等級(jí)為Exd IIBT6的，能夠滿(mǎn)足爆炸危險(xiǎn)1區(qū)、IIB類(lèi)爆炸性物質(zhì)、T6溫度組別的防爆要求。同時(shí)為了進(jìn)一步提高接線(xiàn)盒的安全防爆能力，將在接線(xiàn)盒里澆注環(huán)氧樹(shù)脂，使之具有澆封型防爆結(jié)構(gòu)的防爆能力，進(jìn)一步提高了安全性。

6.3.3 陽(yáng)極和參比電極防爆措施

由于陽(yáng)極及參比電極均安裝在水中，處于非爆炸危險(xiǎn)區(qū)，本工程使用的陽(yáng)極和參比電極水下接頭部分采用環(huán)氧樹(shù)脂澆注密封，屬于澆封型防爆型式。其安全效能要遠(yuǎn)優(yōu)于隔爆型和增安型。同時(shí)陽(yáng)極尾線(xiàn)和參比電極尾線(xiàn)為通長(zhǎng)電纜，嚴(yán)禁電纜有中間接頭。

6.3.4 陰極連接板的防爆措施

陰極連接板在布置時(shí)，要求盡量遠(yuǎn)離高危險(xiǎn)區(qū)。連接鋼板與鋼結(jié)構(gòu)焊接時(shí)采用雙面焊接，焊縫應(yīng)連續(xù)飽滿(mǎn)，使其具有較大的連接面積。連接板的電纜接頭部分使用環(huán)氧樹(shù)脂澆注填充，并盡可能澆注在混凝土中。

6.3.5 電纜的安全使用

本陰極保護(hù)系統(tǒng)所使用的電纜將全部使用通長(zhǎng)電纜，嚴(yán)禁有中間接頭，選用電纜額定電壓為0.6/1 kV遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)工作電壓，導(dǎo)線(xiàn)截面10～120 mm2，具有較大的載流能力。整流器具有較高的額定工作電流和工作電壓，在正常使用時(shí)，電纜上實(shí)際通過(guò)的電流遠(yuǎn)小于電纜的最大允許通過(guò)電流。同時(shí)具有短路保護(hù)和過(guò)載保護(hù)，不會(huì)出現(xiàn)意外的大荷載情況。

為避免電纜受外力斷裂，產(chǎn)生點(diǎn)燃源的風(fēng)險(xiǎn)。本工程所用電纜在墩臺(tái)下穿入導(dǎo)管中，并牢固定位；在墩臺(tái)上全部安裝入電纜橋架中，并要求敷設(shè)時(shí)應(yīng)留有適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度余量。

6.3.6 系統(tǒng)的接地及安全

根據(jù)要求[2]對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行接地。各儀器就近接地，所有儀器設(shè)備的外殼也應(yīng)接地。

7 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析，明確了外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)，并詳細(xì)闡述了易燃易爆環(huán)境下外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)，對(duì)易燃易爆環(huán)境下實(shí)施外加電流系統(tǒng)有一定的借鑒作用。

[1]JTJ230—89，海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕技術(shù)規(guī)定[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]BSEN 13174：2001，港口設(shè)施的陰極保護(hù)[S].

[4] 崔鵬昌.海港工程鋼結(jié)構(gòu)防腐蝕[R].天津：天津大學(xué)，2009.

[5]楊紅娜.碼頭工程鋼管樁外加電流陰極保護(hù)防腐蝕技術(shù)研究[R].天津：天津大學(xué)，2009.

[6]趙立鵬，唐聰，陳韜.外加電流陰極保護(hù)技術(shù)在海港工程鋼管樁結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用[J].水運(yùn)工程，2008（8）：109-111.

[7] 姜言泉，李偉祥，李超.海洋環(huán)境混凝土結(jié)構(gòu)外加電流陰極保護(hù)技術(shù)應(yīng)用[J].公路交通科技，2010，9（27）：9-14.

[8] 李偉祥.橋面混凝土陰極保護(hù)[J].科技資訊，2009，21：30.

[9] 劉淑香.淺談天津港原油碼頭鋼管樁的防腐保護(hù)[J].山西建筑，2010，36（1）：162-163.