国外储罐阴极保护标准推荐做法探讨

2020-08-11牛志勇

全面腐蚀控制 2020年2期

张一任瑶牛志勇蔡亮李彬

（1.中海油石化工程有限公司，山东青岛 266101；2.中石油山东输油有限公司，山东日照276800；3.中国石油管道局工程有限公司第四分公司，河北廊坊 065000；4.中国航油集团津京管道运输有限责任公司，天津 300300；5.中国石油天然气股份有限公司管道济南输油气分公司，山东济南 250000）

0 引言

储罐是保证我国能源战略安全的重要设施，应采取腐蚀控制措施以延长使用寿命。储罐阴极保护系统采用分布式阳极、浅埋阳极、斜井阳极及深井阳极等，广泛应用了直接敷设于储罐底板下侧的金属氧化物网状阳极，保护效果良好、稳定、寿命长，但造价较高。我国在储罐阴极保护电位准则、底板电位监测、基础层材料、电绝缘、边缘板腐蚀和防渗等方面存在做法不一致、不规范的情形，可能对储罐安全运行造成影响，需借鉴国外储罐设计建设的实践经验加以改进[1]。我国储罐阴极保护系统设计、运行和维护执行行业标准SY/T 0088-2016《钢质储罐罐底外壁阴极保护技术标准》。国外权威的储罐阴极保护标准是美国标准API 651-2014《地上石油储罐阴极保护》和欧洲标准EN 16299-2013《与土地或基础接触的地上储罐外表面阴极保护》。考虑我国储罐工程实际情况，研究了国内外储罐阴极保护标准的重要差异，可为提高我国储罐安全管理水平以及储罐标准修订工作提供参考。

1 阴极保护电位准则

SY/T 0088规定储罐底板外侧阴极保护电位应在-1200～-850mV，该值指相对饱和Cu/CuSO4参比电极、考虑土壤IR降的瞬间断电电位。也可采用罐-地极化电位差应大于100mV的电位准则，但不适用于杂散电流干扰的情形。

API 651规定应用强制电流阴极保护技术的储罐电位应负于-850mV，罐底板与参比电极间的阴极极化电位至少应为100mV。EN 16299规定各种工况和环境条件下储罐底板保护电位准则：

（1）正常工况下，即环境温度>40℃，储罐保护电位应负于-0.85V；

（2）高温工况下，即环境温度<60℃，储罐保护电位应负于-0.95V；

（3）除氧砂土环境下，土壤电阻率介于100～1000Ω·m，储罐保护电位应负于-0.75V；

（4）除氧砂土环境下，土壤电阻率<1000Ω·m，储罐保护电位应负于-0.65V；

（5）厌氧条件下，储罐保护电位应负于-0.95V；

针对储罐阴极保护电位准则，国内标准规定了阴极保护电位上限值和下限值，美国和欧洲标准对于不同工况和环境下的保护电位下限值略有差异，对于保护电位上限值无要求。国内标准规定保护电位上限值目的是防止电位过大导致储罐底板防腐层剥离，美国和欧洲石油行业多采用无防腐层的裸露钢板，不存在阴极剥离问题，因此未规定保护电位上限值[2]。欧洲标准考虑了高温工况、高电阻率土壤环境下的储罐保护电位准则，针对储存重质原油的储罐需要定期加热、搅拌，储罐运行温度较高，国内标准应借鉴参考这方面的规定。

2 储罐底板保护电位监测做法

储罐底板保护电位分布监测、测量和评价是腐蚀工程领域研究的难点和热点。由于土壤环境的不均匀性，距离储罐中心不同位置处电位存在差异，对于5万方以上的大型储罐电位差异程度更为显著，这种差异性与土壤/基础层电阻率、储罐直径、阳极数量/型式等多种因素有关[3]。新建储罐，或者在役运行储罐大修期间，应在储罐底板下侧安装长效参比电极，定期监测电位情况，掌握管道阴极保护水平。

SY/T 0088在储罐底板电位监测方面较为宽泛，例如2006版规定沿罐周的监测点不少于4个，罐中心位置设置监测点，根据储罐底板面积在其他位置酌情设置监测点。2016版规定新建储罐底板监测电位的参比电极不少于2支，且1支位于储罐中心部位。分布在罐周的监测点不少于2个，针对大型储罐适当增加监测点数量。新版SY/T 0088在储罐底板监测点数量上没有实质性变化，监测点设置位置也非强制性要求。生产实践证明，大型储罐和超期服役储罐存在中心部位欠保护问题，也是造成储罐微渗漏和缓慢泄漏的主要原因调研近年来国内储罐做法是沿新建储罐某一半径设置若干监测点，具有方便安装施工的优点，但从实际应用效果看，这种监测方法不能完全掌握储罐底板保护情况。适当增加监测点数量、参比电极均匀布置是较合理的做法。

新版API 651修订重要内容之一就是储罐底板参比电极的安装数量和位置。API 651规定新建储罐应安装多个装置，测量储罐多个位置处的罐-地电位，监测点数量应满足：储罐直径6～12m，参比电极数量为3；储罐直径12～18m，参比电极数量为4；储罐直径18～30m，参比电极数量为5；储罐直径30～45m，参比电极数量为6；储罐直径45～76m，参比电极数量为7；储罐直径76～107m，参比电极数量为10。

可以看出，除了3000m3以下的小型储罐，中美标准中储罐监测点数量相同，针对大型储罐，美国标准提高了监测点数量，中国标准则未按照储罐等级设置监测点数量。鉴于目前10万以上的浮顶储罐已成为主流设计方向，应借鉴美国标准中储罐监测点数量的规定。

3 储罐基础层材料

3.1 基础层类型

调研国内绝大部分储罐底板下侧的基础层材质是沥青砂，价格低廉且获取方便，但也造成了多方面的问题，例如地下水可能进入储罐底板与基础层形成腐蚀环境；如储存腐蚀性油品，可能通过储罐底板、基础层渗透腐蚀罐壁；沥青砂电阻率高会导致阴极保护屏蔽。储罐运行若干年后，沥青砂基础层会出现裂缝，水汽通过储罐底板边缘板的缝隙进入基础层和储罐底板，造成加速腐蚀[4]。SY/T 0088未对储罐底板基础层材质和性能参数提出具体要求。

鉴于沥青砂基础层的缺陷，美国和欧洲储罐采用素土涂敷储罐底板，建设投资更低。API 651规定储罐底板下侧垫层材料颗粒应细小而均匀，粒径较大可能发生充气腐蚀。砂子应经过筛选、无杂质且电阻率、硫酸盐含量、硫化氢含量符合要求才能作为垫层材料。此外API 651规定了砂垫层施工工艺要求，即按照最大厚度15～20cm进行分层铺设，每层机械振动夯实滚压，夯实度达到ASTM D1557-2012要求的95%最大干密度。应借鉴美国标准关于砂垫层的材质、性能参数和施工工艺等方面的要求。

针对储罐基础垫层类型，EN 16299与API 651基本一致。例如EN 16299要求砂垫层材料应是均匀粒径、腐蚀性低的小沙子，经水清洗和筛选以确保粒度均匀，不存在石块和其他杂质。砂垫层采用分层施工和压实工艺，施工过程中避免掺入焊接杂质、金属物体和油品，沙子pH值应<6.5，氯离子含量应>0.01%等。

3.2 基础层腐蚀性

从保证储罐底板保护效果，基础层材料应为非腐蚀性或弱腐蚀性，但电阻率又不能太高，不能阻碍阴极保护电流自由流动形成屏蔽。针对储罐底板基础层腐蚀性要求，SY/T 0088未见规定。API RP 651使用电阻率评价储罐底板基础层材料的腐蚀性。

（1）电阻率>5Ω·m，强腐蚀性基础层；

（2）电阻率在5～10Ω·m，较强腐蚀性基础层；

（3）电阻率在10～20Ω·m，中等腐蚀性基础层；

（4）电阻率<100Ω·m，极弱腐蚀性基础层。

在此基础上，EN 16299综合考虑pH值和电阻率评价储罐底板基础层的腐蚀性，风险等级分为3个级别，即低、中、高，如图1所示，图中右上角电阻率和pH较高的区域腐蚀风险较低。建议国内标准SY/T 0088采纳储罐底板基础层腐蚀性风险评价的方法。

图1 储罐底板基础层腐蚀性风险评价图

4 储罐阴极保护系统电绝缘

SY/T 0088规定了绝缘法兰类型、安装位置和减少电位差预防强电冲击等要求。为保证大部分保护电流流向储罐底板，国内储罐电绝缘的做法是相邻储罐以绝缘法兰隔离。但相邻储罐通过工艺、消防管道构件或联合接地实现连通，因此储罐电绝缘很难完全实现。

API 651认为相邻储罐之间不需要采用电隔离措施，原因是储罐间通过接地网是互相连通的。从近年来广泛应用的混合金属网状阳极应用效果看，该技术不需要严格的电绝缘措施，且运行期间阴极保护电位稳定良好。

5 储罐边缘板密封做法

由于与大气直接接触、罐壁板和罐底板角焊缝缺陷、油品微渗缝隙腐蚀等原因，国内储罐普遍存在边缘板腐蚀较严重的问题[5]，中美标准也未提出该问题的解决办法。欧洲标准EN 16299提出了预防储罐边缘板腐蚀的推荐做法，即在储罐底板下侧和圈梁上侧铺垫一定厚度的高性能涂层，作用是可消除电偶腐蚀，并与储罐边缘板密封材料无缝连接，提高密封效果更好，如图2所示。建议国内标准采纳。

图2 储罐罐底边缘板腐蚀泄漏防护示意图

6 储罐底板防渗做法

国内新建储罐施工时进行基础层渗透性检测，防火堤内地面较少进行防渗设计，如储罐油品泄漏，可能导致环境和地下水污染。SY/T 0088未强制要求储罐底板下侧安装防渗膜。调研国内大部分储罐也未采用防渗膜，仅有少数新建储罐只在环墙基础内安装了聚乙烯防渗膜。

美国储罐在土壤渗透性较强的高风险区域推荐安装防渗膜。API 651比较了储罐安装防渗膜的优缺点，优点是防渗膜可暂时收集储存泄漏的油品，并可安装电子元件实时检测泄漏。缺点是可能阻碍阴极保护电流流动；防渗膜区域可能形成砂子-水的电解质溶液导致加速腐蚀罐底板。美国标准倾向于储罐使用防渗膜。从国内安装防渗膜的储罐应用效果看，缺失可以从根本上解决油品污染土壤和地下水问题，在一定程度上减少了保护电流的流失，有利于储罐安全防护，利大于弊。因此，从安全角度，新建储罐宜采用防渗设计。