文/劉守家 楊建飛

陰極保護技術作為金屬腐蝕防護的一種有效方法已在全世界得到了較為廣泛的運用?，F(xiàn)在埋地管道、地上儲罐、地下儲罐、水下管道等油品儲運設備設施已經(jīng)做到了陰極保護系統(tǒng)和油品儲運設備設施共同設計、施工及投產(chǎn)，并取得了優(yōu)異的效果，本文全面闡述了對于油罐底部陰極保護的重要性以及必要性，并且從陰極保護的原理以及使用過程中的技術關鍵問題進行了具體分析研究，并提出了選擇方案，可明顯取得安全可靠、降本節(jié)能的效果，滿足工藝和使用要求。

近些年國內(nèi)發(fā)生多起石油儲罐事故，事故原因有罐體腐蝕、操作失誤、雷擊、靜電、危險物質自燃等。其中罐底板腐蝕穿孔事故占儲罐腐蝕事故比率最高，油罐底部在基礎與罐體之間承受相當大的應力，而且底部受到大氣水、雜質，含油污水、微生物等長時間污染，環(huán)境非常惡劣，最重要的是底部發(fā)生的一系列問題難以被發(fā)現(xiàn)，如果一旦發(fā)生腐蝕穿孔等問題就會造成油品泄漏、污染甚至火災等重大事故，所以在保證安全性、可靠性、合規(guī)性的基礎上，選擇一個相對合理的陰極保護方式尤為重要。

一、陰極保護的工作原理

陰極保護基于電化學腐蝕原理，是用于預防金屬腐蝕的手段。通過施加的電動勢將電極的腐蝕電位移到較低的氧化電位，從而降低腐蝕速率。如果陰極電流施加到金屬，整個腐蝕主電池的電位將以負方向偏移到金屬陰極，從而減輕金屬腐蝕。當外部電流施加到被腐蝕的金屬表面，被保護結構物成為陰極，當施加的電流足夠大，以致流進陽極區(qū)的電流可以抵消自然腐蝕電流，沒有靜電流離開金屬表面，腐蝕則完全停止。

二、陰極保護的分類

陰極保護的方法有兩種，分別是犧牲陽極陰極保護和外加電流陰極保護。

外加電流陰極保護是把被保護設備通以外部直流電源，電源的負極接到被保護的油品儲運設備設施上，電源的正極接至輔助陽極。在外部電源的作用下，使被保護的油品儲運設備設施的點位一直處于低于周圍環(huán)境的狀態(tài)，從而實現(xiàn)陰極保護。

犧牲陽極陰極保護是把還原性較強的金屬材料與需要保護的油品儲運設備設施相連接，構成原電池，利用電位差為需要保護的油品儲運設備設施提供電子，降低電位，從而實現(xiàn)保護的方法（土壤中的犧牲陽極材料主要有鎂、鋅、鎂合金、鋅合金等）。

三、陰極保護效果判斷

1.最小保護電位

被保護的油品儲運設施通過負極電流或連接犧牲陽極后達到防護要求所需要的最小的負電位值，該電位指管線或儲罐與地面的產(chǎn)生極化并起到保護作用的電位。最小保護電位與需要保護金屬的化學成分和地下或水中造成腐蝕的成分有關；相對于建造在普通的水或者土壤中的金屬材質的油品儲罐，它的最小保護電位確定為-0.85V(相對于Cu/CuSO4電極)；當儲罐所在的地方土壤或水中含有硫酸鹽還原菌，在厭氧條件下硫酸鹽還原菌(SRB)利用有機物還原硫酸根，生成硫化物，當硫酸根含量大于0.5%時，其最小保護電位確定為-0.95V(Cu/CuSO4電極)。

2.電位偏移指標

受保護的儲油設施與參考電極或犧牲陽極之間的極化電位差不小于100mV；但在含硫酸鹽還原菌或者高溫土壤中，有雜散電流干擾或者電偶腐蝕的環(huán)境中不能采用此項指標。

3.最大保護電位

在陰極保護作用下，允許施加的最大的負電位值，稱為最大保護電位。最大保護電位的極限一般根據(jù)腐蝕涂層和金屬材料確定，在不影響腐蝕涂層的粘著力，同時不會引起高強度鋼的氫脆等問題來考慮確定。GB/T21448-2017《埋地鋼質管道陰極保護技術規(guī)范》4.4.3管道防腐層的限制臨界電位E1不應比-1.20V（CSE）更負。

四、陰極保護方式的選擇

1.腐蝕原因分析

油罐底板底面涂有防腐層，焊接方式熱影響區(qū)域沒有好的防腐方法。罐底板鋪設在瀝青砂保護層上。當瀝青砂與底板緊密結合，底板邊緣進行防滲處理時，底板表面將保持干燥，幾乎無腐蝕。但由于各種因素的作用，底板下表面經(jīng)長時間風吹日曬密封遭到破壞，水汽等腐蝕物質侵入底板，造成腐蝕環(huán)境，從而將儲罐底板腐蝕。

儲罐底板的邊緣在受到環(huán)境溫度變化和儲罐儲存介質量變化時，在罐底角“T”型焊縫區(qū)域產(chǎn)生變形，罐底角邊緣板與罐基礎會產(chǎn)生縫隙。生產(chǎn)過程中隨著罐內(nèi)油品高度的變化，罐底板隨之發(fā)生變形，潮濕的空氣會被吸到底板下面。當油罐底板邊緣密封不好時，雨水也會滲透到底板下面，產(chǎn)生雨水或化學腐蝕。

當儲罐表面濕度增加時，對金屬表面腐蝕速度一般由氧氣的供給速率控制。會發(fā)生電化學反應，反應如下：

陽極反應：Fe—2e→Fe2+

陰極反應：O2+2H2O+4e-→4OH-

總反應：2 Fe+O2+2H2O=2Fe(OH)2

進一步氧化4Fe(OH)2+O2+2H2O=4Fe(OH)3

當金屬表面發(fā)現(xiàn)銹蝕層時，會形成一個類似儲槽的位置，會存儲氧氣和水，所以說，金屬表面如果形成銹蝕層，在干濕氣體交替作用下，加劇了金屬表面的腐蝕。

2.陰極保護準則

對于現(xiàn)階段在儲罐罐底外壁施加的陰極保護，已經(jīng)有很多標準和規(guī)定，SY/0088—2016《鋼制儲罐罐底外壁陰極保護技術標準》：

1)正常在有陰極保護的情況下，測量值為罐底對地電位在-1200mV到850mV之間，但可能會出現(xiàn)誤差的地方：在正確電位測量時，IR降誤差為必須要考慮在內(nèi)的一點，方法可參考以下，測量或計算IR降、檢查陰極保護性能、確定罐底的土壤、濕度、水分、微生物等環(huán)境存在下的物理性能和電性能、及有沒有存在腐蝕的可能。

2)相對于飽和銅或硫酸銅參比電極的罐/地極化電位為-1200mV到850mV之間。

3)儲罐底部的金屬和與其接觸的土壤的陰極極化電位差應不小于100mV。

4)可沿用以上一項或全部參照方法。

3.保護方式的選擇

根據(jù)不同的地理和使用環(huán)境，以及油品儲運設備設施的狀況和技術標準，在技術經(jīng)濟優(yōu)選的情況下選擇外加電流陰極保護或者犧牲陽極陰極保護。其中比較重要的影響因素為，被保護儲罐的規(guī)格和數(shù)量、保護電流量、土壤性質、對臨近構筑物的干擾、罐區(qū)系統(tǒng)未來的開發(fā)和擴建、陰極保護系統(tǒng)裝設及維護費用等。

1)犧牲陽極法陰極保護：適用于體積小、直徑小、距離短、涂層良好的油品儲運設備設施，其不需要外部電源，安裝維護成本低，容易安裝，陽極更換方便，可隨時增加陽極，提供均勻的電流分配，對臨近的電子設備無干擾，不適用于高電阻環(huán)境，犧牲陽極需定期更換。

2)外接電源陰極保護：其本身需要較大的電流環(huán)境，可隨時監(jiān)測輸出電流的情況，但對于已經(jīng)投用的儲罐，需要添加外加電流設備，后期還需專門進行管理及維護，安裝維護成本高，對相鄰電子設備干擾大，也極易受到雜散電流的影響造成電位漂移，適用于高電阻、體積大、直徑大、距離長的儲罐或管線。

根據(jù)庫內(nèi)需要被保護的油罐為已建完的儲罐和容積的大小，結合以上陰極保護準則及選擇條件，當儲罐直徑大于等于18m或土壤電阻率大于等于100Ω·m時，可確定選擇外加電流陰極保護，其他環(huán)境根據(jù)經(jīng)濟狀況可選用犧牲陽極法陰極保護的技術方案，這是對于已建的、被保護面積較小的設備采用犧牲陽極陰極保護方法是安全、經(jīng)濟、有效的好方法。

五、陰極保護設計

犧牲陽極的性能根據(jù)GB/T17731《鎂合金犧牲陽極》國家標準，犧牲陽極設計計算應根據(jù)GB/T21448《埋地鋼制管道陰極保護技術規(guī)范》國家標準，犧牲陽極應保證保護電流的均勻分布，在油罐周圍均勻分布，與罐底邊緣距離1-3m，埋設深度在1m以上，在凍土層以下，應避開油罐及其他設施接地極。

一般以鎂基犧牲陽極和鋅基犧牲陽極作為材料，鎂基犧牲陽極適用于土壤電阻率在15Ω·m-150Ω·m環(huán)境，鋅基犧牲陽極適用于土壤電阻率在15Ω·m以下環(huán)境，現(xiàn)用油罐區(qū)土壤電阻率在50Ω·m以上，因此鎂基犧牲陽極更合適。應用時，為更好的監(jiān)測油罐中心位置保護電位，必要時在油罐中心埋設參比電極，由于Cu/CuSO4參比電極在不同季節(jié)電位偏差較大，所以添加選用壽命較長的高純鋅參比電極，采用雙電極體系，用來保證使用壽命及精度。

油庫現(xiàn)有儲罐為實際容量1031立方米的內(nèi)浮頂錐底罐，盛裝油料為3號噴氣燃料，理論容量為1000立方，安全高度8.510m，罐高9.530m，內(nèi)徑12m，罐壁面積358.14平方米，鋼板厚度上3.5圈板5mm，下3圈板6mm，內(nèi)部涂料036，外部涂料聚胺脂，底板厚度6mm。

最小保護電位：-0.85V；

最大保護電位：-1.5 V；

保護電流密度：7 mA/m2；

犧牲陽極設計使用壽命：＞20a；

土壤電阻率：20Ω·m。

通過保護面積計算（S=πr2，油罐直徑12m，得到保護面積為S=113.1 m2）、保護電流計算（I=iS、保護電流為I=791.7 mA）、陽極平均發(fā)生電流計算（la=1500fY/ρ，單支陽極輸出電流0.0809A）、犧牲陽極數(shù)目計算（假設單只重量為16 Kg，接地電阻Ra為8Ω、可得，N=20只）

需要注意的是罐體與管網(wǎng)連接時，考慮到對儲罐的干擾，應增加絕緣法蘭，如現(xiàn)實情況不允許（絕緣兩端存在電位差，增加防爆區(qū)內(nèi)危險系數(shù)），可增設2只犧牲陽極，則共需鎂陽極22只，按照以上的結果進行犧牲陽極使用壽命的計算，可得重量為16 Kg的單只鎂陽極可使用超過20年。

經(jīng)過現(xiàn)場檢查勘測確定犧牲陽極距罐壁1-3 m，在油罐周圍均勻布置。每個油罐22支鎂陽極(單重16Kg),與罐體相連接，陽極平均間距為2-3m。在油罐進出管道兩側增加2只陽極。

六、設計中應注意的其他問題

1.要求鎂陽極表面清潔、平滑，無明顯鑄造缺陷。

2.陽極體不應與儲罐或管道直接接觸。

3.在油罐基礎施工時，要盡量提高瀝青砂防護層的施工質量。

4.采取預包裝陽極時，需測試陽極和導線的電連續(xù)性，包裝袋應為棉麻織品。

5.采取非預包裝陽極時，犧牲陽極應在專用填包料的中心，回填時應澆水濕潤。

6.所有焊接處應采取防腐措施，并且設置測試樁進行連接。

7.犧牲陽極所用的電纜在土壤中埋設深度要求在凍土層以下，并超過0.7m，并且留有足夠長的余量。

七、使用中的維護

罐底板下須保持底板的密封干燥。根據(jù)要求進行檢查、維護，對地電位、陽極接觸電阻、參比電極有效性、保護電位，測試樁的維護測量檢查保養(yǎng)，建議每月測定各參數(shù)。據(jù)此分析保護狀況。

通過以上的論述證明對于無陰極保護的儲罐，選擇犧牲陽極的陰極保護方法是相對安全可靠節(jié)約成本的方法。C