北方沿海地區儲罐底板陰極保護系統設計

胡尊生

中國石化潤滑油有限公司濱海分公司

北方沿海地區有較好的水運碼頭資源，石化企業和儲運企業儲罐建設較多，大多數儲罐建設在沿海吹填地質區域，受地質環境的影響，儲罐底板的腐蝕在沿海地區相比于內陸地區更加嚴重，腐蝕的危害主要體現在降低罐體使用壽命和引發安全環保隱患。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維修費用，還可有效消除安全環保隱患，確保安全生產。油罐底板防腐的基本方法是涂刷防腐漆和陰極保護相結合的方法。防腐漆對于底板的覆蓋層有微孔，老化后容易出現龜裂、剝離等現象，局部的腐蝕會很快破壞漆膜，再加上沿海地區高腐蝕的地理狀況，很容易加劇局部腐蝕。涂料防腐再增加一道陰極保護，可以有效彌補覆蓋層缺陷，是儲罐罐底板防腐最為經濟和有效的方法。陰極保護是電化學保護的一種，原理是向被腐蝕金屬表面外加電流，抑制被腐蝕金屬發生的電子遷移，減弱腐蝕的發生，陰極保護分為外加電流陰極保護和犧牲陽極保護2 種。外加電流是通過外加直流電源和輔助陽極，產生大量電子，使被保護金屬整體處于電子過剩的狀態，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構的保護。犧牲陽極是將還原性較強的金屬作為保護極，與被保護金屬相連構成原電池，還原性較強的金屬將作為負極發生氧化反應而消耗，被保護的金屬作為正極就可以避免腐蝕，主要應用于小型儲罐或城市管網低土壤電阻率環境下的金屬結構，使用壽命較短，一般為3～5 年。因此，沿海地區儲罐底板選用外加電流陰極保護方法（后文簡稱陰極保護）是較適宜的選擇，向被保護儲罐外底板施加一個外加電流，使外底板成為陰極，使得金屬腐蝕發生的電子遷移得到抑制，有效減弱腐蝕的發生。

本文對北方沿海地區某儲罐應用陰極保護的必要性做了分析，并針對北方沿海地區某新建碼頭儲運生產基地設計了儲罐底板陰極保護系統，供相關人員參考。

儲罐底板應用陰極保護的必要性分析

從腐蝕的角度分析陰極保護的必要性

首先，儲罐在制造安裝過程中，底板外側要進行除銹和噴涂底漆等預處理工序，焊接施工完畢后進行焊道表面清理、補涂底漆，進行中間漆和面漆的噴涂作業，底板涂料層相較于內里更容易發生涂料層失效，容易形成電化學腐蝕，更嚴重的會發生腐蝕穿孔。因此，國內外常用的做法是采用陰極保護技術防止或者延緩腐蝕，其原理是通過在罐底板一定距離設置輔助陽極，將罐底板與直流電源的陰極連接，從而使罐外底板強制設定為陰極，這種保護方法叫外加電流陰極保護或強制電流陰極保護，其本質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，儲罐表面的鹽分會被雨水沖刷至儲罐外側，進而可能流入儲罐底部并污染儲罐基礎。與底板外側接觸的上表面為瀝青砂墊層，隨著使用年限的增加，砂墊層產生裂紋，使得雨水、地下水等濕氣侵入，水汽進入罐底板后容易發生腐蝕，腐蝕重點區域是邊緣板外圈的焊縫區域，因為此處氧氣濃度高，水汽充足，在這種情況下，通常需要利用陰極保護來避免腐蝕[1]。

鋼制儲罐在沿海地區會受到化學腐蝕和電化學腐蝕，可以采用陰極保護的方法進行腐蝕防護。本文闡述了北方沿海地區某儲罐應用陰極保護系統的必要性，針對北方沿海地區某新建碼頭儲運生產基地，從設計方案和設計要求對陰極保護系統進行了簡要分析，并設計了系統原理圖，為沿海企業新建儲罐防腐提供借鑒和參考。

從北方沿海地區地理環境分析陰極保護的必要性

以北方沿海地區L 為例進行論證分析，此地區靠近海邊，土壤電阻率高，地下水含氯離子高，根據國家標準GB/T 39637—2020 《金屬和合金的腐蝕 土壤環境腐蝕性分類》，屬于高腐蝕或特高腐蝕程度的土壤。此地區濱海鹽漬土環境數據如圖1 所示。

圖1 北方沿海地區L濱海鹽漬土環境數據

國家腐蝕與防護部門在北方沿海地區L 設置有腐蝕試驗站，從試驗站的數據可以看出，腐蝕速度非常之高，達到1.704 g/dm2a ，進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境中，如果不進行適當的防護，會存在腐蝕失效或穿孔的風險。中國腐蝕與防護網對此地區材料環境腐蝕進行了數據統計，北方沿海地區L 土壤腐蝕數據如圖2 所示。

圖2 北方沿海地區L土壤腐蝕數據

研究發現油罐的基礎外側是混泥土框架，框架內大部分填充的是松散的細砂石，隨著基礎的沉降及日積月累、風曬雨淋的地質的演化，油罐基礎與外界的土壤的物理特性日趨一致。油罐底板在沿海地區腐蝕程度較高的土壤環境中，如果不外加陰極保護的話，將加速腐蝕[2]。

從標準和規范要求分析陰極保護的必要性

GB/T 50393—2017《鋼質石油儲罐防腐蝕工程技術標準》是我國關于鋼質石油油罐腐蝕防護最重要標準之一，在 4.1.4 中規定“土壤腐蝕性較強區域的儲罐、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聯合方案”。沿海地區是屬于土壤腐蝕較強區域的儲罐，廠區儲罐也都是重要的生產設備，一旦泄漏會影響生產，同時帶來安全和環保問題[3]。

API RP 651—2007《地上石油儲罐的陰極保護》第5 章對于陰極保護需求的確定中規定：“陰極保護需求決策宜根據按照API 653 獲取的檢查數據、腐蝕調查、運行記錄、類似環境中類似儲罐系統的測試結果、國家、州以及地方規程要求和本文件中提供的建議為依據。”在5.1.1 新建地上儲罐中規定：“在初步設計中，宜納入新建地上儲罐的陰極保護腐蝕控制，除非詳細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》地面鋼質儲罐外底板陰極保護第3 章中提出：“基礎評估和陰極保護需求決定中并末對陰極保護需求的條件作出規定，只是要求收集盡量多的現場資料，如圖紙、布置圖、涂層、電力供應、環境等基礎資料，然后根據罐底腐蝕情況、基礎條件，已經獲得的腐蝕數據來綜合判斷”。

鑒于以上標準和規范的要求，北方沿海地區儲罐所處土壤為腐蝕性較強區域，在設計中采取陰極保護方案對罐底板可以起到比較有效的保護，同時有效降低安全和環保隱患。

北方沿海地區儲罐陰極保護系統設計

陰極保護系統儲罐參數

針對北方沿海地區L 新建碼頭儲運生產基地開展系統設計，儲罐規格參數見表1。

表1 陰極保護系統儲罐規格參數

儲罐陰極保護系統設計方案

本項目為新建儲罐項目，儲罐外底板陰極保護系統的設計依據主 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技術標準》。

儲罐罐底陰極保護系統主要由保護系統和監測系統組成。保護系統主要包括導電聚合物柔性陽極、陽極電纜、陰極電纜、防爆接線箱等。監測系統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品儲罐，最佳的保護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，由于距離儲罐底板很近，不會產生雜散電流的影響，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，因此設計選用導電聚合物柔性陽極和長壽命銅/硫酸銅參比電極[4]。導電聚合物柔性陽極是導電聚合物為輔材的中心銅導體，優點在于不僅可以防止銅芯受化學腐蝕，保證電流的傳輸，還可以使小量的陰極保護電流不間斷地擴散于導電聚合物輔層中，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，提高腐蝕監測數據和陰極保護效果的穩定性和可靠性，在陰極保護系統中得到廣泛應用。

儲罐陰極保護系統設計要求

儲罐底板陰極保護系統保護范圍為儲罐底板外側與基礎接觸的表面。在沿海腐蝕性地區，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，因此陰極保護系統設計壽命一般不小于40 年。

陰極保護面積計算應根據儲罐規格參數確定，立式圓筒形儲罐需要保護的面積為S=π×r2。經計算，以上北方沿海地區新建碼頭儲運生產基地4 000.00 m3化學品儲罐陰極保護面積為240.40 m2。根據儲罐罐底保護面積和需要的電流密度值經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特性和環境溫度因素。按照以上數據，北方沿海地區儲罐底板外側陰極保護系統設計保護電流密度為10 mA/m2是比較合理的，在工藝計算時可適當保留10%的裕量。計算得到電流需求后，就可以進行罐底陽極的布置，罐底陽極材料的具體長度根據所選陽極的單位長度最大電流密度進行確定。

本項目儲罐陰極保護準則的確定，在施加陰極保護后保護表面使用飽和Cu2+/CuSO4參比電極測得極化電位，至少達到-850 mV，測量電位時還要考慮“IR”降的影響。根據NACE RP193—2007 標準，在陰極保護極化形成或衰減時，測取被保護表面與回填土、穩定的參比電極之間的陰極極化電位差不應小于100 mV。

儲罐底板外側陰極保護系統電源設備應采用恒電位儀，按照恒電壓和恒電流方式進行自動控制和手動控制方式，恒電位儀應為室外使用型，應具有抗過載、防雷、抗干擾、故障保護等功能，其印刷電路板應采取防潮、防鹽霧、防細菌措施。

儲罐陰極保護設計系統圖及設計指標

以4 000.00 m3化學品儲罐為例，該罐直徑17.50 m，設計陰極保護系統，設計系統圖如圖3 所示。

圖3 陰極保護系統設計系統示意

恒電位儀采用可控硅型，從技術可行性和投資經濟性方面進行考慮，一臺恒電位儀控制兩座儲罐罐底板外側的陰極保護系統。恒電位儀技術性能要求見表2。

儲罐底板外側外加電流陰極保護系統的輔助陽極采用AFLX-1500型柔性陽極，柔性陽極的連接應采用配套的專用連接件。柔性陽極技術性能要求見表3。

表3 柔性陽極技術性能要求

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體（罐底板）相對于腐蝕介質的電位。參比電極在甘汞電解槽中測試的電位正界限或負界限應控制在10 mV之內。長效Cu2+/CuSO4參比電極技術性能要求見表4。

表4 長效Cu2+/CuSO4參比電極技術性能要求

儲罐陰極保護系統需注意的問題

為確保陰極保護系統的可靠性和安全、穩定運行，在設計中要從材料的選擇和施工安裝等方面做好質量控制，達到質量可靠和使用壽命長。

石油化工儲罐的設計壽命一般在15～30 年，實際使用壽命甚至更長，因此陰極保護系統的設計設壽命一般為40 年。在主要材料的選型上要充分考慮到使用壽命的問題，本設計導電聚合物柔性陽極和對接接頭選用進口品牌Seal for Life 公司AFLX1500 型，長效Cu2+/CuSO4參比電極選用進口品牌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墻上沿儲罐底板設置開孔槽的測試管，便于永久性參比電極失效后使用便攜式參比電極進行測試[5]。

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

用于檢測保護電位的參比電極應均勻敷設在儲罐底部，安裝前用清水浸泡一定時間，連接電纜通過預埋管引出基礎環梁，安裝前后應檢查其連通性。

結論

通過對北方沿海地區新建儲罐陰極保護系統的必要性分析和系統設計研究，按照規范要求做好儲罐陰極保護系統設計不僅可以對罐底板外表面腐蝕進行有效控制，延長儲罐使用壽命，還可有效減少安全環保隱患和風險。