大型儲罐陰極保護方式選擇研究

楊聰巧，嚴(yán)子韜，賴玉林，李文冰

（甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅蘭州 730070）

大型儲罐陰極保護方式選擇研究

楊聰巧，嚴(yán)子韜，賴玉林，李文冰

（甘肅藍科石化高新裝備股份有限公司，甘肅蘭州 730070）

主要闡述了大型儲罐外底板陰極保護的重要性，詳細介紹了儲罐外底板各種陰極保護系統(tǒng)的優(yōu)缺點、各種陰極保護系統(tǒng)的選擇依據(jù)，為儲罐陰極保護方式的選擇具有重要的參考價值。重點介紹了強制電流網(wǎng)狀陽極陰極保護系統(tǒng)的優(yōu)點。最后以網(wǎng)狀陽極實際工程設(shè)計為例，詳細介紹了網(wǎng)狀陽極系統(tǒng)的組成、布置及施工安裝，為網(wǎng)狀陽極系統(tǒng)設(shè)計具有一定的借鑒作用。通過工程實踐，網(wǎng)狀陽極系統(tǒng)在大型儲罐外底板陰極保護中具有良好的經(jīng)濟效益及廣泛的使用前景。

陰極保護；儲罐外底板；強制電流；網(wǎng)狀陽極；工程實踐

石油化工行業(yè)的儲存設(shè)備以鋼制儲罐為主，而儲罐底板是儲罐的主要構(gòu)成部分之一。鋼制儲罐在運行中，由于其儲存的介質(zhì)中含有水、硫、磷等雜質(zhì)及其周圍環(huán)境的影響，使儲罐受到嚴(yán)重的腐蝕，大大縮短了其使用壽命，嚴(yán)重的一年左右就有可能報廢，必須更換罐底。面對這個問題，如何以最經(jīng)濟的措施減輕或解決儲罐的腐蝕問題，在大型儲罐的設(shè)計中，顯得尤為重要。而目前常用的陰極保護技術(shù)有：強制電流和犧牲陽極兩種保護方式。在實際的工程設(shè)計中，究竟選用那種方式，是困擾設(shè)計人員的主要問題。針對此問題，本文在對各種陰極保護方式優(yōu)缺點進行比較的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程設(shè)計實例，最終提出了網(wǎng)狀陽極外加電流陰極保護系統(tǒng)在大型儲罐陰極保護中的廣泛應(yīng)用，為大型儲罐網(wǎng)狀陽極陰極保護設(shè)計提供了重要的依據(jù)。

1　陰極保護的必要性及意義

隨著石油化工行業(yè)的迅猛發(fā)展，目前，大型儲罐已經(jīng)成為其主要的儲存設(shè)備。但由于其儲存的介質(zhì)中含有少量的水、酸、硫等雜質(zhì)，它們都會加劇罐底板的腐蝕。當(dāng)腐蝕達到一定程度時，就會出現(xiàn)罐底板穿孔而導(dǎo)致大量物品泄漏，污染環(huán)境，甚至有時會引起爆炸［1］，對人類的生存環(huán)境造成很大的危威脅。

一般情況下，儲罐的設(shè)計壽命為30年，但如果腐蝕嚴(yán)重，一年左右就報廢了［2］，在國內(nèi)，沿海地區(qū)某碼頭，50000m3的儲罐僅僅使用了兩年，由于腐蝕而不得不更換罐底［3］。從經(jīng)濟的角度考慮，陰極保護的投資一般占總投資的2%～4%，但可使儲罐的使用壽命大大延長，最長可得到40年。具有巨大的經(jīng)濟效益。在國外，陰極保護已被列入法律條文，成為埋地鋼制管道和儲罐的必建項目［3］，并且在API651 及SYT-0088-2006都做了規(guī)定：對新建的儲罐的罐底外壁除經(jīng)詳細的調(diào)查確認(rèn)不需做陰極保護外，在設(shè)計中應(yīng)采用陰極保護進行控制，并使儲罐在使用期間得到持續(xù)的保護。對已建儲罐，經(jīng)調(diào)查研究，分析確認(rèn)腐蝕會影響到儲罐的安全或經(jīng)濟運行時，應(yīng)采取陰極保護措施。由此可見，儲罐底板采用陰極保護是非常必要的。然而，如何以經(jīng)濟的措施減輕、解決儲罐的腐蝕，采用怎樣的陰極保護方式，在儲罐的設(shè)計中尤為重要。

2　目前常采用的陰極保護方式、原理及其優(yōu)缺點

2.1陰極保護方式分類

目前儲罐的陰極保護方式主要有兩大類：強制電流和犧牲陽極系統(tǒng)。其中，強制電流陰極保護系統(tǒng)是采用外部的直流電源直接向被保護金屬通以陰極電流，使其陰極極化，達到保護目的［4］。它主要由輔助陽極、參比電極、直流電源和相關(guān)的電纜組成。強制電流陰極保護系統(tǒng)又分為：深井陽極、柔性陽極和網(wǎng)狀陽極［5］。犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)利用一種比被保護金屬電位更負的金屬或合金與被保護金屬進行電連接構(gòu)成。在電解液中，犧牲陽極因較活潑而優(yōu)先溶解，釋放出電流供被保護金屬陰極極化，實現(xiàn)保護［4］。

2.1強制電流陰極保護

強制電流陰極保護優(yōu)點：（1）可調(diào)的大的驅(qū)動電位；（2）保護大型結(jié)構(gòu)時能實現(xiàn)高的電流輸出；（3）輸出電流可調(diào)；（4）適合幾乎所有電阻率的土壤。缺點：（1）對外圍結(jié)構(gòu)有可能存在干擾問題；（2）需要外加電源；（3）對于小型結(jié)構(gòu)，維護、操作、投資費用高；（4）需要專業(yè)的維護管理。

2.1.1網(wǎng)狀陽極陰極保護

網(wǎng)狀陽極陰極保護系統(tǒng)是由混合金屬氧化物陽極帶和鈦導(dǎo)電片按設(shè)計間距垂直敷設(shè)的一種陰極保護系統(tǒng)。適合于保護電流大的儲罐底板，并且可根據(jù)需要任意調(diào)節(jié)電流、電壓。對于儲罐底板面積較大的罐體，網(wǎng)狀陽極系統(tǒng)的優(yōu)勢更為突出，它對底板中心部位保護起決定作用［5］。

網(wǎng)狀陽極系統(tǒng)優(yōu)點：（1）比其他陰極保護系統(tǒng)電流分布更均勻；（2）基本上不產(chǎn)生雜散電流，對鄰近結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生腐蝕干擾；（3）接地電阻小，陽極壽命長；（4）施工安裝簡單，不需要回填料，敷設(shè)時間短；（5）對于大型儲罐來說，工程造價更低；（6）受后道工序施工損壞的可能性小；（7）陽極網(wǎng)能承受瀝青砂和砂墊層施工操作，施工質(zhì)量高；（8）管道與儲罐之間不需要絕緣處理［6］。正因為網(wǎng)狀陽極系統(tǒng)具有上述諸多優(yōu)點，使得其在大型儲罐的陰極保護中得到了廣泛應(yīng)用。

2.1.2深井陽極陰極保護

深井陽極保護系統(tǒng)是針對已建儲罐一種有效的陰極保護方法，已被廣泛應(yīng)用在儲罐底板陰極保護系統(tǒng)中。陽極材料可采用高硅鑄鐵或混合金屬氧化物，但該系統(tǒng)施工較為復(fù)雜，對現(xiàn)場環(huán)境、地質(zhì)結(jié)構(gòu)、周圍金屬結(jié)構(gòu)要求較高，要適合深井施工要求。從其保護效果及投資費用來說，保護電流不均勻，有的區(qū)域得不到保護，并且易產(chǎn)生腐蝕干擾，一次性投資較高，調(diào)試也較為復(fù)雜［5］。

2.1.3柔性陽極陰極保護

柔性陽極保護系統(tǒng)是強制電流陰極保護中一種輔助陽極，該陽極由包敷在電纜外部導(dǎo)電橡膠制成。橡膠外部包裹一層碳粉，鋪設(shè)在儲罐外底板下，直接埋設(shè)在沙中。優(yōu)點：離散同心弧與罐底分布對稱，電流分配均勻、電效率高、能耗小，腐蝕干擾少。缺點：填料帶較容易破壞，導(dǎo)致填料漏失。并且在電流作用下，導(dǎo)電橡膠隨著時間的推移，容易老化開裂，使銅芯電纜迅速腐蝕，導(dǎo)致系統(tǒng)過早失效［5］。

2.2犧牲陽極陰極保護

犧牲陽極陰極保護系統(tǒng)優(yōu)點：（1）不需要提供額外的電源；（2）安裝比較簡單；（3）投資低（相對于小型儲罐罐）；（4）維護費用較低；（5）干擾少；（6）不需要頻繁檢測。缺點：（1）輸出電位有限；（2）輸出電流低；（3）使用環(huán)境條件受限制（低電阻率土壤，儲罐直徑一般小于等于18m）；（4）使用年限相對較短，需要定期維護或者更換。

3　強制電流網(wǎng)狀陽極陰極保護系統(tǒng)的設(shè)計實例

3.1網(wǎng)狀陽極系統(tǒng)的應(yīng)用實例

圖1、圖2為伊拉克2萬m3油罐的強制電流網(wǎng)狀陽極陰極保護安裝圖：

圖1　網(wǎng)狀陽極安裝圖

圖2　陽極接頭安裝圖

3.2系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)由混合金屬氧化物陽極帶、鈦金屬導(dǎo)電片、參比電極、陽極電纜接頭、陽極電纜、陰極電纜、恒電位儀，防爆測試樁及防爆接線箱等組成。

3.3網(wǎng)狀陽極系統(tǒng)的安裝

距罐底板400mm處的砂墊層內(nèi)，從罐中心處開始敷設(shè)網(wǎng)狀陽極。網(wǎng)狀陽極由陽極帶與鈦金屬導(dǎo)電片垂直布置成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，導(dǎo)電片位于陽極帶下面，在接觸處焊接在一起。施工時，先按設(shè)計間距逐根敷設(shè)導(dǎo)電片及陽極帶，陽極帶周圍鋪設(shè)焦炭粉。每米陽極帶敷設(shè)3kg焦炭粉，每根陽極帶和導(dǎo)電片兩端距圈梁150～200mm并用小沙袋壓住，用專用焊機焊接陽極帶和導(dǎo)電片的交叉點，每個交叉點焊接至少2個點。

陽極電纜與鈦導(dǎo)電片間用陽極電纜接頭連接，每個接頭至少焊接5點。罐底設(shè)計了四個陽極電纜接頭，四個陽極接頭在罐底均勻分布，以保證系統(tǒng)的可靠性及電流分布均勻，并測量和記錄陽極電纜間的導(dǎo)電性。

長效銅/飽和硫酸銅參比電極安裝前在硫酸銅溶液中浸泡24h，安裝在砂墊層中，位于網(wǎng)狀陽極上方50mm處。在罐底板中心沿半徑均勻埋設(shè)6支參比電極，用于測量罐底板的保護電位。

將所有電纜從圈梁預(yù)留的導(dǎo)線孔引出，采取保護措施埋地至防爆接線箱、防爆測試樁。陽極網(wǎng)安裝完并逐項檢查無誤后，進行基礎(chǔ)回填?；靥顣r先人工在陽極帶上鋪撒一層細砂土，然后再從外向里進行回填，防止機械輾壓陽極網(wǎng)。破壞陽極表面的混合金屬氧化膜，損壞電纜及參比電極。

4　結(jié)論

實踐證明，大型儲罐底板采用強制電流網(wǎng)狀陽極陰極保護系統(tǒng)是一種可靠、成熟的陰極保護方式。本系統(tǒng)具有其他陰極保護系統(tǒng)不可替代的優(yōu)點，對大型儲罐外底板腐蝕具有顯著的保護效果。并且施工工藝簡單，受后道工序的影響小，使用壽命長，適用范圍廣，適合任何電阻率土壤。并且采用此陰極保護系統(tǒng)后，儲罐與管道再不需做絕緣處理等優(yōu)點。具有良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

［1］ 趙海全.大型儲罐底板設(shè)置陰極保護系統(tǒng)的探討［J］.中國科技期刊數(shù)據(jù)庫，2015，22（7）：291-292.

［2］ 徐峰.大型油罐底板外側(cè)設(shè)置外加電流型陰極保護系統(tǒng)的必要性［J］.科技論壇，2015，19（2）：65-66.

［3］ 杜富國，蘇俊華.儲罐外底板陰極保護系統(tǒng)的幾個問題的探討［J］.石油化工腐蝕與防護，2006，23（1）：41-43.

［4］ 胡士信，孟憲級，徐快.陰極保護工程手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999.

［5］ 李攀暉.儲罐底板網(wǎng)狀陽極的設(shè)計與安裝［J］.廣州化工，2012，40（1）：106-108.

［6］ 過夢飛.混合金屬氧化物網(wǎng)狀陽極的設(shè)計和安裝［J］.油氣儲運，2001，20（6）：20-22.

［7］ 李金梅.網(wǎng)狀陽極在10萬m3外浮丁油罐罐底陰極保護中的應(yīng)用［J］.腐蝕與防護，2007，28（7）：379-380.

［8］ 過夢飛.混合金屬氧化物MMO網(wǎng)狀陽極的設(shè)計和安裝［J］.腐蝕與防護，2000，21（11）：495-498.

TG174.4