北方沿海地区储罐底板阴极保护系统设计

胡尊生

中国石化润滑油有限公司滨海分公司

北方沿海地区有较好的水运码头资源，石化企业和储运企业储罐建设较多，大多数储罐建设在沿海吹填地质区域，受地质环境的影响，储罐底板的腐蚀在沿海地区相比于内陆地区更加严重，腐蚀的危害主要体现在降低罐体使用寿命和引发安全环保隐患。在新建储罐时充分考虑到防腐措施，不仅可以降低储罐的维护维修费用，还可有效消除安全环保隐患，确保安全生产。油罐底板防腐的基本方法是涂刷防腐漆和阴极保护相结合的方法。防腐漆对于底板的覆盖层有微孔，老化后容易出现龟裂、剥离等现象，局部的腐蚀会很快破坏漆膜，再加上沿海地区高腐蚀的地理状况，很容易加剧局部腐蚀。涂料防腐再增加一道阴极保护，可以有效弥补覆盖层缺陷，是储罐罐底板防腐最为经济和有效的方法。阴极保护是电化学保护的一种，原理是向被腐蚀金属表面外加电流，抑制被腐蚀金属发生的电子迁移，减弱腐蚀的发生，阴极保护分为外加电流阴极保护和牺牲阳极保护2 种。外加电流是通过外加直流电源和辅助阳极，产生大量电子，使被保护金属整体处于电子过剩的状态，主要用于长输管道和大型储罐，尤其是高电阻率的土壤金属结构的保护。牺牲阳极是将还原性较强的金属作为保护极，与被保护金属相连构成原电池，还原性较强的金属将作为负极发生氧化反应而消耗，被保护的金属作为正极就可以避免腐蚀，主要应用于小型储罐或城市管网低土壤电阻率环境下的金属结构，使用寿命较短，一般为3～5 年。因此，沿海地区储罐底板选用外加电流阴极保护方法（后文简称阴极保护）是较适宜的选择，向被保护储罐外底板施加一个外加电流，使外底板成为阴极，使得金属腐蚀发生的电子迁移得到抑制，有效减弱腐蚀的发生。

本文对北方沿海地区某储罐应用阴极保护的必要性做了分析，并针对北方沿海地区某新建码头储运生产基地设计了储罐底板阴极保护系统，供相关人员参考。

储罐底板应用阴极保护的必要性分析

从腐蚀的角度分析阴极保护的必要性

首先，储罐在制造安装过程中，底板外侧要进行除锈和喷涂底漆等预处理工序，焊接施工完毕后进行焊道表面清理、补涂底漆，进行中间漆和面漆的喷涂作业，底板涂料层相较于内里更容易发生涂料层失效，容易形成电化学腐蚀，更严重的会发生腐蚀穿孔。因此，国内外常用的做法是采用阴极保护技术防止或者延缓腐蚀，其原理是通过在罐底板一定距离设置辅助阳极，将罐底板与直流电源的阴极连接，从而使罐外底板强制设定为阴极，这种保护方法叫外加电流阴极保护或强制电流阴极保护，其本质是使裸露的金属不容易失去电子，从而起到防腐蚀作用。

另外，在沿海地区，储罐表面的盐分会被雨水冲刷至储罐外侧，进而可能流入储罐底部并污染储罐基础。与底板外侧接触的上表面为沥青砂垫层，随着使用年限的增加，砂垫层产生裂纹，使得雨水、地下水等湿气侵入，水汽进入罐底板后容易发生腐蚀，腐蚀重点区域是边缘板外圈的焊缝区域，因为此处氧气浓度高，水汽充足，在这种情况下，通常需要利用阴极保护来避免腐蚀[1]。

钢制储罐在沿海地区会受到化学腐蚀和电化学腐蚀，可以采用阴极保护的方法进行腐蚀防护。本文阐述了北方沿海地区某储罐应用阴极保护系统的必要性，针对北方沿海地区某新建码头储运生产基地，从设计方案和设计要求对阴极保护系统进行了简要分析，并设计了系统原理图，为沿海企业新建储罐防腐提供借鉴和参考。

从北方沿海地区地理环境分析阴极保护的必要性

以北方沿海地区L 为例进行论证分析，此地区靠近海边，土壤电阻率高，地下水含氯离子高，根据国家标准GB/T 39637—2020 《金属和合金的腐蚀 土壤环境腐蚀性分类》，属于高腐蚀或特高腐蚀程度的土壤。此地区滨海盐渍土环境数据如图1 所示。

图1 北方沿海地区L滨海盐渍土环境数据

国家腐蚀与防护部门在北方沿海地区L 设置有腐蚀试验站，从试验站的数据可以看出，腐蚀速度非常之高，达到1.704 g/dm2a ，进行换算后的腐蚀速率为0.021 7 mm/a，因此普通碳钢在沿海土壤环境中，如果不进行适当的防护，会存在腐蚀失效或穿孔的风险。中国腐蚀与防护网对此地区材料环境腐蚀进行了数据统计，北方沿海地区L 土壤腐蚀数据如图2 所示。

图2 北方沿海地区L土壤腐蚀数据

研究发现油罐的基础外侧是混泥土框架，框架内大部分填充的是松散的细砂石，随着基础的沉降及日积月累、风晒雨淋的地质的演化，油罐基础与外界的土壤的物理特性日趋一致。油罐底板在沿海地区腐蚀程度较高的土壤环境中，如果不外加阴极保护的话，将加速腐蚀[2]。

从标准和规范要求分析阴极保护的必要性

GB/T 50393—2017《钢质石油储罐防腐蚀工程技术标准》是我国关于钢质石油油罐腐蚀防护最重要标准之一，在 4.1.4 中规定“土壤腐蚀性较强区域的储罐、重要程度较高的储罐罐底板外表面宜采用涂层和阴极保护联合方案”。沿海地区是属于土壤腐蚀较强区域的储罐，厂区储罐也都是重要的生产设备，一旦泄漏会影响生产，同时带来安全和环保问题[3]。

API RP 651—2007《地上石油储罐的阴极保护》第5 章对于阴极保护需求的确定中规定：“阴极保护需求决策宜根据按照API 653 获取的检查数据、腐蚀调查、运行记录、类似环境中类似储罐系统的测试结果、国家、州以及地方规程要求和本文件中提供的建议为依据。”在5.1.1 新建地上储罐中规定：“在初步设计中，宜纳入新建地上储罐的阴极保护腐蚀控制，除非详细研究表明无需上述腐蚀控制”。

NACE RP193—2007《碳钢储罐罐底外壁阴极保护》地面钢质储罐外底板阴极保护第3 章中提出：“基础评估和阴极保护需求决定中并末对阴极保护需求的条件作出规定，只是要求收集尽量多的现场资料，如图纸、布置图、涂层、电力供应、环境等基础资料，然后根据罐底腐蚀情况、基础条件，已经获得的腐蚀数据来综合判断”。

鉴于以上标准和规范的要求，北方沿海地区储罐所处土壤为腐蚀性较强区域，在设计中采取阴极保护方案对罐底板可以起到比较有效的保护，同时有效降低安全和环保隐患。

北方沿海地区储罐阴极保护系统设计

阴极保护系统储罐参数

针对北方沿海地区L 新建码头储运生产基地开展系统设计，储罐规格参数见表1。

表1 阴极保护系统储罐规格参数

储罐阴极保护系统设计方案

本项目为新建储罐项目，储罐外底板阴极保护系统的设计依据主 要 为GB/T 50393—2017、API RP 651—2007、NACE RP193—2007、SY-T 0088—1995《钢制储罐罐底外壁阴极保护技术标准》。

储罐罐底阴极保护系统主要由保护系统和监测系统组成。保护系统主要包括导电聚合物柔性阳极、阳极电缆、阴极电缆、防爆接线箱等。监测系统主要包括参比电极及电缆、罐底阴极及阴极电缆、测试接线箱等。

对于新建油品和化学品储罐，最佳的保护方式是在罐底砂垫层中安装柔性阳极，阳极距离罐底150～300 mm，可以为罐外底板和边缘板提供均匀的保护，由于距离储罐底板很近，不会产生杂散电流的影响，解决屏蔽和干扰问题。阳极安装在砂垫层和罐底板之间，由于罐底安装的辅助阳极和参比电极均不可更换和维修，因此设计选用导电聚合物柔性阳极和长寿命铜/硫酸铜参比电极[4]。导电聚合物柔性阳极是导电聚合物为辅材的中心铜导体，优点在于不仅可以防止铜芯受化学腐蚀，保证电流的传输，还可以使小量的阴极保护电流不间断地扩散于导电聚合物辅层中，保证输出电流分布均匀。长寿命铜/硫酸铜参比电极能够有效测量储罐的电位，同时作为恒电位仪自动控制的信号源，提高腐蚀监测数据和阴极保护效果的稳定性和可靠性，在阴极保护系统中得到广泛应用。

储罐阴极保护系统设计要求

储罐底板阴极保护系统保护范围为储罐底板外侧与基础接触的表面。在沿海腐蚀性地区，考虑到土壤腐蚀类型、电阻率等情况，储罐的使用寿命超过40 年或更长，因此阴极保护系统设计寿命一般不小于40 年。

阴极保护面积计算应根据储罐规格参数确定，立式圆筒形储罐需要保护的面积为S=π×r2。经计算，以上北方沿海地区新建码头储运生产基地4 000.00 m3化学品储罐阴极保护面积为240.40 m2。根据储罐罐底保护面积和需要的电流密度值经过计算得到电流需求，电流密度值的选择要考虑到土壤电阻率等电化学特性和环境温度因素。按照以上数据，北方沿海地区储罐底板外侧阴极保护系统设计保护电流密度为10 mA/m2是比较合理的，在工艺计算时可适当保留10%的裕量。计算得到电流需求后，就可以进行罐底阳极的布置，罐底阳极材料的具体长度根据所选阳极的单位长度最大电流密度进行确定。

本项目储罐阴极保护准则的确定，在施加阴极保护后保护表面使用饱和Cu2+/CuSO4参比电极测得极化电位，至少达到-850 mV，测量电位时还要考虑“IR”降的影响。根据NACE RP193—2007 标准，在阴极保护极化形成或衰减时，测取被保护表面与回填土、稳定的参比电极之间的阴极极化电位差不应小于100 mV。

储罐底板外侧阴极保护系统电源设备应采用恒电位仪，按照恒电压和恒电流方式进行自动控制和手动控制方式，恒电位仪应为室外使用型，应具有抗过载、防雷、抗干扰、故障保护等功能，其印刷电路板应采取防潮、防盐雾、防细菌措施。

储罐阴极保护设计系统图及设计指标

以4 000.00 m3化学品储罐为例，该罐直径17.50 m，设计阴极保护系统，设计系统图如图3 所示。

图3 阴极保护系统设计系统示意

恒电位仪采用可控硅型，从技术可行性和投资经济性方面进行考虑，一台恒电位仪控制两座储罐罐底板外侧的阴极保护系统。恒电位仪技术性能要求见表2。

储罐底板外侧外加电流阴极保护系统的辅助阳极采用AFLX-1500型柔性阳极，柔性阳极的连接应采用配套的专用连接件。柔性阳极技术性能要求见表3。

表3 柔性阳极技术性能要求

长效Cu2+/CuSO4参比电极长期埋于地下，作为反馈信号源与恒电位仪连接，也可用于测量被保护体（罐底板）相对于腐蚀介质的电位。参比电极在甘汞电解槽中测试的电位正界限或负界限应控制在10 mV之内。长效Cu2+/CuSO4参比电极技术性能要求见表4。

表4 长效Cu2+/CuSO4参比电极技术性能要求

储罐阴极保护系统需注意的问题

为确保阴极保护系统的可靠性和安全、稳定运行，在设计中要从材料的选择和施工安装等方面做好质量控制，达到质量可靠和使用寿命长。

石油化工储罐的设计寿命一般在15～30 年，实际使用寿命甚至更长，因此阴极保护系统的设计设寿命一般为40 年。在主要材料的选型上要充分考虑到使用寿命的问题，本设计导电聚合物柔性阳极和对接接头选用进口品牌Seal for Life 公司AFLX1500 型，长效Cu2+/CuSO4参比电极选用进口品牌BORIN 公司Stelth 2 型。为了解决参比电极失效的问题，在施工过程中罐底混凝土环墙上沿储罐底板设置开孔槽的测试管，便于永久性参比电极失效后使用便携式参比电极进行测试[5]。

对于新建油品和化学品储罐，柔性阳极安装在距离罐底150～300 mm 的砂垫层上，阳极与导电连接片距离圈梁150～200 mm，施工敷设时避免错位和过度拉伸，采用专用焊机进行点焊连接，避免漏焊。施工过程中电缆长度合理下料，考虑到裕量，避免出现焊接接头，安装完毕后，回填土的厚度要满足设计要求，同时检验系统的连通性。

用于检测保护电位的参比电极应均匀敷设在储罐底部，安装前用清水浸泡一定时间，连接电缆通过预埋管引出基础环梁，安装前后应检查其连通性。

结论

通过对北方沿海地区新建储罐阴极保护系统的必要性分析和系统设计研究，按照规范要求做好储罐阴极保护系统设计不仅可以对罐底板外表面腐蚀进行有效控制，延长储罐使用寿命，还可有效减少安全环保隐患和风险。