柔性陽極在鋼制儲罐陰極保護中的應用

周紅濤

（上海道盾科技股份有限公司，上海 200126）

0 引言

在油氣儲運系統中，儲存是一個非常重要的環節，目前國內大多采用的是鋼制儲罐，也有少量的玻璃鋼、混凝土非金屬儲罐。

金屬儲罐經常受到外部環境和內部介質的影響引起的腐蝕，內腐蝕主要是罐內介質引起的；外部環境腐蝕主要有大氣腐蝕、土壤腐蝕、雜散電流干擾腐蝕等，其中大氣腐蝕主要靠油漆涂層等隔絕大氣中的水分、鹽分，已減免和降低腐蝕，土壤腐蝕和雜散電流腐蝕因接觸到大地，多采用陰極保護方式來阻止腐蝕。本文主要分析外環境中土壤環境引起的腐蝕。

土壤腐蝕的主要原因：

（1）土壤腐蝕性

目前金屬儲罐的基礎從下網上是墊土層、砂層、瀝青砂為主要結構，罐底板位于瀝青砂上面，由于儲罐內部介質的滿載和空載交替，四季溫度的變換，會使得瀝青砂層出現裂縫，造成罐底板下方地下水上升，形成腐蝕，而且隨著溫度的變化，使得罐底板水分蒸發，造成鹽分沉積，使得土壤腐蝕性增加；

（2）腐蝕電池

罐內介質的滿載和空載，會對罐底板形成不同的接觸面，不同的接觸面造成罐底板受力不同，而且罐四周與罐中心的透氣性不一致，這些都會引起氧濃差電池腐蝕；再有罐底板坐落在混凝土的圈梁上，圈梁的鋼筋結構隨著時間逐漸與罐底板形成電接觸，混凝土中的鋼筋電位比罐底板的電位不一致，形成腐蝕電池；

（3）雜散電流腐蝕

罐區周圍管線復雜，常見的有輸油管線、輸氣管線、消防水管線、接地網結構等，當罐區周邊的管線有陰極保護時，且管線與大罐無絕緣設施時，容易行成雜散電流腐蝕。

以上的腐蝕因素施加在油罐上的多發生為罐底板穿孔，根據相關管理要求，油罐5～7年有一個大修期，對已發現的腐蝕坑修補，但往往修補完成后短時間內又會發生腐蝕，其因腐蝕環境已經形成，腐蝕三要素已經具備，僅僅依靠修補，不能從源頭解決問題，此時采取的措施就是陰極保護。

1 罐底板陰極保護的設計

1.1 強制電流陰極系統的優勢

對于新建罐底板面積較大的儲罐，通常采用強制電流陰極保護方式，此保護方式輸出電壓電流可根據實際情況調整，而且儲罐隨著使用年限所需陰保電流也越來越大，強制電流方式比較適合。

強制電流系統由恒電位儀+輔助陽極地床+參比電極+陰極、陽極、零位、參比電纜組成，罐底板陰極保護系統的輔助陽極多采用柔性陽極，柔性陽極具有電流密度大、電流漏失小、電流分布均勻等特點。

1.2 柔性陽極的特點及應用

柔性陽極的結構：陽極芯材+焦炭+編織物+外部編織保護網，并根據陽極芯材質的不同，將柔性陽極分為兩種，一種是以導電聚合物為陽極的導電聚合物柔性陽極；另一種是MMO/Ti絲與內部銅電纜的組合體，其克服了第一種柔性陽極排流密度相對較小和不宜用于大排流密度的缺點，并結合了MMO/Ti陽極排流密度大、壽命長的技術優勢，是目前應用比較多的柔性陽極。

柔性陽極主要用于區域管網和儲罐外底板的陰極保護系統。通常是沿被保護構筑物平行敷設，間距取0.3m，陰極陽極之間電阻極低，在高電阻率土壤中也能提供良好的陰極保護效果。因為這種近距離敷設，且中間無其他金屬構筑物，使得柔性陽極可以將陰極保護電流均勻分布在被保護金屬結構物上，衰減極小，對于保護電位的控制調節提供了便利，而且抗干擾性極強。

2 案例介紹

2.1 項目概況

菏澤東明新建4座100000m3原油儲罐，儲罐直徑80m，罐底板直徑80.265m，設計壽命大于40年，每個儲罐外底板安裝1套陰極保護系統，陰極保護系統采用恒電位儀+MMO/Ti輔助陽極+硫酸銅長效參比電極+配套電纜組成。

2.2 技術要求

（1）原油儲罐底板下表面采用強制電流法陰極保護方式。輔助陽極采用MMO/Ti柔性陽極，陽極額定電流不小于52mA/m；參比電極采用進口Cu/CuSO4參比電極（壽命≥30年）和高純鋅參比電極（壽命≥40年）；

（2）施加陰極保護后，保護表面使用飽和Cu/CuSO4參比電極測得的極化電位至少達到-850mV或更負,以不負于-1.2V為界（相對于CSE參比電極）；

（3）在陰極保護極化形成或衰減時，被保護表面與回填土、穩定的參比電極之間的陰極極化電位差不應小于-100mV；

（4）當回填土介質中含有硫酸鹽還原菌時，保護表面測得的極化電位至少應達到-950mV或更負（相對于CSE 參比電極）；

（5）當土壤電阻率大于500Ω·m時，保護表面測得的極化電位至少應達到-750mV或更負（相對于CSE參比電極）。

2.3 技術方案

2.3.1 柔性陽極安裝技術方案

采用以儲罐底板中心為圓心，環形布置，從儲罐底板中心開始，依次為第一環，第二環，依此類推，直至第十環為止，共10環。每環之間間距為4.0m，第一環的直徑為4m，至最外邊環距離罐壁小于等于4m時完成布置。同時，每環兩端自帶電纜引出至儲罐外的陰極陽極接線箱內。在進行柔性陽極環敷設時，在陽極環的閉合位置，環兩端間距不大于0.3m。要求敷設間距的誤差不超過±0.1m。柔性陽極溝根據回填砂層的實際深度，開挖深度不低于250mm，寬度不低于200mm，沿開挖好的溝敷設柔性陽極及引線電纜，彈性敷設適當松弛，以保證其不會因儲罐底板的沉降而受力破壞，敷設完成后，測試陽極的導通性，并做好記錄。

2.3.2 參比電極安裝技術方案

參比電極是用來測量儲罐底板的陰極保護電位，并為恒電位儀提供參數信號，參比電極的位置應盡量靠近罐底板，并盡量遠離陽極，飽和Cu/CuSO4參比電極和高純Zn參比電極，兩種參比電極配合使用，系統運行前期使用長效飽和Cu/CuSO4參比電極，后期采用高純Zn參比電極進行監測和控制。長效 Cu/ CuSO4參比電極壽命不少于30年，高純鋅參比電極壽命不小于40年。兩個參比電極配合使用壽命不小于30年。

參比電極從罐中心開始，沿儲罐半徑方向，呈“一”字形設置，其連線與兩通電點的連線相垂直。罐底中心處為雙參比模式，設置1支長效CuSO4參比電極和1支Zn參比電極。所有參比電極經陰極接線箱后連接至恒電位儀。參比電極頂部距罐底外壁距離，為150～200mm。

表1 單臺儲罐外底板強制電流陰極保護柔性陽極設計數據表

表2 單臺儲罐外底板參比電極設計數據表

2.3.3 恒電位儀安裝技術方案

恒電位儀是為儲罐提供陰極保護電流的供電設備，需要連續供電電源保證，其容量計算如下：

（1）陽極接地電阻RN計算

陽極接地電阻計算公式為：

式中：ρ：土壤電阻率（Ω·m）；

r：柔性陽極的半徑（m）；

D：柔性陽極埋深（m）；

Q：電阻系數，取1.5。

經計算：

（2）恒電位儀容量選擇計算

式中：VREC為恒電位儀輸出電壓（V）；

I為所需總保護電流（A）；

RT為回路總電阻（Ω）；

Rw為導線電阻，陰、陽極接線按V V-0.6/1KV1×25mm2電纜計算，最大電阻為0.727Ω/km，長度按照600m計算，Rw=0.44Ω；Rc為被保護體的接地電阻，一般0.2Ω。

經計算得：

單臺100000m3儲罐陰保系統回路總電阻：

單臺100000m3儲罐恒電位儀輸出電壓：

表3 陽極接地電阻

考慮到儲罐運行后絕緣效果會逐漸減弱，后期所需要電流會逐漸增加，而輸出電壓會相應減小，實際恒電位儀的輸出電壓、 電流參數取（取整）：100000m3儲罐恒電位儀設計規格為：50V/75A。

2.4 效果測試

項目施工完成，場地內其他施工也已結束，無其他干擾情況，恒電位儀正式試運行48h后，確認罐底板充分極化，恒電位儀輸出值如表4所示。利用Flucke289C萬用表和預埋設硫酸銅參比電極和高純鋅極化探頭進行陰保參數測試，測試結果如表5所示。

表4 恒電位儀運行參數

表5 陰極保護參數測試

由表4可得出，陰極保護系統總輸出功率極低，設置電位與測量電位基本穩定，波動不大，陰極保護效果良好。總回路電阻稍高，因陰保站距離儲罐約300m，線阻較高，為排除線阻影響，在罐體邊的陽極接線箱使用ZC-8接地搖表測得柔性陽極接地電阻為0.8Ω，達到設計要求。

由表5可得出，斷電電位值均達到設計要求，保護效果良好。參比電極之間的測量值相差不大，罐底板與罐周邊保護電位相差20～150mV之間，落差不大，在容許范圍內，驗證了柔性陽極電流分布均勻、電流利用率高的特點。

3 結語

儲罐底板采用柔性陽極輔助地床的優點：

（1）柔性陽極距離被保護構筑物非常近，并與其全程平行分布，中間無其他金屬構筑物，可以充分保障電流的高利用率和電流的均勻分布；

（2）柔性陽極的接地電阻值小，整個陰保系統的輸出的功率極低，節能環保，對人和物的影響非常小。