沿海地區大型成品油儲罐底板設置陰極保護系統探討

劉寶凱 （中國石油化工股份有限公司天津石油分公司 天津 300270）

沿海地區大型成品油儲罐底板設置陰極保護系統探討

劉寶凱 （中國石油化工股份有限公司天津石油分公司 天津 300270）

本文簡述了沿海地區大型儲罐設置陰極保護系統的重要意義，簡要介紹了油罐底板腐蝕泄漏原因。詳細介紹了陰極保護原理，并結合實際項目分析了儲罐采用陰極保護系統投資及其運行成本。又以相關規范為依據，建議在沿海周邊地區土壤腐蝕嚴重環境下建設的大型儲罐設置陰極保護系統。

沿海地區儲罐陰極保護經濟效益

隨著土地供應越來越緊張，且考慮到海港需求以及廢地利用等，現在很多沿海開發區都進行灘涂上崛起重化產業基地的規劃。考慮到石油工業發展速度不斷加快、石油儲罐的數量持續增加。大型儲罐作為石化產業、儲備庫最主要的存儲設備，其重要性不言而喻。儲罐防腐是儲罐安全維護中重要內容，如果儲罐腐蝕嚴重導致泄漏介質將會造成重大危害。尤其是罐底板的焊縫等熱影響區的腐蝕問題需重視，必須采取有效的防護措施以消除鋼板及焊縫接頭因沿海地區腐蝕土壤造成的潛在危害性。如果儲罐因為底板腐蝕穿孔泄漏也將造成嚴重后果：因為出現油品泄漏，不但引起環境污染，散發的可燃油氣存在著火和爆炸的危險。[1]儲罐將被迫停用修補，同時會造成巨大的直接和間接經濟損失。鋼質儲罐通常是通過噴涂一定厚度防腐層來保護罐底板，但是在實際工程中，防腐層難以達到完整無損。隨著儲罐使用年限增長，通常在防腐層損傷破壞或者噴涂薄弱處發生較嚴重腐蝕。為了對罐底板增加更有效的保護，在罐底板安裝陰極保護也是通常選用辦法。陰極保護是根據電化學腐蝕的原理，通過陰極極化的方法抑制腐蝕電池產生，起到保護底板的作用，從而減少泄漏事故。[2]

一、油罐底板外側腐蝕原因分析

地上鋼質儲油罐在使用中，罐底板上下表面經常遭受內、外介質的腐蝕。在儲罐腐蝕事故統計中：罐底板腐蝕穿孔比率最大，所以對大型儲罐罐底應實施有效的防腐措施，以減少罐底泄漏導致的直接和間接危害。涂料防腐是用一定厚度涂層將罐底與內、外介質隔開，起到保護底板的作用。但防腐涂層存在一定不足：主要有涂層本身有微孔、老化后易出現剝離、施工中局部也可能產生缺陷，這樣裸露的局部底板將形成小陽極，防腐層部分成為大陰極既產生局部腐蝕電池，導致底板局部產生嚴重腐蝕。[3]因此，在腐蝕環境復雜地方只采用涂料保護可能會得不到預期效果。若采用防腐涂料與陰極保護雙重防護，可彌補涂層缺陷，從而可延長儲罐的使用壽命。油罐底板的腐蝕原因主要有土壤腐蝕和氧濃度差電池腐蝕：

土壤腐蝕：油罐基礎以瀝青砂和級配砂石為主要構造，罐底板將鋪在壓實的瀝青砂面上。儲罐在運行中將會出現滿載和空載不停交替，隨著儲罐載荷變化將使得瀝青砂層上出現局部裂紋，會導致地下水上升，將造成底板外部腐蝕。當油罐內介質溫度較高時，隨著罐底板周邊水分的蒸發，腐蝕鹽分就會增，加進會加劇腐蝕。

氧濃度差電池腐蝕：在罐底，氧濃度差主要表現在瀝青砂與儲罐底板接觸不良；儲罐承載變化以及罐周和罐中心部位透氣性有差別。含氧濃度大的部位，金屬電極電位低，而使得罐底產生腐蝕。

二、海邊油庫所處環境分析：

1.海邊空氣流通量大，油罐底板外側和外界呼吸量也較大，從而導致罐底外側和瀝青砂之間的各部位的氧氣濃度差異加大。另外隨著運行時間的加長，罐底板外側和瀝青砂之間的空隙程度逐年加大，為氧濃差電池的形成提供了客觀條件。

2.由于海邊地區空氣潮濕含鹽霧、雨水豐富、地下水中鹽份含量高，儲罐基礎回填層電阻率呈逐年下降趨勢，因此土壤對罐底板外側的腐蝕隨運行時間延長而加強。

3.油罐罐底板外側的涂層隨運行時間延長而逐步失效，由于結構的原因罐底外側無法進行重新防腐，罐底板外側防腐能力隨運行時間延長而逐步下降。

4.油罐罐底外側和瀝青砂之間的鹽水含量隨運行時間延長而逐步增加，促進了電化學腐蝕環境的形成和加劇。

三、油罐重要性：

石化行業中，原油罐全做陰保。成品油罐以前因單罐容量較小，一般為1000～5000的罐較多，普遍沒做陰保，但隨著經濟發展，成品油罐的單罐容量逐漸增多。單體容量越大，則單罐重要性也越大，如果出現問題，造成的損失也越大。G B 50761-2012《石油化工鋼制設備抗震設計規范》中，小于1萬的油罐屬于一般設備，大于等于1萬的油罐屬于重要設備，計算中應增加設備重要性系數，所以需要依據環境條件及罐型情況考慮增加陰極保護系統。

四、依據規范

G B 50393-2008《鋼制石油儲罐防腐蝕工程技術規范》中3.0.3中規定：罐徑不小于8m的儲罐，底板外表面除涂敷防腐涂層外，尚可考慮采用陰極保護，陰極保護設計壽命不得低于20年。

說明：現規劃建設成品油儲罐罐容5000m3直徑一般為20米，所以在建大中型儲罐直徑都遠大于8米，所以需考慮陰極保護。

五、陰極保護基本原理

金屬是從礦石中提取出來的，在提煉過程種必須要給它一定的能量，使其處于高的能量狀態。材料基本規律總是趨向于最低的能量狀態，因此金屬都是熱力學不穩定的，具有和周圍環境（如氧和水）發生反應的趨勢，以達到較低的、更穩定的能量狀態，如生成氧化物。以鐵為例：陽極：F e-2e→F e2+陰極：O2＋＋2H2O→4OH。所以，Fe2++2OH-→F e(OH)2；F e(OH)2+1/2O2+H2O→2F e(OH)3。

陰極保護的原理是將大量的電子補充給罐底板，使被保護底板處于電子過剩環境，使金屬原子不易失去電子。通常有兩種辦法可以實現上述效果，采用犧牲陽極陰極保護或者外加電流陰極保護。

A、犧牲陽極陰極保護技術[4]：

犧牲陽極陰極保護技術是采用電位比將要保護的金屬還要負的材質與將被保護的金屬連接在一起，通過電位負的材質腐蝕溶解來保護其它金屬。優點：①:相對投資較少、且在運行期間費用較少，經濟效益較好。 ②:保護電流的效率較高（不會產生過保護）。 ③:對地下周邊的金屬無干擾影響。④適用于庫區、長輸管道、及規模較小的分散管道保護。 ⑤:施工技術較簡單，維護較容易。 缺點：①:驅動電位較低，保護范圍小。 ②:使用范圍容易受土壤電阻率的制約，如若土壤電阻率大于50Ω·m，一般較少選用犧牲陽極保技術:③:有效保護年限一般受犧牲陽極壽命的制約，需要定期更換。

B、強制電流陰極保護技術：

強制電流陰極保護技術采用在回路中連入一個直流電源，借助輔助陽極，向被保護的金屬通入電流，使被保護金屬變成陰極，達到保護效果。 優點：①:驅動電壓高，陰極保護電流輸出量范圍較寬，適用大型儲罐保護。②:在復雜的腐蝕環境或高電阻率的條件中也適用。 ③:不溶性或微溶性輔助陽極的應用，可進行長期的陰極保護。缺點：①:一次性投資費用相對偏高，而且運行過程中需要支付一定電費。 ②:需要專業的維護管理以確保陰極保護系統正常運行。③:因需要長期供電，所以需具備穩定電源。

六、陰保與油罐防雷防靜電接地的關系

油罐陰極保護將犧牲陽極或輔助陽極埋設在罐底下部砂墊層中，陽極和罐底板下表面通過土壤溶液構成閉合回路，通過參比電極所測的電位為極化電位。接地級與罐體是等電位，不影響接地級的防雷防靜電作用。如果有電流通過土壤流向接地級，相當于對接地級進行了陰極保護。所以，儲罐底部設置陰極保護系統與儲罐設置的防雷防靜電接系統不存在相互影響問題。

七、財務經濟效益評價

以某海邊成品油庫（A油庫共18座直徑20米的5000m3內浮頂油罐）為例：

1座5000m3內浮頂油罐陰極保護材料費用為7.8萬，安裝費用1萬，人工費用0.65萬：

該海邊油庫陰極保護總費用為：

（7.8+1+0.65）*18=170.1萬。

同樣方法計算，另一個海邊成品油庫（B油庫共建10座直徑37米的20000m3內浮頂油罐）陰極保護總費用約170萬。

日后運營維護：A油庫18座5000m3內浮頂油罐耗電設施共有3座SF-200T R型恒電位儀，其功率為0.625kw，考慮需要系數為0.2。1度電按1元計算,1年所耗電費為：

0.625 *3*24*365=3285元

同樣方法計算，B油庫所耗電費均也于4000元。所以陰極保護日后運營電能所耗費用是比較低的。

結論及建議

1.對于儲罐外底板的陰極保護來說，保護壽命在20年左右的宜選用犧牲陽極的保護技術，保護壽命超過20 a(達到35a左右)的選用外加電源的陰極保護技術更妥。

2.儲罐底部設置陰極保護系統與儲罐設置的防雷防靜電接系統不存在相互影響問題。

3.成品油油庫外加電源的陰極保護技術已多被成功使用，外加電源的陰極保護已屬成熟技術、經濟效益明顯。

4.采用涂層和陰極保護聯合的方法對成品油儲罐罐底板進行防腐蝕保護是一種有效的手段，為確保儲罐長期、穩定、安全運行提供了可靠的保證。

[1]張炳宏，張健濤，張登泰.原油儲罐外底板陰極保護方式的選擇及參數計算.石油庫與加油站，2009，18（2）：42～44.

[2]柴業森，樊寶德，近琪.鋼制儲罐陰極保護設計.油氣儲運，1999，18(3)：24～26.

[3]過夢飛.天然氣與石油.儲油罐罐底板全面腐蝕控制，2002，20（2）：53～56.

[4]胡彬，胡杰.埋地鋼質燃氣管道陰極保護設計方案的選擇與應用.江西教育學院學報，2010，31(6)：16～18.

劉寶凱，男，生于1964年，政工師，大專，從事油氣儲運管理工作