在爆炸性气体环境中外加电流阴极保护系统的安全分析

马化雄，李云飞

（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

0 引言

在港口码头工程中，钢结构以其优良的物理、机械、工艺和施工性能，在风浪较大、地质条件复杂和急需尽快投产的专业化码头及深水泊位建设中，具有其它材料难以比拟的优势。钢质结构（钢板桩、钢管桩等）在海水介质和海洋环境中会遭受较严重的腐蚀，其平均腐蚀速度达到0.1～0.4 mm/a，局部腐蚀速度高达1 mm/a，钢铁结构受腐蚀以后，其厚度减少，物理、机械性能下降及局部应力集中等，不仅影响了工程结构的使用功能及外观，降低了工程的使用寿命，甚至可引发工程破坏事故，严重影响设计使用寿命较长的港口码头的安全使用。

阴极保护是水下区域防腐最有效的手段之一，它可以使这些钢结构物的腐蚀速度降至0.02 mm/a以下，对确保钢结构在设计使用年限内的安全及正常使用功能，是十分必要的。

与牺牲阳极法相比，外加电流法具有使用的（辅助）阳极数量少、重量轻、保护电流连续可调，对钢结构的保护状态可实时监控与调节，确保保护电位满足要求，可实现远程控制，对大型钢结构的保护成本较低等优点，在近年得到较多应用。

存在爆炸性气体的码头环境包括原油码头、液品化工码头、液化石油气（LPG） 码头和液化天然气（LNG） 码头等。对这些敏感区域实施外加电流阴极保护时，必须高度重视其安全设计和施工质量控制。文献 [1]明确规定：当外加电流阴极保护系统应用于有易燃易爆气体的环境中时，电源和检测设备应设置防爆装置；各种接线点应进行绝缘密封，并置于密闭的接线盒中；所有电缆应敷设于电缆套管中，不得有外露点。危险区域的划分、仪器设备防爆等级要求及安装位置，应满足相关规范[2]规定。本文结合实际工程应用情况，简述外加电流阴极保护系统在设计、施工和使用过程中应注重的安全原则及要点。

1 安全设计的原则

按照规定[2]，爆炸性气体环境的安全设计和施工须贯彻预防为主的方针，保障人身和财产的安全，因地制宜地采取防范措施，做到技术先进、经济合理、安全适用。

爆炸性气体环境危险区域可根据爆炸性气体混合物出现的频繁程度和持续时间进行划分。0区：连续出现或长期出现爆炸性气体混合物的环境；1区：在正常运行时可能出现爆炸性气体混合物的环境；2区：在正常运行时不可能出现爆炸性气体混合物的环境，或即使出现也仅是短时存在的爆炸性气体混合物的环境。

外加电流阴极保护系统的直流电源、控制设备、检测、监测、遥测装置和数据远程传输系统的布置和安装位置，应远离可能会有爆炸性气体溢出的输油臂、输送软管接口等危险区域，消除安全隐患。

阴极保护系统的所有设备均应满足相应安装位置的防爆等级要求，设备仪器外壳应妥善接地，设备、电缆的所有连接点必须有恰当的防爆措施，所有电缆应敷设于电缆套管中，并有良好的支撑、固定措施。

爆炸性气体混合物的分级和分组应执行有关规定[2]。爆炸性气体混合物的分级应按其最大试验安全间隙（MESG）或最小点燃电流比（MICR）进行分级，并符合表1的规定。

甘蔗损失测定是收集测定区内落地、蔗稍、割茬蔗茎等损失蔗茎质量与包括损失蔗经的全部蔗茎质量进行对比。试验结果如表1所示，因收获的甘蔗切段较短，在20～23cm之间，损失碎蔗率为5.09%，瀑蔗率为6.59%，总损失率为11.68%。

表1 最大试验安全间隙（MESG）或最小点燃电流（MICR）分级

爆炸性气体混合物分组应按引燃温度进行划分，并符合表2的规定。

表2 引燃温度分组

2 安全设计要点

1） 阴极保护设备应布置在爆炸危险性较小或没有爆炸危险的环境内，在满足保护要求的前提下，应减少防爆电气设备的数量。

2） 选用的防爆电气设备的级别和组别，不应低于该爆炸性气体环境内爆炸性气体混合物的级别和组别。当存在有两种以上易燃性物质形成的爆炸性气体混合物时，应按危险程度较高的级别和组别选用防爆电气设备。

3）外加电流阴极保护直流电源设备的防爆结构选型及开关柜、控制台等设备的防爆结构选型应符合相关规定[2]。

4） 阴极保护电缆应敷设在爆炸危险性较小的环境或远离释放源的地方，宜敷设在电缆桥架或电缆沟。电缆敷设线路宜避开可能受到机械损伤、振动、腐蚀以及可能受热的地方，不能避开时，应采取预离措施。

5） 阴极保护电缆应采用铜芯电缆，其绝缘的耐压强度、导线的截面与最大允许电流应符合有关规定[2]。

6） 当阴极保护系统内的导体与其他非本系统的导体接触时，如输油臂与输油软管连接，油气输送管连接等，应采取适当预防措施，不应使接触点处产生电弧或电流增大、产生静电或电磁感应。

7） 阴极保护设备的金属外壳应可靠接地。爆炸性气体环境1区和2区内的所有阴极保护设备应采用专门的接地线。设备的接地装置与防止直接雷击的独立避雷针的接地装置应分开设置，与装设在建筑物上防止直接雷击的避雷针的接地装置和防雷电感应的接地装置可合并设置。接地电阻值应取其中最低值。

3 施工安全要求

爆炸性气体环境中外加电流阴极保护系统的施工单位必须具有高度的安全责任感，应该意识到，质量监管的任何缺失都可能造成系统的安全隐患，导致国家财产和人员生命的损失，制定严密的质量计划并严格执行。外加电流阴极保护工程与安全有关的主要质量活动包括：

1） 核查全部仪器设备的质量证明材料、规格型号和状态，确认所使用的设备防爆等级、防护等级和技术指标符合规范和设计要求。

2） 检查所有电缆包括电源电缆、阴极电缆、阳极电缆、控制电缆和测量用屏蔽线的外观完整性；确认其规格、材质、线径、耐压等级和绝缘等级满足规范和设计要求；检测并记录每一根的绝缘电阻。

3） 电缆的敷设应严格按设计和规范的要求执行，包括敷设线路、套管的材质和规格、连接和密封、支撑固定方式、铭牌及编号等。电缆敷设时应留有长度余量，避免在使用过程中受力。

4） 仪器设备的安装位置、固定法式和接地处理应满足设计及规范要求，所有接线点应置于防爆接线盒内，采用树脂浇注密封并有适当的防护措施。

5）保存上述质量活动完整记录，确保责任的可追溯性。

4 应用情况

外加电流阴极保护应用于油品码头和液体化学品码头钢管桩的防腐，在国外已有众多成功先例。在国内的天津港、营口港和大连港也已经有多个泊位采用该保护技术，根据调查结果，这些保护系统大多处于良好运行状态，取得了预期的防腐效果。但也存在一些矛盾和不足，主要表现在：

1） 安全法规尚未形成体系，国家安全标准与专业设计、施工规范和现场安全作业规程之间未能完全同步，并形成有针对性的安全体系。

例如我国目前仍有油品码头采用“船岸跨接等电位线”技术消除靠泊油轮与码头钢结构之间的电位差，这是为避免码头上输油臂与船上输油软管连接时，因电流流动而产生电火花的一项安全措施。当船体和码头钢结构有一方或双方均采用阴极保护时，该项措施的安全保障作用有限，特别是在码头钢结构采用外加电流阴极保护技术之后，由于有功率较大的恒定直流电源，该措施基本上是无效的。而且，截面积较小的等电位连接线可能因负载电流过大而产生安全问题。

英国标准BS7361 PART 1：1991《阴极保护》中，明确要求油轮和码头之间必须采用绝缘法兰、绝缘接头或非导体软输油管，不能用电缆连接方式来平衡两端的电位差。理由是现在码头和油轮一般都有阴极保护，它们之间可能会有很大的电流流动，连接电缆不可能有足够低的电阻、足够大的截面积来平衡两个保护系统之间的电位差，因而，采用电缆连接是无效的，可能产生安全问题。

文献 [4]和 [5]也要求采用绝缘法兰、绝缘软管来解决船体与码头之间的电流流动问题，但目前我国各港口从设计（是否使用绝缘法兰）到使用（是否取消等电位连接线）均未形成一致。

2） 仪器设备和施工质量仍存在不足，根据使用情况调查，发现一些保护系统仪器设备的使用寿命和防护状态难以达到预期要求，电缆的敷设和防护存在不规范、不安全的处理方式。

[1]JTS153-3—2007，海港工程钢结构防腐蚀技术规范[S].

[2]GB 50058—92，爆炸和火灾危险环境电力装置设计规范[S].

[3]BS 7361 PART Ⅰ：1991 Cathodic Protection-Part 1，Code of Practicefor Land and Marine Application[S].

[4]ISGOTT，国际油船和石油码头安全指南[S].

[5]GB 18434—2001，油船油码头安全作业规程[S].