北方沿海地區(qū)儲罐底板陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

胡尊生

中國石化潤滑油有限公司濱海分公司

北方沿海地區(qū)有較好的水運(yùn)碼頭資源，石化企業(yè)和儲運(yùn)企業(yè)儲罐建設(shè)較多，大多數(shù)儲罐建設(shè)在沿海吹填地質(zhì)區(qū)域，受地質(zhì)環(huán)境的影響，儲罐底板的腐蝕在沿海地區(qū)相比于內(nèi)陸地區(qū)更加嚴(yán)重，腐蝕的危害主要體現(xiàn)在降低罐體使用壽命和引發(fā)安全環(huán)保隱患。在新建儲罐時充分考慮到防腐措施，不僅可以降低儲罐的維護(hù)維修費(fèi)用，還可有效消除安全環(huán)保隱患，確保安全生產(chǎn)。油罐底板防腐的基本方法是涂刷防腐漆和陰極保護(hù)相結(jié)合的方法。防腐漆對于底板的覆蓋層有微孔，老化后容易出現(xiàn)龜裂、剝離等現(xiàn)象，局部的腐蝕會很快破壞漆膜，再加上沿海地區(qū)高腐蝕的地理狀況，很容易加劇局部腐蝕。涂料防腐再增加一道陰極保護(hù)，可以有效彌補(bǔ)覆蓋層缺陷，是儲罐罐底板防腐最為經(jīng)濟(jì)和有效的方法。陰極保護(hù)是電化學(xué)保護(hù)的一種，原理是向被腐蝕金屬表面外加電流，抑制被腐蝕金屬發(fā)生的電子遷移，減弱腐蝕的發(fā)生，陰極保護(hù)分為外加電流陰極保護(hù)和犧牲陽極保護(hù)2 種。外加電流是通過外加直流電源和輔助陽極，產(chǎn)生大量電子，使被保護(hù)金屬整體處于電子過剩的狀態(tài)，主要用于長輸管道和大型儲罐，尤其是高電阻率的土壤金屬結(jié)構(gòu)的保護(hù)。犧牲陽極是將還原性較強(qiáng)的金屬作為保護(hù)極，與被保護(hù)金屬相連構(gòu)成原電池，還原性較強(qiáng)的金屬將作為負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)而消耗，被保護(hù)的金屬作為正極就可以避免腐蝕，主要應(yīng)用于小型儲罐或城市管網(wǎng)低土壤電阻率環(huán)境下的金屬結(jié)構(gòu)，使用壽命較短，一般為3～5 年。因此，沿海地區(qū)儲罐底板選用外加電流陰極保護(hù)方法（后文簡稱陰極保護(hù)）是較適宜的選擇，向被保護(hù)儲罐外底板施加一個外加電流，使外底板成為陰極，使得金屬腐蝕發(fā)生的電子遷移得到抑制，有效減弱腐蝕的發(fā)生。

本文對北方沿海地區(qū)某儲罐應(yīng)用陰極保護(hù)的必要性做了分析，并針對北方沿海地區(qū)某新建碼頭儲運(yùn)生產(chǎn)基地設(shè)計了儲罐底板陰極保護(hù)系統(tǒng)，供相關(guān)人員參考。

儲罐底板應(yīng)用陰極保護(hù)的必要性分析

從腐蝕的角度分析陰極保護(hù)的必要性

首先，儲罐在制造安裝過程中，底板外側(cè)要進(jìn)行除銹和噴涂底漆等預(yù)處理工序，焊接施工完畢后進(jìn)行焊道表面清理、補(bǔ)涂底漆，進(jìn)行中間漆和面漆的噴涂作業(yè)，底板涂料層相較于內(nèi)里更容易發(fā)生涂料層失效，容易形成電化學(xué)腐蝕，更嚴(yán)重的會發(fā)生腐蝕穿孔。因此，國內(nèi)外常用的做法是采用陰極保護(hù)技術(shù)防止或者延緩腐蝕，其原理是通過在罐底板一定距離設(shè)置輔助陽極，將罐底板與直流電源的陰極連接，從而使罐外底板強(qiáng)制設(shè)定為陰極，這種保護(hù)方法叫外加電流陰極保護(hù)或強(qiáng)制電流陰極保護(hù)，其本質(zhì)是使裸露的金屬不容易失去電子，從而起到防腐蝕作用。

另外，在沿海地區(qū)，儲罐表面的鹽分會被雨水沖刷至儲罐外側(cè)，進(jìn)而可能流入儲罐底部并污染儲罐基礎(chǔ)。與底板外側(cè)接觸的上表面為瀝青砂墊層，隨著使用年限的增加，砂墊層產(chǎn)生裂紋，使得雨水、地下水等濕氣侵入，水汽進(jìn)入罐底板后容易發(fā)生腐蝕，腐蝕重點(diǎn)區(qū)域是邊緣板外圈的焊縫區(qū)域，因?yàn)榇颂幯鯕鉂舛雀?，水汽充足，在這種情況下，通常需要利用陰極保護(hù)來避免腐蝕[1]。

鋼制儲罐在沿海地區(qū)會受到化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕，可以采用陰極保護(hù)的方法進(jìn)行腐蝕防護(hù)。本文闡述了北方沿海地區(qū)某儲罐應(yīng)用陰極保護(hù)系統(tǒng)的必要性，針對北方沿海地區(qū)某新建碼頭儲運(yùn)生產(chǎn)基地，從設(shè)計方案和設(shè)計要求對陰極保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行了簡要分析，并設(shè)計了系統(tǒng)原理圖，為沿海企業(yè)新建儲罐防腐提供借鑒和參考。

從北方沿海地區(qū)地理環(huán)境分析陰極保護(hù)的必要性

以北方沿海地區(qū)L 為例進(jìn)行論證分析，此地區(qū)靠近海邊，土壤電阻率高，地下水含氯離子高，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 39637—2020 《金屬和合金的腐蝕 土壤環(huán)境腐蝕性分類》，屬于高腐蝕或特高腐蝕程度的土壤。此地區(qū)濱海鹽漬土環(huán)境數(shù)據(jù)如圖1 所示。

圖1 北方沿海地區(qū)L濱海鹽漬土環(huán)境數(shù)據(jù)

國家腐蝕與防護(hù)部門在北方沿海地區(qū)L 設(shè)置有腐蝕試驗(yàn)站，從試驗(yàn)站的數(shù)據(jù)可以看出，腐蝕速度非常之高，達(dá)到1.704 g/dm2a ，進(jìn)行換算后的腐蝕速率為0.021 7 mm/a，因此普通碳鋼在沿海土壤環(huán)境中，如果不進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)，會存在腐蝕失效或穿孔的風(fēng)險。中國腐蝕與防護(hù)網(wǎng)對此地區(qū)材料環(huán)境腐蝕進(jìn)行了數(shù)據(jù)統(tǒng)計，北方沿海地區(qū)L 土壤腐蝕數(shù)據(jù)如圖2 所示。

圖2 北方沿海地區(qū)L土壤腐蝕數(shù)據(jù)

研究發(fā)現(xiàn)油罐的基礎(chǔ)外側(cè)是混泥土框架，框架內(nèi)大部分填充的是松散的細(xì)砂石，隨著基礎(chǔ)的沉降及日積月累、風(fēng)曬雨淋的地質(zhì)的演化，油罐基礎(chǔ)與外界的土壤的物理特性日趨一致。油罐底板在沿海地區(qū)腐蝕程度較高的土壤環(huán)境中，如果不外加陰極保護(hù)的話，將加速腐蝕[2]。

從標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求分析陰極保護(hù)的必要性

GB/T 50393—2017《鋼質(zhì)石油儲罐防腐蝕工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》是我國關(guān)于鋼質(zhì)石油油罐腐蝕防護(hù)最重要標(biāo)準(zhǔn)之一，在 4.1.4 中規(guī)定“土壤腐蝕性較強(qiáng)區(qū)域的儲罐、重要程度較高的儲罐罐底板外表面宜采用涂層和陰極保護(hù)聯(lián)合方案”。沿海地區(qū)是屬于土壤腐蝕較強(qiáng)區(qū)域的儲罐，廠區(qū)儲罐也都是重要的生產(chǎn)設(shè)備，一旦泄漏會影響生產(chǎn)，同時帶來安全和環(huán)保問題[3]。

API RP 651—2007《地上石油儲罐的陰極保護(hù)》第5 章對于陰極保護(hù)需求的確定中規(guī)定：“陰極保護(hù)需求決策宜根據(jù)按照API 653 獲取的檢查數(shù)據(jù)、腐蝕調(diào)查、運(yùn)行記錄、類似環(huán)境中類似儲罐系統(tǒng)的測試結(jié)果、國家、州以及地方規(guī)程要求和本文件中提供的建議為依據(jù)?！痹?.1.1 新建地上儲罐中規(guī)定：“在初步設(shè)計中，宜納入新建地上儲罐的陰極保護(hù)腐蝕控制，除非詳細(xì)研究表明無需上述腐蝕控制”。

NACE RP193—2007《碳鋼儲罐罐底外壁陰極保護(hù)》地面鋼質(zhì)儲罐外底板陰極保護(hù)第3 章中提出：“基礎(chǔ)評估和陰極保護(hù)需求決定中并末對陰極保護(hù)需求的條件作出規(guī)定，只是要求收集盡量多的現(xiàn)場資料，如圖紙、布置圖、涂層、電力供應(yīng)、環(huán)境等基礎(chǔ)資料，然后根據(jù)罐底腐蝕情況、基礎(chǔ)條件，已經(jīng)獲得的腐蝕數(shù)據(jù)來綜合判斷”。

鑒于以上標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，北方沿海地區(qū)儲罐所處土壤為腐蝕性較強(qiáng)區(qū)域，在設(shè)計中采取陰極保護(hù)方案對罐底板可以起到比較有效的保護(hù)，同時有效降低安全和環(huán)保隱患。

北方沿海地區(qū)儲罐陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計

陰極保護(hù)系統(tǒng)儲罐參數(shù)

針對北方沿海地區(qū)L 新建碼頭儲運(yùn)生產(chǎn)基地開展系統(tǒng)設(shè)計，儲罐規(guī)格參數(shù)見表1。

表1 陰極保護(hù)系統(tǒng)儲罐規(guī)格參數(shù)

儲罐陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計方案

本項(xiàng)目為新建儲罐項(xiàng)目，儲罐外底板陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)主 要 為GB/T 50393—2017、API RP 651—2007、NACE RP193—2007、SY-T 0088—1995《鋼制儲罐罐底外壁陰極保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。

儲罐罐底陰極保護(hù)系統(tǒng)主要由保護(hù)系統(tǒng)和監(jiān)測系統(tǒng)組成。保護(hù)系統(tǒng)主要包括導(dǎo)電聚合物柔性陽極、陽極電纜、陰極電纜、防爆接線箱等。監(jiān)測系統(tǒng)主要包括參比電極及電纜、罐底陰極及陰極電纜、測試接線箱等。

對于新建油品和化學(xué)品儲罐，最佳的保護(hù)方式是在罐底砂墊層中安裝柔性陽極，陽極距離罐底150～300 mm，可以為罐外底板和邊緣板提供均勻的保護(hù)，由于距離儲罐底板很近，不會產(chǎn)生雜散電流的影響，解決屏蔽和干擾問題。陽極安裝在砂墊層和罐底板之間，由于罐底安裝的輔助陽極和參比電極均不可更換和維修，因此設(shè)計選用導(dǎo)電聚合物柔性陽極和長壽命銅/硫酸銅參比電極[4]。導(dǎo)電聚合物柔性陽極是導(dǎo)電聚合物為輔材的中心銅導(dǎo)體，優(yōu)點(diǎn)在于不僅可以防止銅芯受化學(xué)腐蝕，保證電流的傳輸，還可以使小量的陰極保護(hù)電流不間斷地擴(kuò)散于導(dǎo)電聚合物輔層中，保證輸出電流分布均勻。長壽命銅/硫酸銅參比電極能夠有效測量儲罐的電位，同時作為恒電位儀自動控制的信號源，提高腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)和陰極保護(hù)效果的穩(wěn)定性和可靠性，在陰極保護(hù)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

儲罐陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計要求

儲罐底板陰極保護(hù)系統(tǒng)保護(hù)范圍為儲罐底板外側(cè)與基礎(chǔ)接觸的表面。在沿海腐蝕性地區(qū)，考慮到土壤腐蝕類型、電阻率等情況，儲罐的使用壽命超過40 年或更長，因此陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計壽命一般不小于40 年。

陰極保護(hù)面積計算應(yīng)根據(jù)儲罐規(guī)格參數(shù)確定，立式圓筒形儲罐需要保護(hù)的面積為S=π×r2。經(jīng)計算，以上北方沿海地區(qū)新建碼頭儲運(yùn)生產(chǎn)基地4 000.00 m3化學(xué)品儲罐陰極保護(hù)面積為240.40 m2。根據(jù)儲罐罐底保護(hù)面積和需要的電流密度值經(jīng)過計算得到電流需求，電流密度值的選擇要考慮到土壤電阻率等電化學(xué)特性和環(huán)境溫度因素。按照以上數(shù)據(jù)，北方沿海地區(qū)儲罐底板外側(cè)陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計保護(hù)電流密度為10 mA/m2是比較合理的，在工藝計算時可適當(dāng)保留10%的裕量。計算得到電流需求后，就可以進(jìn)行罐底陽極的布置，罐底陽極材料的具體長度根據(jù)所選陽極的單位長度最大電流密度進(jìn)行確定。

本項(xiàng)目儲罐陰極保護(hù)準(zhǔn)則的確定，在施加陰極保護(hù)后保護(hù)表面使用飽和Cu2+/CuSO4參比電極測得極化電位，至少達(dá)到-850 mV，測量電位時還要考慮“IR”降的影響。根據(jù)NACE RP193—2007 標(biāo)準(zhǔn)，在陰極保護(hù)極化形成或衰減時，測取被保護(hù)表面與回填土、穩(wěn)定的參比電極之間的陰極極化電位差不應(yīng)小于100 mV。

儲罐底板外側(cè)陰極保護(hù)系統(tǒng)電源設(shè)備應(yīng)采用恒電位儀，按照恒電壓和恒電流方式進(jìn)行自動控制和手動控制方式，恒電位儀應(yīng)為室外使用型，應(yīng)具有抗過載、防雷、抗干擾、故障保護(hù)等功能，其印刷電路板應(yīng)采取防潮、防鹽霧、防細(xì)菌措施。

儲罐陰極保護(hù)設(shè)計系統(tǒng)圖及設(shè)計指標(biāo)

以4 000.00 m3化學(xué)品儲罐為例，該罐直徑17.50 m，設(shè)計陰極保護(hù)系統(tǒng)，設(shè)計系統(tǒng)圖如圖3 所示。

圖3 陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)示意

恒電位儀采用可控硅型，從技術(shù)可行性和投資經(jīng)濟(jì)性方面進(jìn)行考慮，一臺恒電位儀控制兩座儲罐罐底板外側(cè)的陰極保護(hù)系統(tǒng)。恒電位儀技術(shù)性能要求見表2。

儲罐底板外側(cè)外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的輔助陽極采用AFLX-1500型柔性陽極，柔性陽極的連接應(yīng)采用配套的專用連接件。柔性陽極技術(shù)性能要求見表3。

表3 柔性陽極技術(shù)性能要求

長效Cu2+/CuSO4參比電極長期埋于地下，作為反饋信號源與恒電位儀連接，也可用于測量被保護(hù)體（罐底板）相對于腐蝕介質(zhì)的電位。參比電極在甘汞電解槽中測試的電位正界限或負(fù)界限應(yīng)控制在10 mV之內(nèi)。長效Cu2+/CuSO4參比電極技術(shù)性能要求見表4。

表4 長效Cu2+/CuSO4參比電極技術(shù)性能要求

儲罐陰極保護(hù)系統(tǒng)需注意的問題

為確保陰極保護(hù)系統(tǒng)的可靠性和安全、穩(wěn)定運(yùn)行，在設(shè)計中要從材料的選擇和施工安裝等方面做好質(zhì)量控制，達(dá)到質(zhì)量可靠和使用壽命長。

石油化工儲罐的設(shè)計壽命一般在15～30 年，實(shí)際使用壽命甚至更長，因此陰極保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計設(shè)壽命一般為40 年。在主要材料的選型上要充分考慮到使用壽命的問題，本設(shè)計導(dǎo)電聚合物柔性陽極和對接接頭選用進(jìn)口品牌Seal for Life 公司AFLX1500 型，長效Cu2+/CuSO4參比電極選用進(jìn)口品牌BORIN 公司Stelth 2 型。為了解決參比電極失效的問題，在施工過程中罐底混凝土環(huán)墻上沿儲罐底板設(shè)置開孔槽的測試管，便于永久性參比電極失效后使用便攜式參比電極進(jìn)行測試[5]。

對于新建油品和化學(xué)品儲罐，柔性陽極安裝在距離罐底150～300 mm 的砂墊層上，陽極與導(dǎo)電連接片距離圈梁150～200 mm，施工敷設(shè)時避免錯位和過度拉伸，采用專用焊機(jī)進(jìn)行點(diǎn)焊連接，避免漏焊。施工過程中電纜長度合理下料，考慮到裕量，避免出現(xiàn)焊接接頭，安裝完畢后，回填土的厚度要滿足設(shè)計要求，同時檢驗(yàn)系統(tǒng)的連通性。

用于檢測保護(hù)電位的參比電極應(yīng)均勻敷設(shè)在儲罐底部，安裝前用清水浸泡一定時間，連接電纜通過預(yù)埋管引出基礎(chǔ)環(huán)梁，安裝前后應(yīng)檢查其連通性。

結(jié)論

通過對北方沿海地區(qū)新建儲罐陰極保護(hù)系統(tǒng)的必要性分析和系統(tǒng)設(shè)計研究，按照規(guī)范要求做好儲罐陰極保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計不僅可以對罐底板外表面腐蝕進(jìn)行有效控制，延長儲罐使用壽命，還可有效減少安全環(huán)保隱患和風(fēng)險。