在爆炸性氣體環境中外加電流陰極保護系統的安全分析

馬化雄，李云飛

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

在港口碼頭工程中，鋼結構以其優良的物理、機械、工藝和施工性能，在風浪較大、地質條件復雜和急需盡快投產的專業化碼頭及深水泊位建設中，具有其它材料難以比擬的優勢。鋼質結構（鋼板樁、鋼管樁等）在海水介質和海洋環境中會遭受較嚴重的腐蝕，其平均腐蝕速度達到0.1～0.4 mm/a，局部腐蝕速度高達1 mm/a，鋼鐵結構受腐蝕以后，其厚度減少，物理、機械性能下降及局部應力集中等，不僅影響了工程結構的使用功能及外觀，降低了工程的使用壽命，甚至可引發工程破壞事故，嚴重影響設計使用壽命較長的港口碼頭的安全使用。

陰極保護是水下區域防腐最有效的手段之一，它可以使這些鋼結構物的腐蝕速度降至0.02 mm/a以下，對確保鋼結構在設計使用年限內的安全及正常使用功能，是十分必要的。

與犧牲陽極法相比，外加電流法具有使用的（輔助）陽極數量少、重量輕、保護電流連續可調，對鋼結構的保護狀態可實時監控與調節，確保保護電位滿足要求，可實現遠程控制，對大型鋼結構的保護成本較低等優點，在近年得到較多應用。

存在爆炸性氣體的碼頭環境包括原油碼頭、液品化工碼頭、液化石油氣（LPG） 碼頭和液化天然氣（LNG） 碼頭等。對這些敏感區域實施外加電流陰極保護時，必須高度重視其安全設計和施工質量控制。文獻 [1]明確規定：當外加電流陰極保護系統應用于有易燃易爆氣體的環境中時，電源和檢測設備應設置防爆裝置；各種接線點應進行絕緣密封，并置于密閉的接線盒中；所有電纜應敷設于電纜套管中，不得有外露點。危險區域的劃分、儀器設備防爆等級要求及安裝位置，應滿足相關規范[2]規定。本文結合實際工程應用情況，簡述外加電流陰極保護系統在設計、施工和使用過程中應注重的安全原則及要點。

1 安全設計的原則

按照規定[2]，爆炸性氣體環境的安全設計和施工須貫徹預防為主的方針，保障人身和財產的安全，因地制宜地采取防范措施，做到技術先進、經濟合理、安全適用。

爆炸性氣體環境危險區域可根據爆炸性氣體混合物出現的頻繁程度和持續時間進行劃分。0區：連續出現或長期出現爆炸性氣體混合物的環境；1區：在正常運行時可能出現爆炸性氣體混合物的環境；2區：在正常運行時不可能出現爆炸性氣體混合物的環境，或即使出現也僅是短時存在的爆炸性氣體混合物的環境。

外加電流陰極保護系統的直流電源、控制設備、檢測、監測、遙測裝置和數據遠程傳輸系統的布置和安裝位置，應遠離可能會有爆炸性氣體溢出的輸油臂、輸送軟管接口等危險區域，消除安全隱患。

陰極保護系統的所有設備均應滿足相應安裝位置的防爆等級要求，設備儀器外殼應妥善接地，設備、電纜的所有連接點必須有恰當的防爆措施，所有電纜應敷設于電纜套管中，并有良好的支撐、固定措施。

爆炸性氣體混合物的分級和分組應執行有關規定[2]。爆炸性氣體混合物的分級應按其最大試驗安全間隙（MESG）或最小點燃電流比（MICR）進行分級，并符合表1的規定。

甘蔗損失測定是收集測定區內落地、蔗稍、割茬蔗莖等損失蔗莖質量與包括損失蔗經的全部蔗莖質量進行對比。試驗結果如表1所示，因收獲的甘蔗切段較短，在20～23cm之間，損失碎蔗率為5.09%，瀑蔗率為6.59%，總損失率為11.68%。

表1 最大試驗安全間隙（MESG）或最小點燃電流（MICR）分級

爆炸性氣體混合物分組應按引燃溫度進行劃分，并符合表2的規定。

表2 引燃溫度分組

2 安全設計要點

1） 陰極保護設備應布置在爆炸危險性較小或沒有爆炸危險的環境內，在滿足保護要求的前提下，應減少防爆電氣設備的數量。

2） 選用的防爆電氣設備的級別和組別，不應低于該爆炸性氣體環境內爆炸性氣體混合物的級別和組別。當存在有兩種以上易燃性物質形成的爆炸性氣體混合物時，應按危險程度較高的級別和組別選用防爆電氣設備。

3）外加電流陰極保護直流電源設備的防爆結構選型及開關柜、控制臺等設備的防爆結構選型應符合相關規定[2]。

4） 陰極保護電纜應敷設在爆炸危險性較小的環境或遠離釋放源的地方，宜敷設在電纜橋架或電纜溝。電纜敷設線路宜避開可能受到機械損傷、振動、腐蝕以及可能受熱的地方，不能避開時，應采取預離措施。

5） 陰極保護電纜應采用銅芯電纜，其絕緣的耐壓強度、導線的截面與最大允許電流應符合有關規定[2]。

6） 當陰極保護系統內的導體與其他非本系統的導體接觸時，如輸油臂與輸油軟管連接，油氣輸送管連接等，應采取適當預防措施，不應使接觸點處產生電弧或電流增大、產生靜電或電磁感應。

7） 陰極保護設備的金屬外殼應可靠接地。爆炸性氣體環境1區和2區內的所有陰極保護設備應采用專門的接地線。設備的接地裝置與防止直接雷擊的獨立避雷針的接地裝置應分開設置，與裝設在建筑物上防止直接雷擊的避雷針的接地裝置和防雷電感應的接地裝置可合并設置。接地電阻值應取其中最低值。

3 施工安全要求

爆炸性氣體環境中外加電流陰極保護系統的施工單位必須具有高度的安全責任感，應該意識到，質量監管的任何缺失都可能造成系統的安全隱患，導致國家財產和人員生命的損失，制定嚴密的質量計劃并嚴格執行。外加電流陰極保護工程與安全有關的主要質量活動包括：

1） 核查全部儀器設備的質量證明材料、規格型號和狀態，確認所使用的設備防爆等級、防護等級和技術指標符合規范和設計要求。

2） 檢查所有電纜包括電源電纜、陰極電纜、陽極電纜、控制電纜和測量用屏蔽線的外觀完整性；確認其規格、材質、線徑、耐壓等級和絕緣等級滿足規范和設計要求；檢測并記錄每一根的絕緣電阻。

3） 電纜的敷設應嚴格按設計和規范的要求執行，包括敷設線路、套管的材質和規格、連接和密封、支撐固定方式、銘牌及編號等。電纜敷設時應留有長度余量，避免在使用過程中受力。

4） 儀器設備的安裝位置、固定法式和接地處理應滿足設計及規范要求，所有接線點應置于防爆接線盒內，采用樹脂澆注密封并有適當的防護措施。

5）保存上述質量活動完整記錄，確保責任的可追溯性。

4 應用情況

外加電流陰極保護應用于油品碼頭和液體化學品碼頭鋼管樁的防腐，在國外已有眾多成功先例。在國內的天津港、營口港和大連港也已經有多個泊位采用該保護技術，根據調查結果，這些保護系統大多處于良好運行狀態，取得了預期的防腐效果。但也存在一些矛盾和不足，主要表現在：

1） 安全法規尚未形成體系，國家安全標準與專業設計、施工規范和現場安全作業規程之間未能完全同步，并形成有針對性的安全體系。

例如我國目前仍有油品碼頭采用“船岸跨接等電位線”技術消除靠泊油輪與碼頭鋼結構之間的電位差，這是為避免碼頭上輸油臂與船上輸油軟管連接時，因電流流動而產生電火花的一項安全措施。當船體和碼頭鋼結構有一方或雙方均采用陰極保護時，該項措施的安全保障作用有限，特別是在碼頭鋼結構采用外加電流陰極保護技術之后，由于有功率較大的恒定直流電源，該措施基本上是無效的。而且，截面積較小的等電位連接線可能因負載電流過大而產生安全問題。

英國標準BS7361 PART 1：1991《陰極保護》中，明確要求油輪和碼頭之間必須采用絕緣法蘭、絕緣接頭或非導體軟輸油管，不能用電纜連接方式來平衡兩端的電位差。理由是現在碼頭和油輪一般都有陰極保護，它們之間可能會有很大的電流流動，連接電纜不可能有足夠低的電阻、足夠大的截面積來平衡兩個保護系統之間的電位差，因而，采用電纜連接是無效的，可能產生安全問題。

文獻 [4]和 [5]也要求采用絕緣法蘭、絕緣軟管來解決船體與碼頭之間的電流流動問題，但目前我國各港口從設計（是否使用絕緣法蘭）到使用（是否取消等電位連接線）均未形成一致。

2） 儀器設備和施工質量仍存在不足，根據使用情況調查，發現一些保護系統儀器設備的使用壽命和防護狀態難以達到預期要求，電纜的敷設和防護存在不規范、不安全的處理方式。

[1]JTS153-3—2007，海港工程鋼結構防腐蝕技術規范[S].

[2]GB 50058—92，爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范[S].

[3]BS 7361 PART Ⅰ：1991 Cathodic Protection-Part 1，Code of Practicefor Land and Marine Application[S].

[4]ISGOTT，國際油船和石油碼頭安全指南[S].

[5]GB 18434—2001，油船油碼頭安全作業規程[S].