沿海地区大型成品油储罐底板设置阴极保护系统探讨

2014-08-15刘宝凯中国石油化工股份有限公司天津石油分公司天津300270

化工管理 2014年8期

刘宝凯（中国石油化工股份有限公司天津石油分公司天津 300270）

刘宝凯（中国石油化工股份有限公司天津石油分公司天津 300270）

本文简述了沿海地区大型储罐设置阴极保护系统的重要意义，简要介绍了油罐底板腐蚀泄漏原因。详细介绍了阴极保护原理，并结合实际项目分析了储罐采用阴极保护系统投资及其运行成本。又以相关规范为依据，建议在沿海周边地区土壤腐蚀严重环境下建设的大型储罐设置阴极保护系统。

沿海地区储罐阴极保护经济效益

随着土地供应越来越紧张，且考虑到海港需求以及废地利用等，现在很多沿海开发区都进行滩涂上崛起重化产业基地的规划。考虑到石油工业发展速度不断加快、石油储罐的数量持续增加。大型储罐作为石化产业、储备库最主要的存储设备，其重要性不言而喻。储罐防腐是储罐安全维护中重要内容，如果储罐腐蚀严重导致泄漏介质将会造成重大危害。尤其是罐底板的焊缝等热影响区的腐蚀问题需重视，必须采取有效的防护措施以消除钢板及焊缝接头因沿海地区腐蚀土壤造成的潜在危害性。如果储罐因为底板腐蚀穿孔泄漏也将造成严重后果：因为出现油品泄漏，不但引起环境污染，散发的可燃油气存在着火和爆炸的危险。[1]储罐将被迫停用修补，同时会造成巨大的直接和间接经济损失。钢质储罐通常是通过喷涂一定厚度防腐层来保护罐底板，但是在实际工程中，防腐层难以达到完整无损。随着储罐使用年限增长，通常在防腐层损伤破坏或者喷涂薄弱处发生较严重腐蚀。为了对罐底板增加更有效的保护，在罐底板安装阴极保护也是通常选用办法。阴极保护是根据电化学腐蚀的原理，通过阴极极化的方法抑制腐蚀电池产生，起到保护底板的作用，从而减少泄漏事故。[2]

一、油罐底板外侧腐蚀原因分析

地上钢质储油罐在使用中，罐底板上下表面经常遭受内、外介质的腐蚀。在储罐腐蚀事故统计中：罐底板腐蚀穿孔比率最大，所以对大型储罐罐底应实施有效的防腐措施，以减少罐底泄漏导致的直接和间接危害。涂料防腐是用一定厚度涂层将罐底与内、外介质隔开，起到保护底板的作用。但防腐涂层存在一定不足：主要有涂层本身有微孔、老化后易出现剥离、施工中局部也可能产生缺陷，这样裸露的局部底板将形成小阳极，防腐层部分成为大阴极既产生局部腐蚀电池，导致底板局部产生严重腐蚀。[3]因此，在腐蚀环境复杂地方只采用涂料保护可能会得不到预期效果。若采用防腐涂料与阴极保护双重防护，可弥补涂层缺陷，从而可延长储罐的使用寿命。油罐底板的腐蚀原因主要有土壤腐蚀和氧浓度差电池腐蚀：

土壤腐蚀：油罐基础以沥青砂和级配砂石为主要构造，罐底板将铺在压实的沥青砂面上。储罐在运行中将会出现满载和空载不停交替，随着储罐载荷变化将使得沥青砂层上出现局部裂纹，会导致地下水上升，将造成底板外部腐蚀。当油罐内介质温度较高时，随着罐底板周边水分的蒸发，腐蚀盐分就会增，加进会加剧腐蚀。

氧浓度差电池腐蚀：在罐底，氧浓度差主要表现在沥青砂与储罐底板接触不良；储罐承载变化以及罐周和罐中心部位透气性有差别。含氧浓度大的部位，金属电极电位低，而使得罐底产生腐蚀。

二、海边油库所处环境分析：

1.海边空气流通量大，油罐底板外侧和外界呼吸量也较大，从而导致罐底外侧和沥青砂之间的各部位的氧气浓度差异加大。另外随着运行时间的加长，罐底板外侧和沥青砂之间的空隙程度逐年加大，为氧浓差电池的形成提供了客观条件。

2.由于海边地区空气潮湿含盐雾、雨水丰富、地下水中盐份含量高，储罐基础回填层电阻率呈逐年下降趋势，因此土壤对罐底板外侧的腐蚀随运行时间延长而加强。

3.油罐罐底板外侧的涂层随运行时间延长而逐步失效，由于结构的原因罐底外侧无法进行重新防腐，罐底板外侧防腐能力随运行时间延长而逐步下降。

4.油罐罐底外侧和沥青砂之间的盐水含量随运行时间延长而逐步增加，促进了电化学腐蚀环境的形成和加剧。

三、油罐重要性：

石化行业中，原油罐全做阴保。成品油罐以前因单罐容量较小，一般为1000～5000的罐较多，普遍没做阴保，但随着经济发展，成品油罐的单罐容量逐渐增多。单体容量越大，则单罐重要性也越大，如果出现问题，造成的损失也越大。G B 50761-2012《石油化工钢制设备抗震设计规范》中，小于1万的油罐属于一般设备，大于等于1万的油罐属于重要设备，计算中应增加设备重要性系数，所以需要依据环境条件及罐型情况考虑增加阴极保护系统。

四、依据规范

G B 50393-2008《钢制石油储罐防腐蚀工程技术规范》中3.0.3中规定：罐径不小于8m的储罐，底板外表面除涂敷防腐涂层外，尚可考虑采用阴极保护，阴极保护设计寿命不得低于20年。

说明：现规划建设成品油储罐罐容5000m3直径一般为20米，所以在建大中型储罐直径都远大于8米，所以需考虑阴极保护。

五、阴极保护基本原理

金属是从矿石中提取出来的，在提炼过程种必须要给它一定的能量，使其处于高的能量状态。材料基本规律总是趋向于最低的能量状态，因此金属都是热力学不稳定的，具有和周围环境（如氧和水）发生反应的趋势，以达到较低的、更稳定的能量状态，如生成氧化物。以铁为例：阳极：F e-2e→F e2+阴极：O2＋＋2H2O→4OH。所以，Fe2++2OH-→F e(OH)2；F e(OH)2+1/2O2+H2O→2F e(OH)3。

阴极保护的原理是将大量的电子补充给罐底板，使被保护底板处于电子过剩环境，使金属原子不易失去电子。通常有两种办法可以实现上述效果，采用牺牲阳极阴极保护或者外加电流阴极保护。

A、牺牲阳极阴极保护技术[4]：

牺牲阳极阴极保护技术是采用电位比将要保护的金属还要负的材质与将被保护的金属连接在一起，通过电位负的材质腐蚀溶解来保护其它金属。优点：①:相对投资较少、且在运行期间费用较少，经济效益较好。 ②:保护电流的效率较高（不会产生过保护）。 ③:对地下周边的金属无干扰影响。④适用于库区、长输管道、及规模较小的分散管道保护。 ⑤:施工技术较简单，维护较容易。缺点：①:驱动电位较低，保护范围小。 ②:使用范围容易受土壤电阻率的制约，如若土壤电阻率大于50Ω·m，一般较少选用牺牲阳极保技术:③:有效保护年限一般受牺牲阳极寿命的制约，需要定期更换。

B、强制电流阴极保护技术：

强制电流阴极保护技术采用在回路中连入一个直流电源，借助辅助阳极，向被保护的金属通入电流，使被保护金属变成阴极，达到保护效果。优点：①:驱动电压高，阴极保护电流输出量范围较宽，适用大型储罐保护。②:在复杂的腐蚀环境或高电阻率的条件中也适用。 ③:不溶性或微溶性辅助阳极的应用，可进行长期的阴极保护。缺点：①:一次性投资费用相对偏高，而且运行过程中需要支付一定电费。 ②:需要专业的维护管理以确保阴极保护系统正常运行。③:因需要长期供电，所以需具备稳定电源。

六、阴保与油罐防雷防静电接地的关系

油罐阴极保护将牺牲阳极或辅助阳极埋设在罐底下部砂垫层中，阳极和罐底板下表面通过土壤溶液构成闭合回路，通过参比电极所测的电位为极化电位。接地级与罐体是等电位，不影响接地级的防雷防静电作用。如果有电流通过土壤流向接地级，相当于对接地级进行了阴极保护。所以，储罐底部设置阴极保护系统与储罐设置的防雷防静电接系统不存在相互影响问题。