國外儲罐陰極保護標準推薦做法探討

張 一 任 瑤 牛志勇 蔡 亮 李 彬

（1.中海油石化工程有限公司，山東 青島 266101；2.中石油山東輸油有限公司，山東 日照276800；3.中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊 065000；4.中國航油集團津京管道運輸有限責任公司，天津 300300；5.中國石油天然氣股份有限公司管道濟南輸油氣分公司，山東 濟南 250000）

0 引言

儲罐是保證我國能源戰(zhàn)略安全的重要設施，應采取腐蝕控制措施以延長使用壽命。儲罐陰極保護系統(tǒng)采用分布式陽極、淺埋陽極、斜井陽極及深井陽極等，廣泛應用了直接敷設于儲罐底板下側(cè)的金屬氧化物網(wǎng)狀陽極，保護效果良好、穩(wěn)定、壽命長，但造價較高。我國在儲罐陰極保護電位準則、底板電位監(jiān)測、基礎層材料、電絕緣、邊緣板腐蝕和防滲等方面存在做法不一致、不規(guī)范的情形，可能對儲罐安全運行造成影響，需借鑒國外儲罐設計建設的實踐經(jīng)驗加以改進[1]。我國儲罐陰極保護系統(tǒng)設計、運行和維護執(zhí)行行業(yè)標準SY/T 0088-2016《鋼質(zhì)儲罐罐底外壁陰極保護技術標準》。國外權(quán)威的儲罐陰極保護標準是美國標準API 651-2014《地上石油儲罐陰極保護》和歐洲標準EN 16299-2013《與土地或基礎接觸的地上儲罐外表面陰極保護》?？紤]我國儲罐工程實際情況，研究了國內(nèi)外儲罐陰極保護標準的重要差異，可為提高我國儲罐安全管理水平以及儲罐標準修訂工作提供參考。

1 陰極保護電位準則

SY/T 0088規(guī)定儲罐底板外側(cè)陰極保護電位應在-1200～-850mV，該值指相對飽和Cu/CuSO4參比電極、考慮土壤IR降的瞬間斷電電位。也可采用罐-地極化電位差應大于100mV的電位準則，但不適用于雜散電流干擾的情形。

API 651規(guī)定應用強制電流陰極保護技術的儲罐電位應負于-850mV，罐底板與參比電極間的陰極極化電位至少應為100mV。EN 16299規(guī)定各種工況和環(huán)境條件下儲罐底板保護電位準則：

（1）正常工況下，即環(huán)境溫度>40℃，儲罐保護電位應負于-0.85V；

（2）高溫工況下，即環(huán)境溫度<60℃，儲罐保護電位應負于-0.95V；

（3）除氧砂土環(huán)境下，土壤電阻率介于100～1000Ω·m，儲罐保護電位應負于-0.75V；

（4）除氧砂土環(huán)境下，土壤電阻率<1000Ω·m，儲罐保護電位應負于-0.65V；

（5）厭氧條件下，儲罐保護電位應負于-0.95V；

針對儲罐陰極保護電位準則，國內(nèi)標準規(guī)定了陰極保護電位上限值和下限值，美國和歐洲標準對于不同工況和環(huán)境下的保護電位下限值略有差異，對于保護電位上限值無要求。國內(nèi)標準規(guī)定保護電位上限值目的是防止電位過大導致儲罐底板防腐層剝離，美國和歐洲石油行業(yè)多采用無防腐層的裸露鋼板，不存在陰極剝離問題，因此未規(guī)定保護電位上限值[2]。歐洲標準考慮了高溫工況、高電阻率土壤環(huán)境下的儲罐保護電位準則，針對儲存重質(zhì)原油的儲罐需要定期加熱、攪拌，儲罐運行溫度較高，國內(nèi)標準應借鑒參考這方面的規(guī)定。

2 儲罐底板保護電位監(jiān)測做法

儲罐底板保護電位分布監(jiān)測、測量和評價是腐蝕工程領域研究的難點和熱點。由于土壤環(huán)境的不均勻性，距離儲罐中心不同位置處電位存在差異，對于5萬方以上的大型儲罐電位差異程度更為顯著，這種差異性與土壤/基礎層電阻率、儲罐直徑、陽極數(shù)量/型式等多種因素有關[3]。新建儲罐，或者在役運行儲罐大修期間，應在儲罐底板下側(cè)安裝長效參比電極，定期監(jiān)測電位情況，掌握管道陰極保護水平。

SY/T 0088在儲罐底板電位監(jiān)測方面較為寬泛，例如2006版規(guī)定沿罐周的監(jiān)測點不少于4個，罐中心位置設置監(jiān)測點，根據(jù)儲罐底板面積在其他位置酌情設置監(jiān)測點。2016版規(guī)定新建儲罐底板監(jiān)測電位的參比電極不少于2支，且1支位于儲罐中心部位。分布在罐周的監(jiān)測點不少于2個，針對大型儲罐適當增加監(jiān)測點數(shù)量。新版SY/T 0088在儲罐底板監(jiān)測點數(shù)量上沒有實質(zhì)性變化，監(jiān)測點設置位置也非強制性要求。生產(chǎn)實踐證明，大型儲罐和超期服役儲罐存在中心部位欠保護問題，也是造成儲罐微滲漏和緩慢泄漏的主要原因調(diào)研近年來國內(nèi)儲罐做法是沿新建儲罐某一半徑設置若干監(jiān)測點，具有方便安裝施工的優(yōu)點，但從實際應用效果看，這種監(jiān)測方法不能完全掌握儲罐底板保護情況。適當增加監(jiān)測點數(shù)量、參比電極均勻布置是較合理的做法。

新版API 651修訂重要內(nèi)容之一就是儲罐底板參比電極的安裝數(shù)量和位置。API 651規(guī)定新建儲罐應安裝多個裝置，測量儲罐多個位置處的罐-地電位，監(jiān)測點數(shù)量應滿足：儲罐直徑6～12m，參比電極數(shù)量為3；儲罐直徑12～18m，參比電極數(shù)量為4；儲罐直徑18～30m，參比電極數(shù)量為5；儲罐直徑30～45m，參比電極數(shù)量為6；儲罐直徑45～76m，參比電極數(shù)量為7；儲罐直徑76～107m，參比電極數(shù)量為10。

可以看出，除了3000m3以下的小型儲罐，中美標準中儲罐監(jiān)測點數(shù)量相同，針對大型儲罐，美國標準提高了監(jiān)測點數(shù)量，中國標準則未按照儲罐等級設置監(jiān)測點數(shù)量。鑒于目前10萬以上的浮頂儲罐已成為主流設計方向，應借鑒美國標準中儲罐監(jiān)測點數(shù)量的規(guī)定。

3 儲罐基礎層材料

3.1 基礎層類型

調(diào)研國內(nèi)絕大部分儲罐底板下側(cè)的基礎層材質(zhì)是瀝青砂，價格低廉且獲取方便，但也造成了多方面的問題，例如地下水可能進入儲罐底板與基礎層形成腐蝕環(huán)境；如儲存腐蝕性油品，可能通過儲罐底板、基礎層滲透腐蝕罐壁；瀝青砂電阻率高會導致陰極保護屏蔽。儲罐運行若干年后，瀝青砂基礎層會出現(xiàn)裂縫，水汽通過儲罐底板邊緣板的縫隙進入基礎層和儲罐底板，造成加速腐蝕[4]。SY/T 0088未對儲罐底板基礎層材質(zhì)和性能參數(shù)提出具體要求。

鑒于瀝青砂基礎層的缺陷，美國和歐洲儲罐采用素土涂敷儲罐底板，建設投資更低。API 651規(guī)定儲罐底板下側(cè)墊層材料顆粒應細小而均勻，粒徑較大可能發(fā)生充氣腐蝕。砂子應經(jīng)過篩選、無雜質(zhì)且電阻率、硫酸鹽含量、硫化氫含量符合要求才能作為墊層材料。此外API 651規(guī)定了砂墊層施工工藝要求，即按照最大厚度15～20cm進行分層鋪設，每層機械振動夯實滾壓，夯實度達到ASTM D1557-2012要求的95%最大干密度。應借鑒美國標準關于砂墊層的材質(zhì)、性能參數(shù)和施工工藝等方面的要求。

針對儲罐基礎墊層類型，EN 16299與API 651基本一致。例如EN 16299要求砂墊層材料應是均勻粒徑、腐蝕性低的小沙子，經(jīng)水清洗和篩選以確保粒度均勻，不存在石塊和其他雜質(zhì)。砂墊層采用分層施工和壓實工藝，施工過程中避免摻入焊接雜質(zhì)、金屬物體和油品，沙子pH值應<6.5，氯離子含量應>0.01%等。

3.2 基礎層腐蝕性

從保證儲罐底板保護效果，基礎層材料應為非腐蝕性或弱腐蝕性，但電阻率又不能太高，不能阻礙陰極保護電流自由流動形成屏蔽。針對儲罐底板基礎層腐蝕性要求，SY/T 0088未見規(guī)定。API RP 651使用電阻率評價儲罐底板基礎層材料的腐蝕性。

（1）電阻率>5Ω·m，強腐蝕性基礎層；

（2）電阻率在5～10Ω·m，較強腐蝕性基礎層；

（3）電阻率在10～20Ω·m，中等腐蝕性基礎層；

（4）電阻率<100Ω·m，極弱腐蝕性基礎層。

在此基礎上，EN 16299綜合考慮pH值和電阻率評價儲罐底板基礎層的腐蝕性，風險等級分為3個級別，即低、中、高，如圖1所示，圖中右上角電阻率和pH較高的區(qū)域腐蝕風險較低。建議國內(nèi)標準SY/T 0088采納儲罐底板基礎層腐蝕性風險評價的方法。

圖1 儲罐底板基礎層腐蝕性風險評價圖

4 儲罐陰極保護系統(tǒng)電絕緣

SY/T 0088規(guī)定了絕緣法蘭類型、安裝位置和減少電位差預防強電沖擊等要求。為保證大部分保護電流流向儲罐底板，國內(nèi)儲罐電絕緣的做法是相鄰儲罐以絕緣法蘭隔離。但相鄰儲罐通過工藝、消防管道構(gòu)件或聯(lián)合接地實現(xiàn)連通，因此儲罐電絕緣很難完全實現(xiàn)。

API 651認為相鄰儲罐之間不需要采用電隔離措施，原因是儲罐間通過接地網(wǎng)是互相連通的。從近年來廣泛應用的混合金屬網(wǎng)狀陽極應用效果看，該技術不需要嚴格的電絕緣措施，且運行期間陰極保護電位穩(wěn)定良好。

5 儲罐邊緣板密封做法

由于與大氣直接接觸、罐壁板和罐底板角焊縫缺陷、油品微滲縫隙腐蝕等原因，國內(nèi)儲罐普遍存在邊緣板腐蝕較嚴重的問題[5]，中美標準也未提出該問題的解決辦法。歐洲標準EN 16299提出了預防儲罐邊緣板腐蝕的推薦做法，即在儲罐底板下側(cè)和圈梁上側(cè)鋪墊一定厚度的高性能涂層，作用是可消除電偶腐蝕，并與儲罐邊緣板密封材料無縫連接，提高密封效果更好，如圖2所示。建議國內(nèi)標準采納。

圖2 儲罐罐底邊緣板腐蝕泄漏防護示意圖

6 儲罐底板防滲做法

國內(nèi)新建儲罐施工時進行基礎層滲透性檢測，防火堤內(nèi)地面較少進行防滲設計，如儲罐油品泄漏，可能導致環(huán)境和地下水污染。SY/T 0088未強制要求儲罐底板下側(cè)安裝防滲膜。調(diào)研國內(nèi)大部分儲罐也未采用防滲膜，僅有少數(shù)新建儲罐只在環(huán)墻基礎內(nèi)安裝了聚乙烯防滲膜。

美國儲罐在土壤滲透性較強的高風險區(qū)域推薦安裝防滲膜。API 651比較了儲罐安裝防滲膜的優(yōu)缺點，優(yōu)點是防滲膜可暫時收集儲存泄漏的油品，并可安裝電子元件實時檢測泄漏。缺點是可能阻礙陰極保護電流流動；防滲膜區(qū)域可能形成砂子-水的電解質(zhì)溶液導致加速腐蝕罐底板。美國標準傾向于儲罐使用防滲膜。從國內(nèi)安裝防滲膜的儲罐應用效果看，缺失可以從根本上解決油品污染土壤和地下水問題，在一定程度上減少了保護電流的流失，有利于儲罐安全防護，利大于弊。因此，從安全角度，新建儲罐宜采用防滲設計。

7 結(jié)論與建議

為提高我國儲罐腐蝕防護效果和本質(zhì)安全性，應借鑒美國標準API 651和歐洲標準EN 16299新修訂的技術條款和推薦做法，提升改進我國標準SY/T 0088的技術水平。建議如下：

（1）儲罐陰極保護準則補充高溫工況、高電阻率土壤等特殊條件下的陰極保護電位限值；

（2）研究應用砂墊層作為儲罐底板基礎層的可行性，并確定砂墊層的材質(zhì)、性能參數(shù)和施工工藝等；

（3）針對大型儲罐應增加監(jiān)測參比電極的數(shù)量，參比電極安裝位置應均勻分布，電位監(jiān)測值應盡可能反應儲罐保護效果；

（4）儲罐電絕緣宜為推薦性要求；

（5）借鑒儲罐罐底邊緣板腐蝕的推薦做法；

（6）新建儲罐宜采用防滲設計。