天津港30萬噸級原油碼頭外加電流陰極保護設計

陳韜，楊太年，李云飛

（中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222）

1 工程概述

天津港30萬噸級原油碼頭工程位于天津港南疆港區。新建碼頭由1座工作平臺，2座靠船墩，6座系纜墩和4個棧橋墩組成。

根據碼頭結構和鋼管樁各部位的高程，該工程的鋼管樁處在水位變動區，海水全浸區和海泥區三個區域。由于碼頭結構終年處于海水及海洋大氣環境中，長期受到氯化物、硫化物、海洋微生物以及各種陰、陽離子等的腐蝕，碼頭結構不可避免地要受一定程度的腐蝕，直接影響到碼頭的使用年限和安全。

本工程是石化碼頭，所以在設計陰極保護時，應充分考慮到其防爆安全要求。本設計對保護系統的設置采取了適當的防爆措施，并要求所采用的儀器設備需具備一定的防爆等級。

2 碼頭自然條件和有關參數

1） 碼頭自然條件見表1。

2） 技術參數見表2。

表1 碼頭自然條件

表2 碼頭有關技術參數

3 防腐設計要求和技術指標

3.1 設計要求

針對天津港30萬噸級原油碼頭鋼管樁存在水位變動區、海水全浸區和海泥三個防腐區的實際情況，通過技術論證和經濟比較，對碼頭部分鋼管樁水位變動區和部分海水全浸區采用外加電流陰極保護與長壽命防腐涂層聯合保護，對鋼管樁海水全浸區和泥面以下裸露鋼管樁采用外加電流陰極保護。

3.2 技術指標

根據工程整體設計原則，確定鋼管樁防腐保護的技術指標為：

1）碼頭上浸入海水中的樁體采用外加電流陰極保護，保護年限50 a；輸油管道引橋主固定墩的鋼管樁采用犧牲陽極保護，保護年限為30 a，30 a后重新安裝陽極達50 a保護壽命；

2） 涂層的使用壽命為20 a。工程交付20 a后，應根據涂層附著情況以及鋼管樁的保護效果，重新修復防腐涂層，使其保護壽命達到50 a；

3） 根據所選涂料產品的性能指標和規范的要求，本工程對保護電位實施嚴格監控措施，使陰極保護最大負電位控制在-1.10 V（相對于Ag/AgCl參比電極，下同） 以下，避免防腐涂層因析氫而導致電剝離損壞；有效保護期限內，鋼管樁水位變動區、水下區的最小負電位確定為-0.80 V；

4） 在有效保護期內，鋼管樁的腐蝕得到有效抑制，表面上基本無銹蝕，壁厚無明顯減薄，碼頭基本維持現狀而安全運行（其它因素造成的損壞除外）；

5） 本工程的外加電流陰極保護系統可以對鋼管樁的保護電位進行實時監控。

4 保護面積及保護電流計算

4.1 保護面積

根據天津港30萬噸級原油碼頭工程施工圖紙，鋼管樁水中涂層區、海水裸露區和海泥區保護面積分別為5 621.8 m2、13 487.4 m2和 22 948.9 m2。

4.2 保護電流計算

最小保護電流密度是金屬構件施加陰極保護時，為使金屬構件得到完全保護所必需的電流密度值，通稱為陰極保護電流密度。陰極保護電流密度，與最小保護電位相對應，它的大小是影響金屬構件陰極保護效果的重要參數之一。因此，必須選取適當的保護電流密度，使被保護的金屬構件達到最小保護電位。如果保護電流密度偏高，會造成鋼質構件保護不足而縮短其有效使用年限；相反，保護電流密度偏高，不僅會消耗大量的電能，還會產生負作用，出現“過保護”現象。

陰極保護電流密度的大小與很多因素有關，主要有被保護的金屬種類、金屬表面狀態、有效保護年限、海水的導電性、含氧量、流速、風浪、pH值、溫度和污染等。這些因素的變化會導致保護電流密度產生數個到數百個mA/m2的變化。根據天津港30萬噸級原油碼頭所處環境條件及作業工況，依據行業規范[1]選定該港區鋼管樁水中涂層區、海水裸露區和海泥區的保護電流密度分別為30 mA/m2、100 mA/m2和 20 mA/m2。

經計算，本工程水中涂層區、海水裸露區和海泥區所需的保護電流分別為168.7 A、1 281.3 A和334.2 A。考慮電流余量，外加電流陰極保護實際所需總電流為計算電流的1.1倍，總保護電流為1 974 A。

5 鋼管樁外加電流陰極保護防腐設計

5.1 輔助陽極

輔助陽極應滿足以下要求[1]：

1）輔助陽極的性能符合GB/T 7388《船用輔助陽極技術條件》或BSEN 13174：2001《港口設施的陰極保護》的規定；

2）輔助陽極接頭的水密性應符合GB/T 7388的規定，接頭的絕緣電阻應＞1 MΩ；

3）耐用年限應與陽極體的設計使用年限相一致；

4） 輔助陽極的絕緣座密封材料以及靠近陽極的支架和陽極保護套管應采用耐海水、耐堿、耐氯氣腐蝕的材料制成；

5）輔助陽極的材料及幾何形狀應根據設計使用年限、使用條件、被保護鋼結構的形式、陽極材料的性能和適用性綜合確定。

經過綜合考慮，本工程的輔助陽極材料采用混合金屬氧化物涂敷的鈦陽極，規格為φ25 mm×1 000 mm，額定輸出50 A以上。陽極選用進口產品，其優點是：重量輕，易安裝，輸出電流密度高，而且一次使用壽命長，達到50 a以上。

本工程采用復合金屬氧化物涂敷鈦陽極，安裝44個，其安裝方向、角度及標高應符合施工圖的要求。同時，應采取適當防護措施，以免陽極在搬運和安裝過程中受損，確保陽極接頭和連接電纜的絕緣密封性能。

5.2 整流器柜

整流器柜應滿足如下要求[1，5-6]：

1）技術性能穩定可靠，環境適應性強；

2）設有防腐蝕和防干擾的金屬外殼；

3） 性能指標、適應環境的能力滿足GB 3220《船用恒電位儀技術條件》的規定；

4） 根據使用條件、輔助陽極的類型、被保護結構所需電流和保護系統回路電阻計算確定變壓整流器柜的輸出電流、輸出電壓；

5） 每個變壓整流器都應插入一個按照國際電子技術委員會標準制造的帶有單獨繞組的隔離變壓器，考慮到石油碼頭的防暴要求，變壓整流器應符合IEC 60529中的規定。

經綜合考慮和計算，本工程所采用的變壓整流器柜符合以下性能指標：①交流電輸入：400 V，三相，50 Hz；②直流電輸出：450 A，20 V；③油冷式、鋼外殼，涂料和聚合物防腐，防暴等級達EEx od IIB T5，防護等級為IP65，并安裝門式聯鎖保險盒；④可通過參比電極進行自動控制。每臺變壓整流器柜共連接3個參比電極，其中1個用來控制，另外2個用作監測；⑤整流器柜的使用壽命要求超過25 a，安裝后15 a內極少需要維修。同時應當配備設計使用壽命內的易損備件，25 a后進行更換，以保證能達到設計使用年限。

整流器柜的布置應根據電源的臺數、碼頭的結構型式、平面布置條件、維護管理和經濟因素等綜合確定，其施工要求滿足GB 50254—96《電器裝置安裝工程低壓電器施工及驗收規范》的有關規定。本工程共布置5臺整流器，分散布置于工作平臺，其交流輸入端應安裝外部切斷開關，且設置有通風、防腐蝕和防飛濺的金屬外殼，該金屬外殼應妥善接地，接地電阻＜4Ω。

5.3 參比電極

本工程選用永久性Ag/AgCl參比電極作為檢測、監控用電極。該參比電極極化小、穩定性好、不易損壞，并適用于所處的環境介質；具有很好的絕緣性能，在干燥狀態下，其電極體或導電桿與電極水密罩或填料函間的絕緣電阻應＞1 MΩ；水密性能優異，其在196 kPa水壓、歷時15 mim的水壓試驗時應不滲水；使用壽命長，安裝后其使用壽命不少于20 a，20 a后通過更換新的參比電極以達到設計使用年限；參比電極規格、型號、技術質量指標應滿足GB 7387《船用參比電極技術條件》的規定。

本工程共安裝17個長效Ag/AgCl參比電極。參比電極測量電纜與接地電纜不存在水中接頭，水上接頭應采取嚴格的絕緣密封措施，電纜在敷設時留有適當的長度余量；參比電極電纜接線盒也采取了絕緣密封措施。

5.4 監控設備

外加電流陰極保護系統的監控設備可根據平面布置和維護管理條件采用控制室集中控制或分散布置于工程結構的相應位置上[1，4-9]。本工程的監控設備能適應所處的環境條件，其保護性外殼應能抵御海水飛濺、鹽霧、雨水、紫外線和海洋腐蝕介質的侵蝕，測量導線和儀器的連接點應做好相應的絕緣密封，其絕緣密封等級為IP65；具有測量、調節并顯示鋼結構保護電位、電源設備的輸出電流和輸出電壓等功能；設有手動檢測接線端子和備用參比電極接線端子；具備數據采集、遠程信號發射、接收功能，能實時監控保護系統的狀態。

監控系統的工作流程：通過安裝于整流器中的信號采集元件來收集鋼管樁保護電位數據及整流器的工作參數，由控制電纜將收集到的信息傳輸到集中發射裝置，通過終端計算機接收模塊收集并處理各發射裝置輸出的數據。控制人員可以通過監控軟件，監測系統工作情況，并可根據情況，發出相應的調整指令。

信號采集元件安裝于整流器中，其防護條件與整流器相同，無需增加特殊防護措施[4-5]。集中發射裝置要求采用鋼制外殼，安裝于整流器防護外殼之上。鋼質外殼應妥善接地，其表面清理清潔度達到Sa2.5級，表面粗糙度為50～80μm，并采用涂料進行保護，厚度為50μm的冷鍍鋅或有機富鋅底漆+60μm的環氧底、中漆+50μm的聚氨酯面漆，防護等級為IP65。

5.5 電纜

陰極保護用電纜包括電源電纜、陽極電纜、陰極電纜和監控系統測試電纜[4-5]。陽極電纜和陰極電纜通常采用多股銅芯電纜，電纜護套具有良好的絕緣、抗老化、耐海洋環境和海水腐蝕性能；參比電極測量電纜應選用耐海水腐蝕和耐老化的屏蔽電纜，參比電極電纜應與動力、電源電纜保持適當距離，不得與動力電纜、陰極電纜和陽極電纜使用同一個電纜套管，其屏蔽層必須接地。

6 碼頭外加電流陰極保護系統安全設計

6.1 依據及原則

天津港30萬噸級原油碼頭屬于易燃易爆環境，外加電流陰極保護設計和施工必須嚴格按照有關規定[2]執行。貫徹預防為主的方針，保障人身和財產的安全，因地制宜的采取防范措施，做到技術先進、經濟合理、安全適用。

本陰極保護系統安裝時要求盡量遠離危險區域，消除安全隱患，并遵守以下兩個原則：1） 降低點燃源周圍出現爆炸性氣體環境的可能性。2）消除點燃源。

陰極保護系統安裝時首先應參照國標規定對碼頭裝卸貨物進行安全等級分組和分級，并對碼頭的危險區域進行劃分。結合碼頭的實際信息對各儀器選擇適當的防爆等級，選擇恰當的安裝位置，采取必要的措施降低安全隱患，提高系統的防爆能力。

6.2 危險區域的劃分及各陰極保護設備所處分區

危險區域按規定[2]進行劃分。除了滿足規范條文的規定以外，還應考慮以下因素：1）易燃物質的泄出量；2）釋放速度；3）釋放的爆炸性氣體混合物的濃度；4）易燃液體的沸點液體混合物初沸點；5） 爆炸下限；6） 閃點；7）通風量；等。

綜合上述判斷方法，對碼頭的危險性區域進行了劃分，為設備布置提供依據。

6.3 外加電流陰極保護系統設備、材料的安全選型

6.3.1 整流器

整流器安裝的位置與工作碼頭輸油臂之間的最小間距應不小于30 m，且處于露天環境中，處于非爆炸危險區域。

本工程選用的變壓整流器安全級別為EEx od IIB T5級，屬于隔爆型防爆結構，適用爆炸危險2區、IIB類爆炸性物質、T5級安全防爆要求。本碼頭所裝卸的貨物危險等級最高為IIBT3級，故在本工程中可以安全使用。

6.3.2 接線盒

在陰極保護設計中，可能有部分接線盒處于危險1區，其他各處的接線盒均處于危險2區。

本工程將選用沈陽北方防爆電器有限公司的BJX52系列防爆，其防爆等級為Exd IIBT6的，能夠滿足爆炸危險1區、IIB類爆炸性物質、T6溫度組別的防爆要求。同時為了進一步提高接線盒的安全防爆能力，將在接線盒里澆注環氧樹脂，使之具有澆封型防爆結構的防爆能力，進一步提高了安全性。

6.3.3 陽極和參比電極防爆措施

由于陽極及參比電極均安裝在水中，處于非爆炸危險區，本工程使用的陽極和參比電極水下接頭部分采用環氧樹脂澆注密封，屬于澆封型防爆型式。其安全效能要遠優于隔爆型和增安型。同時陽極尾線和參比電極尾線為通長電纜，嚴禁電纜有中間接頭。

6.3.4 陰極連接板的防爆措施

陰極連接板在布置時，要求盡量遠離高危險區。連接鋼板與鋼結構焊接時采用雙面焊接，焊縫應連續飽滿，使其具有較大的連接面積。連接板的電纜接頭部分使用環氧樹脂澆注填充，并盡可能澆注在混凝土中。

6.3.5 電纜的安全使用

本陰極保護系統所使用的電纜將全部使用通長電纜，嚴禁有中間接頭，選用電纜額定電壓為0.6/1 kV遠大于設計工作電壓，導線截面10～120 mm2，具有較大的載流能力。整流器具有較高的額定工作電流和工作電壓，在正常使用時，電纜上實際通過的電流遠小于電纜的最大允許通過電流。同時具有短路保護和過載保護，不會出現意外的大荷載情況。

為避免電纜受外力斷裂，產生點燃源的風險。本工程所用電纜在墩臺下穿入導管中，并牢固定位；在墩臺上全部安裝入電纜橋架中，并要求敷設時應留有適當的長度余量。

6.3.6 系統的接地及安全

根據要求[2]對儀器設備進行接地。各儀器就近接地，所有儀器設備的外殼也應接地。

7 結語

本文通過分析，明確了外加電流陰極保護系統的各項設計參數，并詳細闡述了易燃易爆環境下外加電流陰極保護系統的安全設計，對易燃易爆環境下實施外加電流系統有一定的借鑒作用。

[1]JTJ230—89，海港工程鋼結構防腐蝕技術規定[S].

[2]GB 50058—92，爆炸和火災危險環境電力裝置設計規范[S].

[3]BSEN 13174：2001，港口設施的陰極保護[S].

[4] 崔鵬昌.海港工程鋼結構防腐蝕[R].天津：天津大學，2009.

[5]楊紅娜.碼頭工程鋼管樁外加電流陰極保護防腐蝕技術研究[R].天津：天津大學，2009.

[6]趙立鵬，唐聰，陳韜.外加電流陰極保護技術在海港工程鋼管樁結構中的應用[J].水運工程，2008（8）：109-111.

[7] 姜言泉，李偉祥，李超.海洋環境混凝土結構外加電流陰極保護技術應用[J].公路交通科技，2010，9（27）：9-14.

[8] 李偉祥.橋面混凝土陰極保護[J].科技資訊，2009，21：30.

[9] 劉淑香.淺談天津港原油碼頭鋼管樁的防腐保護[J].山西建筑，2010，36（1）：162-163.