中國和歐美儲罐陰極保護標準重要差異研究

蔣濤，李海，金海洋，李貴榮，馮建龍，路陽

1.中國石油管道局工程有限公司 燃氣分公司（河北 廊坊065000）

2.中油國際管道有限公司（北京 100029）

3.中國石油西南管道 天水輸油氣分公司（甘肅 天水741002）

4.中國石油吐哈油田分公司 工程技術研究院地面工程設計所（新疆 鄯善838202）

5.中國石油吐哈油田分公司 技術監測中心（新疆 鄯善838202）

儲罐是石油戰略儲備的重要基礎設施，減緩、控制儲罐腐蝕是預防儲罐微小滲漏或者緩慢泄漏事故的根本措施[1]。國內外儲罐廣泛應用的是強制電流陰極保護技術[2]，國際標準化組織制定了一系列儲罐陰極保護的設計、安裝和維護標準。儲罐腐蝕防護關注的問題是陰極保護電位準則、儲罐底板電位監測、儲罐基礎材料、電絕緣和儲罐防滲等方面[3]。為指導新建儲罐工程設計，近年來國外儲罐陰極保護標準已進行修訂和更新。研究了最新版美國標準API 651—2014、NACE SP 0285—2011和歐洲標準EN 16299—2013與我國標準SY/T 0088—2016在理念、做法和技術方面的差異。

1 國內外儲罐陰極保護標準簡介

1.1 國外標準

國外標準化組織制定的地上鋼質儲罐陰極保護標準包括美國石油學會標準API 651—2014《地上石油儲罐的陰極保護》、美國腐蝕工程師協會標準NACE SP 0285—2011《地下儲罐系統應用陰極保護的外腐蝕控制》和歐洲標準化委員會標準EN 16299—2013《與土地或基礎接觸的地上儲罐外表面陰極保護》，3項標準技術水平基本相當，其中EN是歐洲標準化文件中執行力最強的類型，歐盟成員國等同采用為國家標準。

1.2 中國標準

GB 50393—2008《鋼質石油儲罐防腐蝕工程技術規范》是儲罐防腐綜合性標準，且制定時間較早；我國儲罐陰極保護工程設計執行行業標準SY/T 0088—2016《鋼質儲罐罐底外壁陰極保護技術標準》，該標準編制過程中系統總結了我國儲罐防腐實踐經驗，同時參考國外標準的適用內容，基本代表了國內外21世紀初儲罐防腐技術水平。

2 國內外儲罐陰極保護標準差異分析

2.1 陰極保護電位準則

中國標準SY/T 0088—2016規定：儲罐陰極保護電位應處于-0.85～-1.2 V（相對飽和CuSO4參比電極，采用瞬時斷電測試電位），或者滿足陰極極化大于100 mV（但不適用于高溫環境、含硫酸鹽還原菌土壤和存在雜散電流的情形）。

美國標準API 651—2014規定：儲罐強制電流陰極保護技術應保證達到-0.85 V的保護電位；罐、地之間的陰極極化電位不低于100 mV。美國標準NACE SP 0285—2011規定：儲罐罐底外壁施加陰極保護應達到至少-0.85 V電位（去除儲罐/土壤之間的電壓降）；相對CuSo4參比電極至少-850 mV的極化電位；陰極極化電位最小值應為100 mV，并安裝斷電陰極保護試片，驗證陰極保護效果。

歐洲標準EN 16299—2013制定了多種運行工況條件和土壤環境類型下的儲罐陰極保護電位準則：①正常工況條件下，罐底土壤環境溫度小于40℃，陰極保護電位應小于-0.85 V；②高溫工況條件下，罐底土壤環境溫度大于60℃，陰極保護電位應小于-0.95 V；③罐底土壤區域電阻率100～1 000 Ω·m，陰極保護電位應負于-0.75 V；④罐底土壤區域電阻率大于1 000 Ω·m，陰極保護電位應負于-0.65 V。

針對陰極保護電位準則，中國標準規定了儲罐陰極保護電位上限值和下限值，美國和歐洲標準只規定了儲罐陰極保護電位下限值。相對國內采用儲罐底板涂層防腐結合瀝青砂防腐的做法，歐美儲罐底板制造較少采用防腐涂層或襯里工藝，不存在保護電位過負造成防腐涂層剝離的問題[4]。國內儲存重質、易凝高黏油品儲罐操作、運行和加熱溫度可能達到60℃，應考慮高溫工況對儲罐陰極保護系統的影響。歐洲標準規定了高溫環境、高/低電阻率土壤環境的儲罐陰極保護電位準則。美國標準提出安裝斷電陰極保護試片，驗證陰極保護效果的做法。歐美標準這兩項推薦做法具有借鑒意義。

2.2 陰極保護系統設計

中國標準SY/T 0088—2016規定陰極保護系統設計應收集的基礎資料：①總平面及罐區布置；②儲罐設計（竣工）資料；③可用電源條件；④儲存介質溫度；⑤可設置陰極保護間的位置；⑥電絕緣及電跨接；⑦電纜走向及敷設方式；⑧防爆區域分類；⑨儲罐維護、檢修記錄（罐底狀況、泄漏史）。

美國標準NACE SP 0285—2011規定強制電流陰極系統設計基礎資料包括：場地規劃和地下儲罐系統布置；管道、管件和其他附屬設施；泵和電力供應；已有的陰極保護系統；附近埋地金屬構筑物；場地易接近性；土壤條件，如電阻率、化學組成、通氣性、水含量；電絕緣；防腐層完整性；高溫；屏蔽；處理過的地下儲罐回填材料；異種金屬；混凝土/金屬界面；復雜因素。

針對陰極保護系統設計資料，中美標準均涵蓋站場、儲罐、電源、電纜和絕緣，而美國標準NACE SP 0285—2011還增加了場地易接近性、高溫因素；中國標準SY/T 0088—2016僅考慮土壤電阻率，美國標準NACE SP 0285—2011則考慮了多種土壤物性參數、防腐層參數和回填材料參數。建議儲罐陰極保護系統設計時可參考借鑒NACE SP 0285—2011做法，盡可能全面收集包括土壤腐蝕性等參數。

2.3 犧牲陽極材料

國內犧牲陽極常用鎂基或鋅基犧牲陽極。由于其消耗速率快，選擇犧牲陽極技術主要考慮實際應用的經濟性，或者應根據環境條件和保護要求選用（例如電流需求小、更換方便、使用時間短的情形）。

美國標準NACE SP 0285—2011指出3種最常用犧牲陽極是：標準鎂陽極、高電位的鎂陽極和高純度的鋅陽極。選擇犧牲陽極應根據被保護構筑物所需的電流、土壤條件和溫度，例如環境溫度高于49℃，不應使用鋅陽極，高溫使鋅陽極呈現鈍化特性，應使用鎂陽極；土壤中的碳酸鹽、重碳酸鹽和硝酸鹽，可能影響作為陽極材料的裸露鋅的性能。

中國標準SY/T 0088—2016針對選用犧牲陽極技術考慮因素較簡單。美國標準NACE SP 0285—2011規定了高純鋅陽極的使用條件。高寒區管道土壤凍結電阻率很高，采用強制電流保護方式，電流輸出很大，經濟性較差。俄羅斯干線管道和油氣站場均有采用犧牲陽極保護方式的案例。美國阿拉斯加管道采用分段犧牲陽極保護的方式，主管段采用連續的鋅帶陽極進行保護。

2.4 儲罐底板陰極保護電位監測

由于土壤/基礎電阻率和陽極設計埋深、布置方式等因素，儲罐底板電位分布存在差異，特別是大型儲罐更為顯著，罐周保護電位值不等于儲罐中心電位值。應考慮測定儲罐中心位置電位，以掌握儲罐真實保護狀況水平[5]。為便于同溝敷設施工，國內新建儲罐沿徑向設置參比電極，這種電位監測方式具有一定局限性。應在儲罐周邊設置測試點，同時在罐底中心區域均勻設置、安裝長效參比電極。

中國標準SY/T 0088—2016規定：監測點數量應保證儲罐腐蝕控制要求，罐周圍監測點不少于4個，罐底中心位置設監測點，其他位置根據儲罐面積適當增加監測點。美國標準NACE SP 0285—2011指出：已建儲罐可采用土壤斜向鉆孔方式，測試罐—地電位分布。美國標準API 651—2014規定：新建儲罐設置多個監測點，測試儲罐底板多個位置區域的罐—地電位，儲罐底板電位監測點數量見表1。

中國標準SY/T 0088—2016針對儲罐底板電位監測點數量為原則性要求，即未強制性規定監測點的具體數量。對于新建儲罐，如設計的監測點數量偏少，參比電極不能在罐底板均勻布置；對于在役儲罐在混凝土環墻內部設置電位監測點難度很大，不能全面掌握儲罐陰極保護水平[6]。針對小型儲罐（容積3 000 m3以下，儲罐直徑小于18 m），中美標準關于儲罐監測點數量差異不大，儲罐底板電位不均勻性也并不嚴重，現行標準滿足使用要求;對于大型儲罐監測點數量，中美標準存在較大差異，大型儲罐應考慮增加參比電極安裝數量。為保證數據全面、可靠，應借鑒美國標準關于儲罐監測點數量的規定[7]。

表1 美國標準API 651—2014對儲罐底板電位監測點要求

2.5 儲罐基礎層材料

中國標準SY/T 0088—2016未對儲罐底板基礎材料類型和性能參數提出要求。美國標準API 651—2014規定:罐底墊層材料應為顆粒均勻的細砂，砂子應經過篩選、清洗，無雜物，砂子電阻率、硫酸鹽含量和硫化氫含量滿足要求。砂墊層施工工藝質量要求按照0.15～0.20 m分層鋪設并進行機械壓實，壓實強度應達到ASTM D1557—2012規定的95%標準壓實密度值。歐洲標準EN 16299—2013也推薦采用砂墊層基礎，砂墊層應均勻粒徑細沙，經水清洗、篩選，不存在雜質。砂墊層pH值大于6.5弱堿性，氯離子含量小于0.01%。砂墊層施工和壓實過程中不能混入其他雜質等。

國內在役儲罐主要采用瀝青砂質的基礎層，優點是生產工藝簡單、價格低。但從應用效果看，儲罐運行多年后由于沉降問題，造成瀝青砂基礎層老化、壓裂，與儲罐底板外側產生空隙，導致儲罐底板發生加速充氣腐蝕或者氧濃差電池腐蝕等問題[8]；瀝青砂基礎層容易出現陰極保護系統局部區域的屏蔽或失效。蘇丹、伊拉克等國外儲罐項目，均認為陰極保護系統和瀝青砂是不兼容的做法，且爭議很多；美國和加拿大儲罐底板下主要采用素土涂敷，投資、施工成本低且不會導致陰極保護屏蔽。建議SY/T 0088—2016借鑒美國和歐洲標準，推薦儲罐基礎采用砂墊層材質，以及砂墊層材料質量和施工質量要求。

2.6 儲罐陰極保護系統電絕緣

中國標準SY/T 0088—2016規定了電氣設置接地、工藝管道/閥門絕緣法蘭（接頭）等陰極保護電絕緣做法。美國標準API 651—2014不推薦在相鄰儲罐、儲罐與工藝管道/閥門進行電隔離做法。美國標準NACE SP 0285—2011指出儲罐應與其他金屬構筑物電絕緣，儲罐連接管件應采用絕緣套管，或者絕緣法蘭。

從國內油氣站場電絕緣應用效果看，電絕緣防止陰極保護電流流失作用有限，儲罐可能通過接地網、地下金屬構筑物或者管道附件實現電進行聯通，油氣站場埋地設施眾多，電絕緣從技術角度不能完全實現電隔離[9]。目前較為公認的電絕緣做法是，在儲罐與管道連接設計中，盡可能考慮儲罐與管道之間的電絕緣，如果儲罐陰極保護與管道陰極保護屬于同一系統的情況下，可不考慮二者的電絕緣。

2.7 儲罐陰極保護系統試運轉

中國標準SY/T 0088—2016規定陰極保護系統在投運前，應測量儲罐所在區域土壤自然電位。陰極保護系統投運后，應及時測量和檢驗陰極保護參數。儲罐維修后，陰極保護系統應盡快重新啟動。美國標準NACE SP 0285—2011規定應根據設計參數啟動儲罐陰極保護系統試運轉，主要項目有：驗證與陰極保護準則符合性；陰極保護設備操作和電壓/電流輸出；外電供應可靠性評估；陰極保護類型（強制電流、犧牲陽極）；附近構筑物；安全風險等（第三方損壞）。

中國標準SY/T 0088—2016規定了陰極保護系統投產后進行檢測的要求，但側重于罐—地電位、陽極接地電阻等參數測試。美國標準NACE SP0285—2011則涵蓋陰極保護系統的運行、操作和維護，并提出供電可靠性、第三方損壞等安全風險的理念。建議儲罐陰極保護系統的試運轉引入安全風險的概念，以提高油氣站場安全管理水平。

2.8 儲罐底板防滲

中國標準SY/T 0088—2016未強制要求進行儲罐底板下防滲設計，相關規定是帶防滲膜墊層的儲罐陰極保護系統的輔助陽極應安裝在防滲層和罐底之間。美國標準API 651—2014分析比較了儲罐底板下安裝防滲膜的優缺點。優點是：暫時收集、保存泄漏油品，及時檢測泄漏和進行事故處置；防止地下水接觸罐底板產生腐蝕。缺點是：防滲膜可能造成陰極保護屏蔽；防滲膜和罐底空間狹小，安裝輔助陽極、參比電極難度大。防滲膜收集、儲存油品的排出、檢測需預先安裝光纖檢測系統和管件系統。

調研國內儲罐發生油品泄漏造成水體環境污染的案例[10]，發現國內儲罐及防火堤地面較少采取防滲措施，新建儲罐設計階段也較少考慮庫區防滲[11]，僅有若干新建儲罐在基礎層（環墻內側）鋪設HDPE防滲膜的案例。總體來看，美國標準API 651—2014原則上還是傾向于采用防滲措施的，具體做法是：在土壤滲透性較強的區域，新建儲罐底板下采用防滲措施，避免儲罐油品滲漏至地下水。

3 結束語

中國標準SY/T 0088—2016《鋼質儲罐罐底外壁陰極保護技術標準》作為我國儲罐防腐蝕領域的指導性文件，應持續、密切跟蹤國外儲罐陰極保護標準的修訂信息和發展趨勢，參考借鑒國外標準中普遍認可的推薦做法和實踐經驗，例如：多工況、多種土壤環境下的陰極保護準則，犧牲陽極材料應用條件，儲罐中心區域電位監測，砂墊層材料質量和施工工藝，儲罐陰極保護系統試運轉，儲罐底板下側防滲設計等。通過與國際標準接軌，不斷提升我國標準技術水平，進而科學指導我國儲罐陰極保護工程的設計和驗收。