储油罐接地材料阴极保护的适用性

2021-12-13熊小琴官学源

腐蚀与防护 2021年1期

熊小琴,杨君,官学源

(1. 中国石油大学(北京)克拉玛依校区，克拉玛依 834000; 2. 新疆油田公司油气储运公司，克拉玛依 834000;3. 中国石油管道局工程有限公司东北分公司)

随着我国石油工业的不断发展，原油处理和加工量迅速增加，原油储罐需求大量增长。储油罐在运行过程中，底板会产生严重腐蚀，因此通常采用阴极保护作为其防腐蚀措施，即在油罐周围安装阳极，利用牺牲阳极保护阴极的原理，迫使流入储油罐底板的电流通过阳极金属，使阳极金属原子失去电子而变成离子，完成对储油罐底板的保护[1]。

关于储油罐外底板接地材料，目前主要关注其导电性和耐蚀性，而接地设计参照电气化专业的标准，不同于阴极保护标准[2]，该标准只注重接地材料的导电性和接地电阻，不考虑接地材料与阴极保护相容性方面的要求，故往往选择导电性好的材料，如铜、石墨接地模块、铜电解离子接地棒等。然而，这些材料的电位都正于碳钢，当其与碳钢储油罐连接，若储油罐未施加阴极保护，则会发生电偶腐蚀；若储油罐施加阴极保护，这些材料则会消耗大量阴极保护电流，出现接地材料和阴极保护不相容的情况。因此，有必要对储油罐接地材料的阴极保护适用性进行研究，以为储油罐的阴极保护优化设计提供参考。

目前，国内使用的接地材料主要有碳钢、铜、镀锌钢、非金属低电阻模块以及电解离子等[3-4]。其中，碳钢、铜和镀锌钢接地材料是较传统的接地材料，金属低电阻模块及电解离子接地材料是新型接地材料。铜接地材料具有良好的导电性和耐腐蚀性能，但其电位比碳钢的正且造价昂贵；镀锌钢接地材料应用广泛，造价较低、热稳定性好、耐蚀性好，但镀锌层的厚度限制了其使用寿命；碳钢材料的耐蚀性较差，目前应用较少。本工作主要研究了这三种接地材料的阴极保护适用性问题。

1 概念

1.1 自腐蚀电位

金属材料浸泡于介质中都有一定的电位，称为该金属的自腐蚀电位。自腐蚀电位可表示金属失去电子的难易程度，自腐蚀电位愈负愈容易失去电子。失去电子的部位为阳极区，得到电子的部位为阴极区。阳极区金属失去电子发生氧化反应，因此阳极金属被腐蚀(如铁原子失去电子而变成铁离子溶入土壤)。

1.2 最小保护电位

金属达到完全保护所需要的最低电位值，即阴极保护时，使金属停止腐蚀所需达到的最小电位值。自1928年美国J.柯恩通过试验发现-0.85 V(相对于铜/硫酸铜电极，CSE，下同)能控制电化学腐蚀后，经过实践考验，此电位成为了公认的最小保护电位[5-7]。

1.3 最大保护电位

保护电位不是愈低愈好，过低的保护电位会造成防腐蚀层漏点处大量析出氢气，造成涂层脱离(即阴极剥离)，这不仅会使防腐蚀层失效、消耗大量电能，还会导致金属材料产生氢脆而发生氢脆断裂，所以需控制保护电位稍高于析氢电位值，一般取-1.20 V(CSE)[8-10]，此电位称为最大保护电位，超过此电位为“过保护”。

2 室内模拟试验

2.1 试验元件及条件

试验采用直径1.5 m的模拟储油罐底板(底板涂装环氧防腐蚀涂料)、MMO管状辅助阳极、铜/硫酸铜参比电极、整流器(10 A/15 V)、垫高土层(0.5 m)、环境温度20 ℃、土壤湿度5%、接地材料有扁钢、铜、镀锌扁钢。

2.2 试验方法

(1) 预埋辅助阳极，埋深500 mm，连接阳极线待接至整流器。

(2) 预埋参比电极，埋深100 mm，连接好参比引线待用。

(3) 分别埋设不同接地，埋深100 mm，通过螺栓与模拟储油罐壁连接。

(4) 将罐底极化至一定电位，测试三种接地材料连通和断开时，所需的电流，通过计算连通接地和断开接地的电流差，得出每种接地材料对阴极保护的影响。模拟试验测试图见图1。

图1 模拟试验Fig. 1 Simulation test chart

3 结果与讨论

由图2可见：在相同试验条件下，镀锌扁钢接地材料的腐蚀电位最低，碳钢接地材料的次之，铜接地材料的腐蚀电位最正。将储油罐极化至-1.20 V,-0.85 V,-1.0 V，测试不同接地材料对阴极保护电流的影响情况，结果见表1。

图2 各种材料在3.5% NaCl 溶液中等的自腐蚀电位Fig. 2 Free corrosion potential of various materials in 3.5% NaCl solution

由表1可见：储油罐极化至-0.85 V时，扁钢和铜接地材料的消耗电流占比较大，分别为阴极保护电流的92.1%和94.8%，而镀锌扁钢接地不仅没有消耗阴极保护电流，还能起到牺牲阳极的作用,使储油罐电位提高到-0.85 V；储油罐极化至-1.0 V，扁钢和铜接地材料消耗电流比-0.85 V极化电位条件下的稍低，分别为阴保电流的88.8%和93.5%，而此时镀锌扁钢接地也消耗了39.0%的阴保电流；当储油罐极化至-1.20 V，这三种接地材料所消耗的阴保电流都超过70%，其中，扁钢接地消耗的为85.9%，铜接地的为92.3%，镀锌扁钢接地的为74.2%。

表1 不同极化电位条件下三种接地材料的消耗电流情况Tab. 1 Current consumption of three grounding materials under different polarization potentialsion conditions

电流测试结果表明：当储油罐极化至-0.85，-1.0，-1.20 V时，扁钢和铜接地材料都消耗了约90%的阴保电流，即大量阴保电流都通过这些接地材料泄漏。这是因为接地材料在土壤中的电位较正，当其与被保护的储油罐相连时，阴极保护电流大部分都通过土壤流到这些裸露的接地材料，而需要保护的储油罐得到的阴保电流却很少。因此，扁钢和铜接地材料不适用于储油罐的阴极保护接地材料。

采用镀锌扁钢接地，由于镀锌扁钢的腐蚀电位约为-0.95 V，当储油罐的阴保电位极化至-0.85～-0.9 V时，镀锌扁钢接地材料基本不会消耗阴保电流，此时，镀锌扁钢接地材料可以作为储油罐的阴极保护接地材料。然而，随着埋地时间的增长，镀锌层消耗后也会消耗大量阴保电流。当阴极电位为-1.20 V时，镀锌接地材料会消耗约70%阴保电流。

4 解决措施

传统的镀锌钢管虽然在一定程度上起到阴极保护的作用，但由于镀锌层厚度不足，并且在运行过程中镀锌层作为阴极消耗较快。可以采取牺牲阳极代替传统惯用铜和钢接地极。

此外，对于新建储油罐，将阳极置于防渗膜内部，接地极装在防渗膜外部，如图3所示。这样防渗膜不仅可以阻断阴极保护电流向接地极流失，还能防止储油罐底板渗漏的油品向地下渗透而污染地下水。防渗膜一般采用厚2 mm且具有一定韧性及强度的PVC塑料膜，并保证其搭接宽度大于200 mm。

图3 采用防渗膜接地形式示意图Fig. 3 The grounding form of the impermeable membrane

接地电池是可以提供一个低电阻通道，排放强电电流但不泄漏阴保直流电流的一种装置。通常，接地电池处于开路状态，当储油罐遭受雷击或产生故障电压时，接地电池会导通，并将产生的电流释放到大地中。接地电池应满足工作电压为40 V，电流排放为100 kA的要求。对于已建储油罐，如果要增加阴极保护系统，则应同时改造接地极，如安装接地电池，使阴极保护真正发挥作用。