天津港30万吨级原油码头外加电流阴极保护设计

2012-01-21陈韬杨太年李云飞

中国港湾建设 2012年2期

陈韬，杨太年，李云飞

（中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222）

1 工程概述

天津港30万吨级原油码头工程位于天津港南疆港区。新建码头由1座工作平台，2座靠船墩，6座系缆墩和4个栈桥墩组成。

根据码头结构和钢管桩各部位的高程，该工程的钢管桩处在水位变动区，海水全浸区和海泥区三个区域。由于码头结构终年处于海水及海洋大气环境中，长期受到氯化物、硫化物、海洋微生物以及各种阴、阳离子等的腐蚀，码头结构不可避免地要受一定程度的腐蚀，直接影响到码头的使用年限和安全。

本工程是石化码头，所以在设计阴极保护时，应充分考虑到其防爆安全要求。本设计对保护系统的设置采取了适当的防爆措施，并要求所采用的仪器设备需具备一定的防爆等级。

2 码头自然条件和有关参数

1）码头自然条件见表1。

2）技术参数见表2。

表1 码头自然条件

表2 码头有关技术参数

3 防腐设计要求和技术指标

3.1 设计要求

针对天津港30万吨级原油码头钢管桩存在水位变动区、海水全浸区和海泥三个防腐区的实际情况，通过技术论证和经济比较，对码头部分钢管桩水位变动区和部分海水全浸区采用外加电流阴极保护与长寿命防腐涂层联合保护，对钢管桩海水全浸区和泥面以下裸露钢管桩采用外加电流阴极保护。

3.2 技术指标

根据工程整体设计原则，确定钢管桩防腐保护的技术指标为：

1）码头上浸入海水中的桩体采用外加电流阴极保护，保护年限50 a；输油管道引桥主固定墩的钢管桩采用牺牲阳极保护，保护年限为30 a，30 a后重新安装阳极达50 a保护寿命；

2）涂层的使用寿命为20 a。工程交付20 a后，应根据涂层附着情况以及钢管桩的保护效果，重新修复防腐涂层，使其保护寿命达到50 a；

3）根据所选涂料产品的性能指标和规范的要求，本工程对保护电位实施严格监控措施，使阴极保护最大负电位控制在-1.10 V（相对于Ag/AgCl参比电极，下同）以下，避免防腐涂层因析氢而导致电剥离损坏；有效保护期限内，钢管桩水位变动区、水下区的最小负电位确定为-0.80 V；

4）在有效保护期内，钢管桩的腐蚀得到有效抑制，表面上基本无锈蚀，壁厚无明显减薄，码头基本维持现状而安全运行（其它因素造成的损坏除外）；

5）本工程的外加电流阴极保护系统可以对钢管桩的保护电位进行实时监控。

4 保护面积及保护电流计算

4.1 保护面积

根据天津港30万吨级原油码头工程施工图纸，钢管桩水中涂层区、海水裸露区和海泥区保护面积分别为5 621.8 m2、13 487.4 m2和 22 948.9 m2。

4.2 保护电流计算

最小保护电流密度是金属构件施加阴极保护时，为使金属构件得到完全保护所必需的电流密度值，通称为阴极保护电流密度。阴极保护电流密度，与最小保护电位相对应，它的大小是影响金属构件阴极保护效果的重要参数之一。因此，必须选取适当的保护电流密度，使被保护的金属构件达到最小保护电位。如果保护电流密度偏高，会造成钢质构件保护不足而缩短其有效使用年限；相反，保护电流密度偏高，不仅会消耗大量的电能，还会产生负作用，出现“过保护”现象。

阴极保护电流密度的大小与很多因素有关，主要有被保护的金属种类、金属表面状态、有效保护年限、海水的导电性、含氧量、流速、风浪、pH值、温度和污染等。这些因素的变化会导致保护电流密度产生数个到数百个mA/m2的变化。根据天津港30万吨级原油码头所处环境条件及作业工况，依据行业规范[1]选定该港区钢管桩水中涂层区、海水裸露区和海泥区的保护电流密度分别为30 mA/m2、100 mA/m2和 20 mA/m2。

经计算，本工程水中涂层区、海水裸露区和海泥区所需的保护电流分别为168.7 A、1 281.3 A和334.2 A。考虑电流余量，外加电流阴极保护实际所需总电流为计算电流的1.1倍，总保护电流为1 974 A。

5 钢管桩外加电流阴极保护防腐设计

5.1 辅助阳极

辅助阳极应满足以下要求[1]：

1）辅助阳极的性能符合GB/T 7388《船用辅助阳极技术条件》或BSEN 13174：2001《港口设施的阴极保护》的规定；

2）辅助阳极接头的水密性应符合GB/T 7388的规定，接头的绝缘电阻应＞1 MΩ；

3）耐用年限应与阳极体的设计使用年限相一致；

4）辅助阳极的绝缘座密封材料以及靠近阳极的支架和阳极保护套管应采用耐海水、耐碱、耐氯气腐蚀的材料制成；

5）辅助阳极的材料及几何形状应根据设计使用年限、使用条件、被保护钢结构的形式、阳极材料的性能和适用性综合确定。

经过综合考虑，本工程的辅助阳极材料采用混合金属氧化物涂敷的钛阳极，规格为φ25 mm×1 000 mm，额定输出50 A以上。阳极选用进口产品，其优点是：重量轻，易安装，输出电流密度高，而且一次使用寿命长，达到50 a以上。

本工程采用复合金属氧化物涂敷钛阳极，安装44个，其安装方向、角度及标高应符合施工图的要求。同时，应采取适当防护措施，以免阳极在搬运和安装过程中受损，确保阳极接头和连接电缆的绝缘密封性能。

5.2 整流器柜

整流器柜应满足如下要求[1，5-6]：

1）技术性能稳定可靠，环境适应性强；

2）设有防腐蚀和防干扰的金属外壳；

3）性能指标、适应环境的能力满足GB 3220《船用恒电位仪技术条件》的规定；

4）根据使用条件、辅助阳极的类型、被保护结构所需电流和保护系统回路电阻计算确定变压整流器柜的输出电流、输出电压；

5）每个变压整流器都应插入一个按照国际电子技术委员会标准制造的带有单独绕组的隔离变压器，考虑到石油码头的防暴要求，变压整流器应符合IEC 60529中的规定。

经综合考虑和计算，本工程所采用的变压整流器柜符合以下性能指标：①交流电输入：400 V，三相，50 Hz；②直流电输出：450 A，20 V；③油冷式、钢外壳，涂料和聚合物防腐，防暴等级达EEx od IIB T5，防护等级为IP65，并安装门式联锁保险盒；④可通过参比电极进行自动控制。每台变压整流器柜共连接3个参比电极，其中1个用来控制，另外2个用作监测；⑤整流器柜的使用寿命要求超过25 a，安装后15 a内极少需要维修。同时应当配备设计使用寿命内的易损备件，25 a后进行更换，以保证能达到设计使用年限。

整流器柜的布置应根据电源的台数、码头的结构型式、平面布置条件、维护管理和经济因素等综合确定，其施工要求满足GB 50254—96《电器装置安装工程低压电器施工及验收规范》的有关规定。本工程共布置5台整流器，分散布置于工作平台，其交流输入端应安装外部切断开关，且设置有通风、防腐蚀和防飞溅的金属外壳，该金属外壳应妥善接地，接地电阻＜4Ω。

5.3 参比电极

本工程选用永久性Ag/AgCl参比电极作为检测、监控用电极。该参比电极极化小、稳定性好、不易损坏，并适用于所处的环境介质；具有很好的绝缘性能，在干燥状态下，其电极体或导电杆与电极水密罩或填料函间的绝缘电阻应＞1 MΩ；水密性能优异，其在196 kPa水压、历时15 mim的水压试验时应不渗水；使用寿命长，安装后其使用寿命不少于20 a，20 a后通过更换新的参比电极以达到设计使用年限；参比电极规格、型号、技术质量指标应满足GB 7387《船用参比电极技术条件》的规定。

本工程共安装17个长效Ag/AgCl参比电极。参比电极测量电缆与接地电缆不存在水中接头，水上接头应采取严格的绝缘密封措施，电缆在敷设时留有适当的长度余量；参比电极电缆接线盒也采取了绝缘密封措施。

5.4 监控设备

外加电流阴极保护系统的监控设备可根据平面布置和维护管理条件采用控制室集中控制或分散布置于工程结构的相应位置上[1，4-9]。本工程的监控设备能适应所处的环境条件，其保护性外壳应能抵御海水飞溅、盐雾、雨水、紫外线和海洋腐蚀介质的侵蚀，测量导线和仪器的连接点应做好相应的绝缘密封，其绝缘密封等级为IP65；具有测量、调节并显示钢结构保护电位、电源设备的输出电流和输出电压等功能；设有手动检测接线端子和备用参比电极接线端子；具备数据采集、远程信号发射、接收功能，能实时监控保护系统的状态。

监控系统的工作流程：通过安装于整流器中的信号采集元件来收集钢管桩保护电位数据及整流器的工作参数，由控制电缆将收集到的信息传输到集中发射装置，通过终端计算机接收模块收集并处理各发射装置输出的数据。控制人员可以通过监控软件，监测系统工作情况，并可根据情况，发出相应的调整指令。

信号采集元件安装于整流器中，其防护条件与整流器相同，无需增加特殊防护措施[4-5]。集中发射装置要求采用钢制外壳，安装于整流器防护外壳之上。钢质外壳应妥善接地，其表面清理清洁度达到Sa2.5级，表面粗糙度为50～80μm，并采用涂料进行保护，厚度为50μm的冷镀锌或有机富锌底漆+60μm的环氧底、中漆+50μm的聚氨酯面漆，防护等级为IP65。

5.5 电缆

阴极保护用电缆包括电源电缆、阳极电缆、阴极电缆和监控系统测试电缆[4-5]。阳极电缆和阴极电缆通常采用多股铜芯电缆，电缆护套具有良好的绝缘、抗老化、耐海洋环境和海水腐蚀性能；参比电极测量电缆应选用耐海水腐蚀和耐老化的屏蔽电缆，参比电极电缆应与动力、电源电缆保持适当距离，不得与动力电缆、阴极电缆和阳极电缆使用同一个电缆套管，其屏蔽层必须接地。

6 码头外加电流阴极保护系统安全设计

6.1 依据及原则

天津港30万吨级原油码头属于易燃易爆环境，外加电流阴极保护设计和施工必须严格按照有关规定[2]执行。贯彻预防为主的方针，保障人身和财产的安全，因地制宜的采取防范措施，做到技术先进、经济合理、安全适用。

本阴极保护系统安装时要求尽量远离危险区域，消除安全隐患，并遵守以下两个原则：1）降低点燃源周围出现爆炸性气体环境的可能性。2）消除点燃源。

阴极保护系统安装时首先应参照国标规定对码头装卸货物进行安全等级分组和分级，并对码头的危险区域进行划分。结合码头的实际信息对各仪器选择适当的防爆等级，选择恰当的安装位置，采取必要的措施降低安全隐患，提高系统的防爆能力。

6.2 危险区域的划分及各阴极保护设备所处分区

危险区域按规定[2]进行划分。除了满足规范条文的规定以外，还应考虑以下因素：1）易燃物质的泄出量；2）释放速度；3）释放的爆炸性气体混合物的浓度；4）易燃液体的沸点液体混合物初沸点；5）爆炸下限；6）闪点；7）通风量；等。

综合上述判断方法，对码头的危险性区域进行了划分，为设备布置提供依据。

6.3 外加电流阴极保护系统设备、材料的安全选型

6.3.1 整流器

整流器安装的位置与工作码头输油臂之间的最小间距应不小于30 m，且处于露天环境中，处于非爆炸危险区域。

本工程选用的变压整流器安全级别为EEx od IIB T5级，属于隔爆型防爆结构，适用爆炸危险2区、IIB类爆炸性物质、T5级安全防爆要求。本码头所装卸的货物危险等级最高为IIBT3级，故在本工程中可以安全使用。

6.3.2 接线盒

在阴极保护设计中，可能有部分接线盒处于危险1区，其他各处的接线盒均处于危险2区。

本工程将选用沈阳北方防爆电器有限公司的BJX52系列防爆，其防爆等级为Exd IIBT6的，能够满足爆炸危险1区、IIB类爆炸性物质、T6温度组别的防爆要求。同时为了进一步提高接线盒的安全防爆能力，将在接线盒里浇注环氧树脂，使之具有浇封型防爆结构的防爆能力，进一步提高了安全性。

6.3.3 阳极和参比电极防爆措施

由于阳极及参比电极均安装在水中，处于非爆炸危险区，本工程使用的阳极和参比电极水下接头部分采用环氧树脂浇注密封，属于浇封型防爆型式。其安全效能要远优于隔爆型和增安型。同时阳极尾线和参比电极尾线为通长电缆，严禁电缆有中间接头。

6.3.4 阴极连接板的防爆措施

阴极连接板在布置时，要求尽量远离高危险区。连接钢板与钢结构焊接时采用双面焊接，焊缝应连续饱满，使其具有较大的连接面积。连接板的电缆接头部分使用环氧树脂浇注填充，并尽可能浇注在混凝土中。

6.3.5 电缆的安全使用

本阴极保护系统所使用的电缆将全部使用通长电缆，严禁有中间接头，选用电缆额定电压为0.6/1 kV远大于设计工作电压，导线截面10～120 mm2，具有较大的载流能力。整流器具有较高的额定工作电流和工作电压，在正常使用时，电缆上实际通过的电流远小于电缆的最大允许通过电流。同时具有短路保护和过载保护，不会出现意外的大荷载情况。

为避免电缆受外力断裂，产生点燃源的风险。本工程所用电缆在墩台下穿入导管中，并牢固定位；在墩台上全部安装入电缆桥架中，并要求敷设时应留有适当的长度余量。

6.3.6 系统的接地及安全

根据要求[2]对仪器设备进行接地。各仪器就近接地，所有仪器设备的外壳也应接地。