儲油罐底部陰極保護(hù)的選擇

文/劉守家 楊建飛

陰極保護(hù)技術(shù)作為金屬腐蝕防護(hù)的一種有效方法已在全世界得到了較為廣泛的運用?，F(xiàn)在埋地管道、地上儲罐、地下儲罐、水下管道等油品儲運設(shè)備設(shè)施已經(jīng)做到了陰極保護(hù)系統(tǒng)和油品儲運設(shè)備設(shè)施共同設(shè)計、施工及投產(chǎn)，并取得了優(yōu)異的效果，本文全面闡述了對于油罐底部陰極保護(hù)的重要性以及必要性，并且從陰極保護(hù)的原理以及使用過程中的技術(shù)關(guān)鍵問題進(jìn)行了具體分析研究，并提出了選擇方案，可明顯取得安全可靠、降本節(jié)能的效果，滿足工藝和使用要求。

近些年國內(nèi)發(fā)生多起石油儲罐事故，事故原因有罐體腐蝕、操作失誤、雷擊、靜電、危險物質(zhì)自燃等。其中罐底板腐蝕穿孔事故占儲罐腐蝕事故比率最高，油罐底部在基礎(chǔ)與罐體之間承受相當(dāng)大的應(yīng)力，而且底部受到大氣水、雜質(zhì)，含油污水、微生物等長時間污染，環(huán)境非常惡劣，最重要的是底部發(fā)生的一系列問題難以被發(fā)現(xiàn)，如果一旦發(fā)生腐蝕穿孔等問題就會造成油品泄漏、污染甚至火災(zāi)等重大事故，所以在保證安全性、可靠性、合規(guī)性的基礎(chǔ)上，選擇一個相對合理的陰極保護(hù)方式尤為重要。

一、陰極保護(hù)的工作原理

陰極保護(hù)基于電化學(xué)腐蝕原理，是用于預(yù)防金屬腐蝕的手段。通過施加的電動勢將電極的腐蝕電位移到較低的氧化電位，從而降低腐蝕速率。如果陰極電流施加到金屬，整個腐蝕主電池的電位將以負(fù)方向偏移到金屬陰極，從而減輕金屬腐蝕。當(dāng)外部電流施加到被腐蝕的金屬表面，被保護(hù)結(jié)構(gòu)物成為陰極，當(dāng)施加的電流足夠大，以致流進(jìn)陽極區(qū)的電流可以抵消自然腐蝕電流，沒有靜電流離開金屬表面，腐蝕則完全停止。

二、陰極保護(hù)的分類

陰極保護(hù)的方法有兩種，分別是犧牲陽極陰極保護(hù)和外加電流陰極保護(hù)。

外加電流陰極保護(hù)是把被保護(hù)設(shè)備通以外部直流電源，電源的負(fù)極接到被保護(hù)的油品儲運設(shè)備設(shè)施上，電源的正極接至輔助陽極。在外部電源的作用下，使被保護(hù)的油品儲運設(shè)備設(shè)施的點位一直處于低于周圍環(huán)境的狀態(tài)，從而實現(xiàn)陰極保護(hù)。

犧牲陽極陰極保護(hù)是把還原性較強的金屬材料與需要保護(hù)的油品儲運設(shè)備設(shè)施相連接，構(gòu)成原電池，利用電位差為需要保護(hù)的油品儲運設(shè)備設(shè)施提供電子，降低電位，從而實現(xiàn)保護(hù)的方法（土壤中的犧牲陽極材料主要有鎂、鋅、鎂合金、鋅合金等）。

三、陰極保護(hù)效果判斷

1.最小保護(hù)電位

被保護(hù)的油品儲運設(shè)施通過負(fù)極電流或連接犧牲陽極后達(dá)到防護(hù)要求所需要的最小的負(fù)電位值，該電位指管線或儲罐與地面的產(chǎn)生極化并起到保護(hù)作用的電位。最小保護(hù)電位與需要保護(hù)金屬的化學(xué)成分和地下或水中造成腐蝕的成分有關(guān)；相對于建造在普通的水或者土壤中的金屬材質(zhì)的油品儲罐，它的最小保護(hù)電位確定為-0.85V(相對于Cu/CuSO4電極)；當(dāng)儲罐所在的地方土壤或水中含有硫酸鹽還原菌，在厭氧條件下硫酸鹽還原菌(SRB)利用有機物還原硫酸根，生成硫化物，當(dāng)硫酸根含量大于0.5%時，其最小保護(hù)電位確定為-0.95V(Cu/CuSO4電極)。

2.電位偏移指標(biāo)

受保護(hù)的儲油設(shè)施與參考電極或犧牲陽極之間的極化電位差不小于100mV；但在含硫酸鹽還原菌或者高溫土壤中，有雜散電流干擾或者電偶腐蝕的環(huán)境中不能采用此項指標(biāo)。

3.最大保護(hù)電位

在陰極保護(hù)作用下，允許施加的最大的負(fù)電位值，稱為最大保護(hù)電位。最大保護(hù)電位的極限一般根據(jù)腐蝕涂層和金屬材料確定，在不影響腐蝕涂層的粘著力，同時不會引起高強度鋼的氫脆等問題來考慮確定。GB/T21448-2017《埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》4.4.3管道防腐層的限制臨界電位E1不應(yīng)比-1.20V（CSE）更負(fù)。

四、陰極保護(hù)方式的選擇

1.腐蝕原因分析

油罐底板底面涂有防腐層，焊接方式熱影響區(qū)域沒有好的防腐方法。罐底板鋪設(shè)在瀝青砂保護(hù)層上。當(dāng)瀝青砂與底板緊密結(jié)合，底板邊緣進(jìn)行防滲處理時，底板表面將保持干燥，幾乎無腐蝕。但由于各種因素的作用，底板下表面經(jīng)長時間風(fēng)吹日曬密封遭到破壞，水汽等腐蝕物質(zhì)侵入底板，造成腐蝕環(huán)境，從而將儲罐底板腐蝕。

儲罐底板的邊緣在受到環(huán)境溫度變化和儲罐儲存介質(zhì)量變化時，在罐底角“T”型焊縫區(qū)域產(chǎn)生變形，罐底角邊緣板與罐基礎(chǔ)會產(chǎn)生縫隙。生產(chǎn)過程中隨著罐內(nèi)油品高度的變化，罐底板隨之發(fā)生變形，潮濕的空氣會被吸到底板下面。當(dāng)油罐底板邊緣密封不好時，雨水也會滲透到底板下面，產(chǎn)生雨水或化學(xué)腐蝕。

當(dāng)儲罐表面濕度增加時，對金屬表面腐蝕速度一般由氧氣的供給速率控制。會發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)如下：

陽極反應(yīng)：Fe—2e→Fe2+

陰極反應(yīng)：O2+2H2O+4e-→4OH-

總反應(yīng)：2 Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2

進(jìn)一步氧化4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3

當(dāng)金屬表面發(fā)現(xiàn)銹蝕層時，會形成一個類似儲槽的位置，會存儲氧氣和水，所以說，金屬表面如果形成銹蝕層，在干濕氣體交替作用下，加劇了金屬表面的腐蝕。

2.陰極保護(hù)準(zhǔn)則

對于現(xiàn)階段在儲罐罐底外壁施加的陰極保護(hù)，已經(jīng)有很多標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，SY/0088—2016《鋼制儲罐罐底外壁陰極保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》：

1)正常在有陰極保護(hù)的情況下，測量值為罐底對地電位在-1200mV到850mV之間，但可能會出現(xiàn)誤差的地方：在正確電位測量時，IR降誤差為必須要考慮在內(nèi)的一點，方法可參考以下，測量或計算IR降、檢查陰極保護(hù)性能、確定罐底的土壤、濕度、水分、微生物等環(huán)境存在下的物理性能和電性能、及有沒有存在腐蝕的可能。

2)相對于飽和銅或硫酸銅參比電極的罐/地極化電位為-1200mV到850mV之間。

3)儲罐底部的金屬和與其接觸的土壤的陰極極化電位差應(yīng)不小于100mV。

4)可沿用以上一項或全部參照方法。

3.保護(hù)方式的選擇

根據(jù)不同的地理和使用環(huán)境，以及油品儲運設(shè)備設(shè)施的狀況和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，在技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)選的情況下選擇外加電流陰極保護(hù)或者犧牲陽極陰極保護(hù)。其中比較重要的影響因素為，被保護(hù)儲罐的規(guī)格和數(shù)量、保護(hù)電流量、土壤性質(zhì)、對臨近構(gòu)筑物的干擾、罐區(qū)系統(tǒng)未來的開發(fā)和擴建、陰極保護(hù)系統(tǒng)裝設(shè)及維護(hù)費用等。

1)犧牲陽極法陰極保護(hù)：適用于體積小、直徑小、距離短、涂層良好的油品儲運設(shè)備設(shè)施，其不需要外部電源，安裝維護(hù)成本低，容易安裝，陽極更換方便，可隨時增加陽極，提供均勻的電流分配，對臨近的電子設(shè)備無干擾，不適用于高電阻環(huán)境，犧牲陽極需定期更換。

2)外接電源陰極保護(hù)：其本身需要較大的電流環(huán)境，可隨時監(jiān)測輸出電流的情況，但對于已經(jīng)投用的儲罐，需要添加外加電流設(shè)備，后期還需專門進(jìn)行管理及維護(hù)，安裝維護(hù)成本高，對相鄰電子設(shè)備干擾大，也極易受到雜散電流的影響造成電位漂移，適用于高電阻、體積大、直徑大、距離長的儲罐或管線。

根據(jù)庫內(nèi)需要被保護(hù)的油罐為已建完的儲罐和容積的大小，結(jié)合以上陰極保護(hù)準(zhǔn)則及選擇條件，當(dāng)儲罐直徑大于等于18m或土壤電阻率大于等于100Ω·m時，可確定選擇外加電流陰極保護(hù)，其他環(huán)境根據(jù)經(jīng)濟狀況可選用犧牲陽極法陰極保護(hù)的技術(shù)方案，這是對于已建的、被保護(hù)面積較小的設(shè)備采用犧牲陽極陰極保護(hù)方法是安全、經(jīng)濟、有效的好方法。

五、陰極保護(hù)設(shè)計

犧牲陽極的性能根據(jù)GB/T17731《鎂合金犧牲陽極》國家標(biāo)準(zhǔn)，犧牲陽極設(shè)計計算應(yīng)根據(jù)GB/T21448《埋地鋼制管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》國家標(biāo)準(zhǔn)，犧牲陽極應(yīng)保證保護(hù)電流的均勻分布，在油罐周圍均勻分布，與罐底邊緣距離1-3m，埋設(shè)深度在1m以上，在凍土層以下，應(yīng)避開油罐及其他設(shè)施接地極。

一般以鎂基犧牲陽極和鋅基犧牲陽極作為材料，鎂基犧牲陽極適用于土壤電阻率在15Ω·m-150Ω·m環(huán)境，鋅基犧牲陽極適用于土壤電阻率在15Ω·m以下環(huán)境，現(xiàn)用油罐區(qū)土壤電阻率在50Ω·m以上，因此鎂基犧牲陽極更合適。應(yīng)用時，為更好的監(jiān)測油罐中心位置保護(hù)電位，必要時在油罐中心埋設(shè)參比電極，由于Cu/CuSO4參比電極在不同季節(jié)電位偏差較大，所以添加選用壽命較長的高純鋅參比電極，采用雙電極體系，用來保證使用壽命及精度。

油庫現(xiàn)有儲罐為實際容量1031立方米的內(nèi)浮頂錐底罐，盛裝油料為3號噴氣燃料，理論容量為1000立方，安全高度8.510m，罐高9.530m，內(nèi)徑12m，罐壁面積358.14平方米，鋼板厚度上3.5圈板5mm，下3圈板6mm，內(nèi)部涂料036，外部涂料聚胺脂，底板厚度6mm。

最小保護(hù)電位：-0.85V；

最大保護(hù)電位：-1.5 V；

保護(hù)電流密度：7 mA/m2；

犧牲陽極設(shè)計使用壽命：＞20a；

土壤電阻率：20Ω·m。

通過保護(hù)面積計算（S=πr2，油罐直徑12m，得到保護(hù)面積為S=113.1 m2）、保護(hù)電流計算（I=iS、保護(hù)電流為I=791.7 mA）、陽極平均發(fā)生電流計算（la=1500fY/ρ，單支陽極輸出電流0.0809A）、犧牲陽極數(shù)目計算（假設(shè)單只重量為16 Kg，接地電阻Ra為8Ω、可得，N=20只）

需要注意的是罐體與管網(wǎng)連接時，考慮到對儲罐的干擾，應(yīng)增加絕緣法蘭，如現(xiàn)實情況不允許（絕緣兩端存在電位差，增加防爆區(qū)內(nèi)危險系數(shù)），可增設(shè)2只犧牲陽極，則共需鎂陽極22只，按照以上的結(jié)果進(jìn)行犧牲陽極使用壽命的計算，可得重量為16 Kg的單只鎂陽極可使用超過20年。

經(jīng)過現(xiàn)場檢查勘測確定犧牲陽極距罐壁1-3 m，在油罐周圍均勻布置。每個油罐22支鎂陽極(單重16Kg),與罐體相連接，陽極平均間距為2-3m。在油罐進(jìn)出管道兩側(cè)增加2只陽極。

六、設(shè)計中應(yīng)注意的其他問題

1.要求鎂陽極表面清潔、平滑，無明顯鑄造缺陷。

2.陽極體不應(yīng)與儲罐或管道直接接觸。

3.在油罐基礎(chǔ)施工時，要盡量提高瀝青砂防護(hù)層的施工質(zhì)量。

4.采取預(yù)包裝陽極時，需測試陽極和導(dǎo)線的電連續(xù)性，包裝袋應(yīng)為棉麻織品。

5.采取非預(yù)包裝陽極時，犧牲陽極應(yīng)在專用填包料的中心，回填時應(yīng)澆水濕潤。

6.所有焊接處應(yīng)采取防腐措施，并且設(shè)置測試樁進(jìn)行連接。

7.犧牲陽極所用的電纜在土壤中埋設(shè)深度要求在凍土層以下，并超過0.7m，并且留有足夠長的余量。

七、使用中的維護(hù)

罐底板下須保持底板的密封干燥。根據(jù)要求進(jìn)行檢查、維護(hù)，對地電位、陽極接觸電阻、參比電極有效性、保護(hù)電位，測試樁的維護(hù)測量檢查保養(yǎng)，建議每月測定各參數(shù)。據(jù)此分析保護(hù)狀況。

通過以上的論述證明對于無陰極保護(hù)的儲罐，選擇犧牲陽極的陰極保護(hù)方法是相對安全可靠節(jié)約成本的方法。C