沿海地區(qū)大型成品油儲(chǔ)罐底板設(shè)置陰極保護(hù)系統(tǒng)探討

劉寶凱 （中國(guó)石油化工股份有限公司天津石油分公司 天津 300270）

沿海地區(qū)大型成品油儲(chǔ)罐底板設(shè)置陰極保護(hù)系統(tǒng)探討

劉寶凱 （中國(guó)石油化工股份有限公司天津石油分公司 天津 300270）

本文簡(jiǎn)述了沿海地區(qū)大型儲(chǔ)罐設(shè)置陰極保護(hù)系統(tǒng)的重要意義，簡(jiǎn)要介紹了油罐底板腐蝕泄漏原因。詳細(xì)介紹了陰極保護(hù)原理，并結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目分析了儲(chǔ)罐采用陰極保護(hù)系統(tǒng)投資及其運(yùn)行成本。又以相關(guān)規(guī)范為依據(jù)，建議在沿海周邊地區(qū)土壤腐蝕嚴(yán)重環(huán)境下建設(shè)的大型儲(chǔ)罐設(shè)置陰極保護(hù)系統(tǒng)。

沿海地區(qū)儲(chǔ)罐陰極保護(hù)經(jīng)濟(jì)效益

隨著土地供應(yīng)越來(lái)越緊張，且考慮到海港需求以及廢地利用等，現(xiàn)在很多沿海開(kāi)發(fā)區(qū)都進(jìn)行灘涂上崛起重化產(chǎn)業(yè)基地的規(guī)劃?？紤]到石油工業(yè)發(fā)展速度不斷加快、石油儲(chǔ)罐的數(shù)量持續(xù)增加。大型儲(chǔ)罐作為石化產(chǎn)業(yè)、儲(chǔ)備庫(kù)最主要的存儲(chǔ)設(shè)備，其重要性不言而喻。儲(chǔ)罐防腐是儲(chǔ)罐安全維護(hù)中重要內(nèi)容，如果儲(chǔ)罐腐蝕嚴(yán)重導(dǎo)致泄漏介質(zhì)將會(huì)造成重大危害。尤其是罐底板的焊縫等熱影響區(qū)的腐蝕問(wèn)題需重視，必須采取有效的防護(hù)措施以消除鋼板及焊縫接頭因沿海地區(qū)腐蝕土壤造成的潛在危害性。如果儲(chǔ)罐因?yàn)榈装甯g穿孔泄漏也將造成嚴(yán)重后果：因?yàn)槌霈F(xiàn)油品泄漏，不但引起環(huán)境污染，散發(fā)的可燃油氣存在著火和爆炸的危險(xiǎn)。[1]儲(chǔ)罐將被迫停用修補(bǔ)，同時(shí)會(huì)造成巨大的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失。鋼質(zhì)儲(chǔ)罐通常是通過(guò)噴涂一定厚度防腐層來(lái)保護(hù)罐底板，但是在實(shí)際工程中，防腐層難以達(dá)到完整無(wú)損。隨著儲(chǔ)罐使用年限增長(zhǎng)，通常在防腐層損傷破壞或者噴涂薄弱處發(fā)生較嚴(yán)重腐蝕。為了對(duì)罐底板增加更有效的保護(hù)，在罐底板安裝陰極保護(hù)也是通常選用辦法。陰極保護(hù)是根據(jù)電化學(xué)腐蝕的原理，通過(guò)陰極極化的方法抑制腐蝕電池產(chǎn)生，起到保護(hù)底板的作用，從而減少泄漏事故。[2]

一、油罐底板外側(cè)腐蝕原因分析

地上鋼質(zhì)儲(chǔ)油罐在使用中，罐底板上下表面經(jīng)常遭受內(nèi)、外介質(zhì)的腐蝕。在儲(chǔ)罐腐蝕事故統(tǒng)計(jì)中：罐底板腐蝕穿孔比率最大，所以對(duì)大型儲(chǔ)罐罐底應(yīng)實(shí)施有效的防腐措施，以減少罐底泄漏導(dǎo)致的直接和間接危害。涂料防腐是用一定厚度涂層將罐底與內(nèi)、外介質(zhì)隔開(kāi)，起到保護(hù)底板的作用。但防腐涂層存在一定不足：主要有涂層本身有微孔、老化后易出現(xiàn)剝離、施工中局部也可能產(chǎn)生缺陷，這樣裸露的局部底板將形成小陽(yáng)極，防腐層部分成為大陰極既產(chǎn)生局部腐蝕電池，導(dǎo)致底板局部產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕。[3]因此，在腐蝕環(huán)境復(fù)雜地方只采用涂料保護(hù)可能會(huì)得不到預(yù)期效果。若采用防腐涂料與陰極保護(hù)雙重防護(hù)，可彌補(bǔ)涂層缺陷，從而可延長(zhǎng)儲(chǔ)罐的使用壽命。油罐底板的腐蝕原因主要有土壤腐蝕和氧濃度差電池腐蝕：

土壤腐蝕：油罐基礎(chǔ)以瀝青砂和級(jí)配砂石為主要構(gòu)造，罐底板將鋪在壓實(shí)的瀝青砂面上。儲(chǔ)罐在運(yùn)行中將會(huì)出現(xiàn)滿載和空載不停交替，隨著儲(chǔ)罐載荷變化將使得瀝青砂層上出現(xiàn)局部裂紋，會(huì)導(dǎo)致地下水上升，將造成底板外部腐蝕。當(dāng)油罐內(nèi)介質(zhì)溫度較高時(shí)，隨著罐底板周邊水分的蒸發(fā)，腐蝕鹽分就會(huì)增，加進(jìn)會(huì)加劇腐蝕。

氧濃度差電池腐蝕：在罐底，氧濃度差主要表現(xiàn)在瀝青砂與儲(chǔ)罐底板接觸不良；儲(chǔ)罐承載變化以及罐周和罐中心部位透氣性有差別。含氧濃度大的部位，金屬電極電位低，而使得罐底產(chǎn)生腐蝕。

二、海邊油庫(kù)所處環(huán)境分析：

1.海邊空氣流通量大，油罐底板外側(cè)和外界呼吸量也較大，從而導(dǎo)致罐底外側(cè)和瀝青砂之間的各部位的氧氣濃度差異加大。另外隨著運(yùn)行時(shí)間的加長(zhǎng)，罐底板外側(cè)和瀝青砂之間的空隙程度逐年加大，為氧濃差電池的形成提供了客觀條件。

2.由于海邊地區(qū)空氣潮濕含鹽霧、雨水豐富、地下水中鹽份含量高，儲(chǔ)罐基礎(chǔ)回填層電阻率呈逐年下降趨勢(shì)，因此土壤對(duì)罐底板外側(cè)的腐蝕隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)而加強(qiáng)。

3.油罐罐底板外側(cè)的涂層隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)而逐步失效，由于結(jié)構(gòu)的原因罐底外側(cè)無(wú)法進(jìn)行重新防腐，罐底板外側(cè)防腐能力隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)而逐步下降。

4.油罐罐底外側(cè)和瀝青砂之間的鹽水含量隨運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)而逐步增加，促進(jìn)了電化學(xué)腐蝕環(huán)境的形成和加劇。

三、油罐重要性：

石化行業(yè)中，原油罐全做陰保。成品油罐以前因單罐容量較小，一般為1000～5000的罐較多，普遍沒(méi)做陰保，但隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，成品油罐的單罐容量逐漸增多。單體容量越大，則單罐重要性也越大，如果出現(xiàn)問(wèn)題，造成的損失也越大。G B 50761-2012《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中，小于1萬(wàn)的油罐屬于一般設(shè)備，大于等于1萬(wàn)的油罐屬于重要設(shè)備，計(jì)算中應(yīng)增加設(shè)備重要性系數(shù)，所以需要依據(jù)環(huán)境條件及罐型情況考慮增加陰極保護(hù)系統(tǒng)。

四、依據(jù)規(guī)范

G B 50393-2008《鋼制石油儲(chǔ)罐防腐蝕工程技術(shù)規(guī)范》中3.0.3中規(guī)定：罐徑不小于8m的儲(chǔ)罐，底板外表面除涂敷防腐涂層外，尚可考慮采用陰極保護(hù)，陰極保護(hù)設(shè)計(jì)壽命不得低于20年。

說(shuō)明：現(xiàn)規(guī)劃建設(shè)成品油儲(chǔ)罐罐容5000m3直徑一般為20米，所以在建大中型儲(chǔ)罐直徑都遠(yuǎn)大于8米，所以需考慮陰極保護(hù)。

五、陰極保護(hù)基本原理

金屬是從礦石中提取出來(lái)的，在提煉過(guò)程種必須要給它一定的能量，使其處于高的能量狀態(tài)。材料基本規(guī)律總是趨向于最低的能量狀態(tài)，因此金屬都是熱力學(xué)不穩(wěn)定的，具有和周圍環(huán)境（如氧和水）發(fā)生反應(yīng)的趨勢(shì)，以達(dá)到較低的、更穩(wěn)定的能量狀態(tài)，如生成氧化物。以鐵為例：陽(yáng)極：F e-2e→F e2+陰極：O2＋＋2H2O→4OH。所以，F(xiàn)e2++2OH-→F e(OH)2；F e(OH)2+1/2O2+H2O→2F e(OH)3。

陰極保護(hù)的原理是將大量的電子補(bǔ)充給罐底板，使被保護(hù)底板處于電子過(guò)剩環(huán)境，使金屬原子不易失去電子。通常有兩種辦法可以實(shí)現(xiàn)上述效果，采用犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)或者外加電流陰極保護(hù)。

A、犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)[4]：

犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)是采用電位比將要保護(hù)的金屬還要負(fù)的材質(zhì)與將被保護(hù)的金屬連接在一起，通過(guò)電位負(fù)的材質(zhì)腐蝕溶解來(lái)保護(hù)其它金屬。優(yōu)點(diǎn)：①:相對(duì)投資較少、且在運(yùn)行期間費(fèi)用較少，經(jīng)濟(jì)效益較好。 ②:保護(hù)電流的效率較高（不會(huì)產(chǎn)生過(guò)保護(hù)）。 ③:對(duì)地下周邊的金屬無(wú)干擾影響。④適用于庫(kù)區(qū)、長(zhǎng)輸管道、及規(guī)模較小的分散管道保護(hù)。 ⑤:施工技術(shù)較簡(jiǎn)單，維護(hù)較容易。 缺點(diǎn)：①:驅(qū)動(dòng)電位較低，保護(hù)范圍小。 ②:使用范圍容易受土壤電阻率的制約，如若土壤電阻率大于50Ω·m，一般較少選用犧牲陽(yáng)極保技術(shù):③:有效保護(hù)年限一般受犧牲陽(yáng)極壽命的制約，需要定期更換。

B、強(qiáng)制電流陰極保護(hù)技術(shù)：

強(qiáng)制電流陰極保護(hù)技術(shù)采用在回路中連入一個(gè)直流電源，借助輔助陽(yáng)極，向被保護(hù)的金屬通入電流，使被保護(hù)金屬變成陰極，達(dá)到保護(hù)效果。 優(yōu)點(diǎn)：①:驅(qū)動(dòng)電壓高，陰極保護(hù)電流輸出量范圍較寬，適用大型儲(chǔ)罐保護(hù)。②:在復(fù)雜的腐蝕環(huán)境或高電阻率的條件中也適用。 ③:不溶性或微溶性輔助陽(yáng)極的應(yīng)用，可進(jìn)行長(zhǎng)期的陰極保護(hù)。缺點(diǎn)：①:一次性投資費(fèi)用相對(duì)偏高，而且運(yùn)行過(guò)程中需要支付一定電費(fèi)。 ②:需要專業(yè)的維護(hù)管理以確保陰極保護(hù)系統(tǒng)正常運(yùn)行。③:因需要長(zhǎng)期供電，所以需具備穩(wěn)定電源。

六、陰保與油罐防雷防靜電接地的關(guān)系

油罐陰極保護(hù)將犧牲陽(yáng)極或輔助陽(yáng)極埋設(shè)在罐底下部砂墊層中，陽(yáng)極和罐底板下表面通過(guò)土壤溶液構(gòu)成閉合回路，通過(guò)參比電極所測(cè)的電位為極化電位。接地級(jí)與罐體是等電位，不影響接地級(jí)的防雷防靜電作用。如果有電流通過(guò)土壤流向接地級(jí)，相當(dāng)于對(duì)接地級(jí)進(jìn)行了陰極保護(hù)。所以，儲(chǔ)罐底部設(shè)置陰極保護(hù)系統(tǒng)與儲(chǔ)罐設(shè)置的防雷防靜電接系統(tǒng)不存在相互影響問(wèn)題。

七、財(cái)務(wù)經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

以某海邊成品油庫(kù)（A油庫(kù)共18座直徑20米的5000m3內(nèi)浮頂油罐）為例：

1座5000m3內(nèi)浮頂油罐陰極保護(hù)材料費(fèi)用為7.8萬(wàn)，安裝費(fèi)用1萬(wàn)，人工費(fèi)用0.65萬(wàn)：

該海邊油庫(kù)陰極保護(hù)總費(fèi)用為：

（7.8+1+0.65）*18=170.1萬(wàn)。

同樣方法計(jì)算，另一個(gè)海邊成品油庫(kù)（B油庫(kù)共建10座直徑37米的20000m3內(nèi)浮頂油罐）陰極保護(hù)總費(fèi)用約170萬(wàn)。

日后運(yùn)營(yíng)維護(hù)：A油庫(kù)18座5000m3內(nèi)浮頂油罐耗電設(shè)施共有3座SF-200T R型恒電位儀，其功率為0.625kw，考慮需要系數(shù)為0.2。1度電按1元計(jì)算,1年所耗電費(fèi)為：

0.625 *3*24*365=3285元

同樣方法計(jì)算，B油庫(kù)所耗電費(fèi)均也于4000元。所以陰極保護(hù)日后運(yùn)營(yíng)電能所耗費(fèi)用是比較低的。

結(jié)論及建議

1.對(duì)于儲(chǔ)罐外底板的陰極保護(hù)來(lái)說(shuō)，保護(hù)壽命在20年左右的宜選用犧牲陽(yáng)極的保護(hù)技術(shù)，保護(hù)壽命超過(guò)20 a(達(dá)到35a左右)的選用外加電源的陰極保護(hù)技術(shù)更妥。

2.儲(chǔ)罐底部設(shè)置陰極保護(hù)系統(tǒng)與儲(chǔ)罐設(shè)置的防雷防靜電接系統(tǒng)不存在相互影響問(wèn)題。

3.成品油油庫(kù)外加電源的陰極保護(hù)技術(shù)已多被成功使用，外加電源的陰極保護(hù)已屬成熟技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4.采用涂層和陰極保護(hù)聯(lián)合的方法對(duì)成品油儲(chǔ)罐罐底板進(jìn)行防腐蝕保護(hù)是一種有效的手段，為確保儲(chǔ)罐長(zhǎng)期、穩(wěn)定、安全運(yùn)行提供了可靠的保證。

[1]張炳宏，張健濤，張登泰.原油儲(chǔ)罐外底板陰極保護(hù)方式的選擇及參數(shù)計(jì)算.石油庫(kù)與加油站，2009，18（2）：42～44.

[2]柴業(yè)森，樊寶德，近琪.鋼制儲(chǔ)罐陰極保護(hù)設(shè)計(jì).油氣儲(chǔ)運(yùn)，1999，18(3)：24～26.

[3]過(guò)夢(mèng)飛.天然氣與石油.儲(chǔ)油罐罐底板全面腐蝕控制，2002，20（2）：53～56.

[4]胡彬，胡杰.埋地鋼質(zhì)燃?xì)夤艿狸帢O保護(hù)設(shè)計(jì)方案的選擇與應(yīng)用.江西教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2010，31(6)：16～18.

劉寶凱，男，生于1964年，政工師，大專，從事油氣儲(chǔ)運(yùn)管理工作