储油罐底部阴极保护的选择

2023-01-09刘守家杨建飞

中国储运 2022年4期

文/刘守家杨建飞

阴极保护技术作为金属腐蚀防护的一种有效方法已在全世界得到了较为广泛的运用。现在埋地管道、地上储罐、地下储罐、水下管道等油品储运设备设施已经做到了阴极保护系统和油品储运设备设施共同设计、施工及投产，并取得了优异的效果，本文全面阐述了对于油罐底部阴极保护的重要性以及必要性，并且从阴极保护的原理以及使用过程中的技术关键问题进行了具体分析研究，并提出了选择方案，可明显取得安全可靠、降本节能的效果，满足工艺和使用要求。

近些年国内发生多起石油储罐事故，事故原因有罐体腐蚀、操作失误、雷击、静电、危险物质自燃等。其中罐底板腐蚀穿孔事故占储罐腐蚀事故比率最高，油罐底部在基础与罐体之间承受相当大的应力，而且底部受到大气水、杂质，含油污水、微生物等长时间污染，环境非常恶劣，最重要的是底部发生的一系列问题难以被发现，如果一旦发生腐蚀穿孔等问题就会造成油品泄漏、污染甚至火灾等重大事故，所以在保证安全性、可靠性、合规性的基础上，选择一个相对合理的阴极保护方式尤为重要。

一、阴极保护的工作原理

阴极保护基于电化学腐蚀原理，是用于预防金属腐蚀的手段。通过施加的电动势将电极的腐蚀电位移到较低的氧化电位，从而降低腐蚀速率。如果阴极电流施加到金属，整个腐蚀主电池的电位将以负方向偏移到金属阴极，从而减轻金属腐蚀。当外部电流施加到被腐蚀的金属表面，被保护结构物成为阴极，当施加的电流足够大，以致流进阳极区的电流可以抵消自然腐蚀电流，没有静电流离开金属表面，腐蚀则完全停止。

二、阴极保护的分类

阴极保护的方法有两种，分别是牺牲阳极阴极保护和外加电流阴极保护。

外加电流阴极保护是把被保护设备通以外部直流电源，电源的负极接到被保护的油品储运设备设施上，电源的正极接至辅助阳极。在外部电源的作用下，使被保护的油品储运设备设施的点位一直处于低于周围环境的状态，从而实现阴极保护。

牺牲阳极阴极保护是把还原性较强的金属材料与需要保护的油品储运设备设施相连接，构成原电池，利用电位差为需要保护的油品储运设备设施提供电子，降低电位，从而实现保护的方法（土壤中的牺牲阳极材料主要有镁、锌、镁合金、锌合金等）。

三、阴极保护效果判断

1.最小保护电位

被保护的油品储运设施通过负极电流或连接牺牲阳极后达到防护要求所需要的最小的负电位值，该电位指管线或储罐与地面的产生极化并起到保护作用的电位。最小保护电位与需要保护金属的化学成分和地下或水中造成腐蚀的成分有关；相对于建造在普通的水或者土壤中的金属材质的油品储罐，它的最小保护电位确定为-0.85V(相对于Cu/CuSO4电极)；当储罐所在的地方土壤或水中含有硫酸盐还原菌，在厌氧条件下硫酸盐还原菌(SRB)利用有机物还原硫酸根，生成硫化物，当硫酸根含量大于0.5%时，其最小保护电位确定为-0.95V(Cu/CuSO4电极)。

2.电位偏移指标

受保护的储油设施与参考电极或牺牲阳极之间的极化电位差不小于100mV；但在含硫酸盐还原菌或者高温土壤中，有杂散电流干扰或者电偶腐蚀的环境中不能采用此项指标。

3.最大保护电位

在阴极保护作用下，允许施加的最大的负电位值，称为最大保护电位。最大保护电位的极限一般根据腐蚀涂层和金属材料确定，在不影响腐蚀涂层的粘着力，同时不会引起高强度钢的氢脆等问题来考虑确定。GB/T21448-2017《埋地钢质管道阴极保护技术规范》4.4.3管道防腐层的限制临界电位E1不应比-1.20V（CSE）更负。

四、阴极保护方式的选择

1.腐蚀原因分析

油罐底板底面涂有防腐层，焊接方式热影响区域没有好的防腐方法。罐底板铺设在沥青砂保护层上。当沥青砂与底板紧密结合，底板边缘进行防渗处理时，底板表面将保持干燥，几乎无腐蚀。但由于各种因素的作用，底板下表面经长时间风吹日晒密封遭到破坏，水汽等腐蚀物质侵入底板，造成腐蚀环境，从而将储罐底板腐蚀。

储罐底板的边缘在受到环境温度变化和储罐储存介质量变化时，在罐底角“T”型焊缝区域产生变形，罐底角边缘板与罐基础会产生缝隙。生产过程中随着罐内油品高度的变化，罐底板随之发生变形，潮湿的空气会被吸到底板下面。当油罐底板边缘密封不好时，雨水也会渗透到底板下面，产生雨水或化学腐蚀。

当储罐表面湿度增加时，对金属表面腐蚀速度一般由氧气的供给速率控制。会发生电化学反应，反应如下：

阳极反应：Fe—2e→Fe2+

阴极反应：O2+2H2O+4e-→4OH-

总反应：2 Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2

进一步氧化4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3

当金属表面发现锈蚀层时，会形成一个类似储槽的位置，会存储氧气和水，所以说，金属表面如果形成锈蚀层，在干湿气体交替作用下，加剧了金属表面的腐蚀。

2.阴极保护准则

对于现阶段在储罐罐底外壁施加的阴极保护，已经有很多标准和规定，SY/0088—2016《钢制储罐罐底外壁阴极保护技术标准》：

1)正常在有阴极保护的情况下，测量值为罐底对地电位在-1200mV到850mV之间，但可能会出现误差的地方：在正确电位测量时，IR降误差为必须要考虑在内的一点，方法可参考以下，测量或计算IR降、检查阴极保护性能、确定罐底的土壤、湿度、水分、微生物等环境存在下的物理性能和电性能、及有没有存在腐蚀的可能。

2)相对于饱和铜或硫酸铜参比电极的罐/地极化电位为-1200mV到850mV之间。

3)储罐底部的金属和与其接触的土壤的阴极极化电位差应不小于100mV。

4)可沿用以上一项或全部参照方法。

3.保护方式的选择

根据不同的地理和使用环境，以及油品储运设备设施的状况和技术标准，在技术经济优选的情况下选择外加电流阴极保护或者牺牲阳极阴极保护。其中比较重要的影响因素为，被保护储罐的规格和数量、保护电流量、土壤性质、对临近构筑物的干扰、罐区系统未来的开发和扩建、阴极保护系统装设及维护费用等。

1)牺牲阳极法阴极保护：适用于体积小、直径小、距离短、涂层良好的油品储运设备设施，其不需要外部电源，安装维护成本低，容易安装，阳极更换方便，可随时增加阳极，提供均匀的电流分配，对临近的电子设备无干扰，不适用于高电阻环境，牺牲阳极需定期更换。

2)外接电源阴极保护：其本身需要较大的电流环境，可随时监测输出电流的情况，但对于已经投用的储罐，需要添加外加电流设备，后期还需专门进行管理及维护，安装维护成本高，对相邻电子设备干扰大，也极易受到杂散电流的影响造成电位漂移，适用于高电阻、体积大、直径大、距离长的储罐或管线。

根据库内需要被保护的油罐为已建完的储罐和容积的大小，结合以上阴极保护准则及选择条件，当储罐直径大于等于18m或土壤电阻率大于等于100Ω·m时，可确定选择外加电流阴极保护，其他环境根据经济状况可选用牺牲阳极法阴极保护的技术方案，这是对于已建的、被保护面积较小的设备采用牺牲阳极阴极保护方法是安全、经济、有效的好方法。

五、阴极保护设计

牺牲阳极的性能根据GB/T17731《镁合金牺牲阳极》国家标准，牺牲阳极设计计算应根据GB/T21448《埋地钢制管道阴极保护技术规范》国家标准，牺牲阳极应保证保护电流的均匀分布，在油罐周围均匀分布，与罐底边缘距离1-3m，埋设深度在1m以上，在冻土层以下，应避开油罐及其他设施接地极。

一般以镁基牺牲阳极和锌基牺牲阳极作为材料，镁基牺牲阳极适用于土壤电阻率在15Ω·m-150Ω·m环境，锌基牺牲阳极适用于土壤电阻率在15Ω·m以下环境，现用油罐区土壤电阻率在50Ω·m以上，因此镁基牺牲阳极更合适。应用时，为更好的监测油罐中心位置保护电位，必要时在油罐中心埋设参比电极，由于Cu/CuSO4参比电极在不同季节电位偏差较大，所以添加选用寿命较长的高纯锌参比电极，采用双电极体系，用来保证使用寿命及精度。

油库现有储罐为实际容量1031立方米的内浮顶锥底罐，盛装油料为3号喷气燃料，理论容量为1000立方，安全高度8.510m，罐高9.530m，内径12m，罐壁面积358.14平方米，钢板厚度上3.5圈板5mm，下3圈板6mm，内部涂料036，外部涂料聚胺脂，底板厚度6mm。

最小保护电位：-0.85V；

最大保护电位：-1.5 V；

保护电流密度：7 mA/m2；

牺牲阳极设计使用寿命：＞20a；

土壤电阻率：20Ω·m。

通过保护面积计算（S=πr2，油罐直径12m，得到保护面积为S=113.1 m2）、保护电流计算（I=iS、保护电流为I=791.7 mA）、阳极平均发生电流计算（la=1500fY/ρ，单支阳极输出电流0.0809A）、牺牲阳极数目计算（假设单只重量为16 Kg，接地电阻Ra为8Ω、可得，N=20只）

需要注意的是罐体与管网连接时，考虑到对储罐的干扰，应增加绝缘法兰，如现实情况不允许（绝缘两端存在电位差，增加防爆区内危险系数），可增设2只牺牲阳极，则共需镁阳极22只，按照以上的结果进行牺牲阳极使用寿命的计算，可得重量为16 Kg的单只镁阳极可使用超过20年。

经过现场检查勘测确定牺牲阳极距罐壁1-3 m，在油罐周围均匀布置。每个油罐22支镁阳极(单重16Kg),与罐体相连接，阳极平均间距为2-3m。在油罐进出管道两侧增加2只阳极。