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的金屬氧化物網狀陽極，保護效果良好、穩定、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驗加以改進[1]。我國儲罐陰極保護系統設計、運行和維護執行行業標準SY/T 0088-2016《鋼質儲罐罐底外壁陰極保護技術標準》。國外權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》。考慮我國儲罐工程實際情況，研究了國內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規定儲罐底板外側陰極保護電位應在-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規定各種工況和環境條件下儲罐底板保護電位準則：

（1）正常工況下，即環境溫度>40℃，儲罐保護電位應負于-0.85V；

（2）高溫工況下，即環境溫度<60℃，儲罐保護電位應負于-0.95V；

（3）除氧砂土環境下，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，國內標準規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。國內標準規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、高電阻率土壤環境下的儲罐保護電位準則，針對儲存重質原油的儲罐需要定期加熱、攪拌，儲罐運行溫度較高，國內標準應借鑒參考這方面的規定。

2 儲罐底板保護電位監測做法

儲罐底板保護電位分布監測、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，應在儲罐底板下側安裝長效參比電極，定期監測電位情況，掌握管道陰極保護水平。

SY/T 0088在儲罐底板電位監測方面較為寬泛，例如2006版規定沿罐周的監測點不少于4個，罐中心位置設置監測點，根據儲罐底板面積在其他位置酌情設置監測點。2016版規定新建儲罐底板監測電位的參比電極不少于2支，且1支位于儲罐中心部位。分布在罐周的監測點不少于2個，針對大型儲罐適當增加監測點數量。新版SY/T 0088在儲罐底板監測點數量上沒有實質性變化，監測點設置位置也非強制性要求。生產實踐證明，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研近年來國內儲罐做法是沿新建儲罐某一半徑設置若干監測點，具有方便安裝施工的優點，但從實際應用效果看，這種監測方法不能完全掌握儲罐底板保護情況。適當增加監測點數量、參比電極均勻布置是較合理的做法。

新版API 651修訂重要內容之一就是儲罐底板參比電極的安裝數量和位置。API 651規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，監測點數量應滿足：儲罐直徑6～12m，參比電極數量為3；儲罐直徑12～18m，參比電極數量為4；儲罐直徑18～30m，參比電極數量為5；儲罐直徑30～45m，參比電極數量為6；儲罐直徑45～76m，參比電極數量為7；儲罐直徑76～107m，參比電極數量為10。

可以看出，除了3000m3以下的小型儲罐，中美標準中儲罐監測點數量相同，針對大型儲罐，美國標準提高了監測點數量，中國標準則未按照儲罐等級設置監測點數量。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測點數量的規定。

3 儲罐基礎層材料

3.1 基礎層類型

調研國內絕大部分儲罐底板下側的基礎層材質是瀝青砂，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和性能參數提出具體要求。

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規定儲罐底板下側墊層材料顆粒應細小而均勻，粒徑較大可能發生充氣腐蝕。砂子應經過篩選、無雜質且電阻率、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、性能參數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，經水清洗和篩選以確保粒度均勻，不存在石塊和其他雜質。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、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較高的區域腐蝕風險較低。建議國內標準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 儲罐陰極保護系統電絕緣

SY/T 0088規定了絕緣法蘭類型、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、消防管道構件或聯合接地實現連通，因此儲罐電絕緣很難完全實現。

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是互相連通的。從近年來廣泛應用的混合金屬網狀陽極應用效果看，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，即在儲罐底板下側和圈梁上側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

國內新建儲罐施工時進行基礎層滲透性檢測，防火堤內地面較少進行防滲設計，如儲罐油品泄漏，可能導致環境和地下水污染。SY/T 0088未強制要求儲罐底板下側安裝防滲膜。調研國內大部分儲罐也未采用防滲膜，僅有少數新建儲罐只在環墻基礎內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域推薦安裝防滲膜。API 651比較了儲罐安裝防滲膜的優缺點，優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；防滲膜區域可能形成砂子-水的電解質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 結論與建議

為提高我國儲罐腐蝕防護效果和本質安全性，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、性能參數和施工工藝等；

（3）針對大型儲罐應增加監測參比電極的數量，參比電極安裝位置應均勻分布，電位監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。