儲油罐接地材料陰極保護的適用性

熊小琴,楊 君,官學源

(1. 中國石油大學(北京)克拉瑪依校區(qū)，克拉瑪依 834000; 2. 新疆油田公司油氣儲運公司，克拉瑪依 834000;3. 中國石油管道局工程有限公司 東北分公司)

隨著我國石油工業(yè)的不斷發(fā)展，原油處理和加工量迅速增加，原油儲罐需求大量增長。儲油罐在運行過程中，底板會產(chǎn)生嚴重腐蝕，因此通常采用陰極保護作為其防腐蝕措施，即在油罐周圍安裝陽極，利用犧牲陽極保護陰極的原理，迫使流入儲油罐底板的電流通過陽極金屬，使陽極金屬原子失去電子而變成離子，完成對儲油罐底板的保護[1]。

關于儲油罐外底板接地材料，目前主要關注其導電性和耐蝕性，而接地設計參照電氣化專業(yè)的標準，不同于陰極保護標準[2]，該標準只注重接地材料的導電性和接地電阻，不考慮接地材料與陰極保護相容性方面的要求，故往往選擇導電性好的材料，如銅、石墨接地模塊、銅電解離子接地棒等。然而，這些材料的電位都正于碳鋼，當其與碳鋼儲油罐連接，若儲油罐未施加陰極保護，則會發(fā)生電偶腐蝕；若儲油罐施加陰極保護，這些材料則會消耗大量陰極保護電流，出現(xiàn)接地材料和陰極保護不相容的情況。因此，有必要對儲油罐接地材料的陰極保護適用性進行研究，以為儲油罐的陰極保護優(yōu)化設計提供參考。

目前，國內(nèi)使用的接地材料主要有碳鋼、銅、鍍鋅鋼、非金屬低電阻模塊以及電解離子等[3-4]。其中，碳鋼、銅和鍍鋅鋼接地材料是較傳統(tǒng)的接地材料，金屬低電阻模塊及電解離子接地材料是新型接地材料。銅接地材料具有良好的導電性和耐腐蝕性能，但其電位比碳鋼的正且造價昂貴；鍍鋅鋼接地材料應用廣泛，造價較低、熱穩(wěn)定性好、耐蝕性好，但鍍鋅層的厚度限制了其使用壽命；碳鋼材料的耐蝕性較差，目前應用較少。本工作主要研究了這三種接地材料的陰極保護適用性問題。

1 概念

1.1 自腐蝕電位

金屬材料浸泡于介質(zhì)中都有一定的電位，稱為該金屬的自腐蝕電位。自腐蝕電位可表示金屬失去電子的難易程度，自腐蝕電位愈負愈容易失去電子。失去電子的部位為陽極區(qū)，得到電子的部位為陰極區(qū)。陽極區(qū)金屬失去電子發(fā)生氧化反應，因此陽極金屬被腐蝕(如鐵原子失去電子而變成鐵離子溶入土壤)。

1.2 最小保護電位

金屬達到完全保護所需要的最低電位值，即陰極保護時，使金屬停止腐蝕所需達到的最小電位值。自1928年美國J.柯恩通過試驗發(fā)現(xiàn)-0.85 V(相對于銅/硫酸銅電極，CSE，下同)能控制電化學腐蝕后，經(jīng)過實踐考驗，此電位成為了公認的最小保護電位[5-7]。

1.3 最大保護電位

保護電位不是愈低愈好，過低的保護電位會造成防腐蝕層漏點處大量析出氫氣，造成涂層脫離(即陰極剝離)，這不僅會使防腐蝕層失效、消耗大量電能，還會導致金屬材料產(chǎn)生氫脆而發(fā)生氫脆斷裂，所以需控制保護電位稍高于析氫電位值，一般取-1.20 V(CSE)[8-10]，此電位稱為最大保護電位，超過此電位為“過保護”。

2 室內(nèi)模擬試驗

2.1 試驗元件及條件

試驗采用直徑1.5 m的模擬儲油罐底板(底板涂裝環(huán)氧防腐蝕涂料)、MMO管狀輔助陽極、銅/硫酸銅參比電極、整流器(10 A/15 V)、墊高土層(0.5 m)、環(huán)境溫度20 ℃、土壤濕度5%、接地材料有扁鋼、銅、鍍鋅扁鋼。

2.2 試驗方法

(1) 預埋輔助陽極，埋深500 mm，連接陽極線待接至整流器。

(2) 預埋參比電極，埋深100 mm，連接好參比引線待用。

(3) 分別埋設不同接地，埋深100 mm，通過螺栓與模擬儲油罐壁連接。

(4) 將罐底極化至一定電位，測試三種接地材料連通和斷開時，所需的電流，通過計算連通接地和斷開接地的電流差，得出每種接地材料對陰極保護的影響。模擬試驗測試圖見圖1。

圖1 模擬試驗Fig. 1 Simulation test chart

3 結(jié)果與討論

由圖2可見：在相同試驗條件下，鍍鋅扁鋼接地材料的腐蝕電位最低，碳鋼接地材料的次之，銅接地材料的腐蝕電位最正。將儲油罐極化至-1.20 V,-0.85 V,-1.0 V，測試不同接地材料對陰極保護電流的影響情況，結(jié)果見表1。

圖2 各種材料在3.5% NaCl 溶液中等的自腐蝕電位Fig. 2 Free corrosion potential of various materials in 3.5% NaCl solution

由表1可見：儲油罐極化至-0.85 V時，扁鋼和銅接地材料的消耗電流占比較大，分別為陰極保護電流的92.1%和94.8%，而鍍鋅扁鋼接地不僅沒有消耗陰極保護電流，還能起到犧牲陽極的作用,使儲油罐電位提高到-0.85 V；儲油罐極化至-1.0 V，扁鋼和銅接地材料消耗電流比-0.85 V極化電位條件下的稍低，分別為陰保電流的88.8%和93.5%，而此時鍍鋅扁鋼接地也消耗了39.0%的陰保電流；當儲油罐極化至-1.20 V，這三種接地材料所消耗的陰保電流都超過70%，其中，扁鋼接地消耗的為85.9%，銅接地的為92.3%，鍍鋅扁鋼接地的為74.2%。

表1 不同極化電位條件下三種接地材料的消耗電流情況Tab. 1 Current consumption of three grounding materials under different polarization potentialsion conditions

電流測試結(jié)果表明：當儲油罐極化至-0.85，-1.0，-1.20 V時，扁鋼和銅接地材料都消耗了約90%的陰保電流，即大量陰保電流都通過這些接地材料泄漏。這是因為接地材料在土壤中的電位較正，當其與被保護的儲油罐相連時，陰極保護電流大部分都通過土壤流到這些裸露的接地材料，而需要保護的儲油罐得到的陰保電流卻很少。因此，扁鋼和銅接地材料不適用于儲油罐的陰極保護接地材料。

采用鍍鋅扁鋼接地，由于鍍鋅扁鋼的腐蝕電位約為-0.95 V，當儲油罐的陰保電位極化至-0.85～-0.9 V時，鍍鋅扁鋼接地材料基本不會消耗陰保電流，此時，鍍鋅扁鋼接地材料可以作為儲油罐的陰極保護接地材料。然而，隨著埋地時間的增長，鍍鋅層消耗后也會消耗大量陰保電流。當陰極電位為-1.20 V時，鍍鋅接地材料會消耗約70%陰保電流。

4 解決措施

傳統(tǒng)的鍍鋅鋼管雖然在一定程度上起到陰極保護的作用，但由于鍍鋅層厚度不足，并且在運行過程中鍍鋅層作為陰極消耗較快。可以采取犧牲陽極代替?zhèn)鹘y(tǒng)慣用銅和鋼接地極。

此外，對于新建儲油罐，將陽極置于防滲膜內(nèi)部，接地極裝在防滲膜外部，如圖3所示。這樣防滲膜不僅可以阻斷陰極保護電流向接地極流失，還能防止儲油罐底板滲漏的油品向地下滲透而污染地下水。防滲膜一般采用厚2 mm且具有一定韌性及強度的PVC塑料膜，并保證其搭接寬度大于200 mm。

圖3 采用防滲膜接地形式示意圖Fig. 3 The grounding form of the impermeable membrane

接地電池是可以提供一個低電阻通道，排放強電電流但不泄漏陰保直流電流的一種裝置。通常，接地電池處于開路狀態(tài)，當儲油罐遭受雷擊或產(chǎn)生故障電壓時，接地電池會導通，并將產(chǎn)生的電流釋放到大地中。接地電池應滿足工作電壓為40 V，電流排放為100 kA的要求。對于已建儲油罐，如果要增加陰極保護系統(tǒng)，則應同時改造接地極，如安裝接地電池，使陰極保護真正發(fā)揮作用。

5 結(jié)論

(1) 將儲油罐分別極化到-0.85，-1.0，-1.20 V，扁鋼和銅接地材料均要消耗約90%的陰保電流，扁鋼和銅接地材料不適用于儲油罐陰極保護接地材料。

(2) 采用鍍鋅扁鋼接地時，當儲油罐的陰保電位為-0.85～-0.95 V時，鍍鋅扁鋼接地材料基本不會消耗陰保電流，此時，鍍鋅扁鋼接地材料適用于儲油罐陰極保護接地材料。但鍍鋅層消耗較快，可以采用犧牲陽極的方法來解決此問題。

(3) 在儲油罐基礎中敷設防滲膜，已建儲油罐防雷接地線中安裝接地電池，同樣能對儲油罐的陰極保護起到積極作用。