柔性阳极在钢制储罐阴极保护中的应用

周红涛

（上海道盾科技股份有限公司，上海 200126）

0 引言

在油气储运系统中，储存是一个非常重要的环节，目前国内大多采用的是钢制储罐，也有少量的玻璃钢、混凝土非金属储罐。

金属储罐经常受到外部环境和内部介质的影响引起的腐蚀，内腐蚀主要是罐内介质引起的；外部环境腐蚀主要有大气腐蚀、土壤腐蚀、杂散电流干扰腐蚀等，其中大气腐蚀主要靠油漆涂层等隔绝大气中的水分、盐分，已减免和降低腐蚀，土壤腐蚀和杂散电流腐蚀因接触到大地，多采用阴极保护方式来阻止腐蚀。本文主要分析外环境中土壤环境引起的腐蚀。

土壤腐蚀的主要原因：

（1）土壤腐蚀性

目前金属储罐的基础从下网上是垫土层、砂层、沥青砂为主要结构，罐底板位于沥青砂上面，由于储罐内部介质的满载和空载交替，四季温度的变换，会使得沥青砂层出现裂缝，造成罐底板下方地下水上升，形成腐蚀，而且随着温度的变化，使得罐底板水分蒸发，造成盐分沉积，使得土壤腐蚀性增加；

（2）腐蚀电池

罐内介质的满载和空载，会对罐底板形成不同的接触面，不同的接触面造成罐底板受力不同，而且罐四周与罐中心的透气性不一致，这些都会引起氧浓差电池腐蚀；再有罐底板坐落在混凝土的圈梁上，圈梁的钢筋结构随着时间逐渐与罐底板形成电接触，混凝土中的钢筋电位比罐底板的电位不一致，形成腐蚀电池；

（3）杂散电流腐蚀

罐区周围管线复杂，常见的有输油管线、输气管线、消防水管线、接地网结构等，当罐区周边的管线有阴极保护时，且管线与大罐无绝缘设施时，容易行成杂散电流腐蚀。

以上的腐蚀因素施加在油罐上的多发生为罐底板穿孔，根据相关管理要求，油罐5～7年有一个大修期，对已发现的腐蚀坑修补，但往往修补完成后短时间内又会发生腐蚀，其因腐蚀环境已经形成，腐蚀三要素已经具备，仅仅依靠修补，不能从源头解决问题，此时采取的措施就是阴极保护。

1 罐底板阴极保护的设计

1.1 强制电流阴极系统的优势

对于新建罐底板面积较大的储罐，通常采用强制电流阴极保护方式，此保护方式输出电压电流可根据实际情况调整，而且储罐随着使用年限所需阴保电流也越来越大，强制电流方式比较适合。

强制电流系统由恒电位仪+辅助阳极地床+参比电极+阴极、阳极、零位、参比电缆组成，罐底板阴极保护系统的辅助阳极多采用柔性阳极，柔性阳极具有电流密度大、电流漏失小、电流分布均匀等特点。

1.2 柔性阳极的特点及应用

柔性阳极的结构：阳极芯材+焦炭+编织物+外部编织保护网，并根据阳极芯材质的不同，将柔性阳极分为两种，一种是以导电聚合物为阳极的导电聚合物柔性阳极；另一种是MMO/Ti丝与内部铜电缆的组合体，其克服了第一种柔性阳极排流密度相对较小和不宜用于大排流密度的缺点，并结合了MMO/Ti阳极排流密度大、寿命长的技术优势，是目前应用比较多的柔性阳极。

柔性阳极主要用于区域管网和储罐外底板的阴极保护系统。通常是沿被保护构筑物平行敷设，间距取0.3m，阴极阳极之间电阻极低，在高电阻率土壤中也能提供良好的阴极保护效果。因为这种近距离敷设，且中间无其他金属构筑物，使得柔性阳极可以将阴极保护电流均匀分布在被保护金属结构物上，衰减极小，对于保护电位的控制调节提供了便利，而且抗干扰性极强。

2 案例介绍

2.1 项目概况

菏泽东明新建4座100000m3原油储罐，储罐直径80m，罐底板直径80.265m，设计寿命大于40年，每个储罐外底板安装1套阴极保护系统，阴极保护系统采用恒电位仪+MMO/Ti辅助阳极+硫酸铜长效参比电极+配套电缆组成。

2.2 技术要求

（1）原油储罐底板下表面采用强制电流法阴极保护方式。辅助阳极采用MMO/Ti柔性阳极，阳极额定电流不小于52mA/m；参比电极采用进口Cu/CuSO4参比电极（寿命≥30年）和高纯锌参比电极（寿命≥40年）；

（2）施加阴极保护后，保护表面使用饱和Cu/CuSO4参比电极测得的极化电位至少达到-850mV或更负,以不负于-1.2V为界（相对于CSE参比电极）；

（3）在阴极保护极化形成或衰减时，被保护表面与回填土、稳定的参比电极之间的阴极极化电位差不应小于-100mV；

（4）当回填土介质中含有硫酸盐还原菌时，保护表面测得的极化电位至少应达到-950mV或更负（相对于CSE 参比电极）；

（5）当土壤电阻率大于500Ω·m时，保护表面测得的极化电位至少应达到-750mV或更负（相对于CSE参比电极）。

2.3 技术方案

2.3.1 柔性阳极安装技术方案

采用以储罐底板中心为圆心，环形布置，从储罐底板中心开始，依次为第一环，第二环，依此类推，直至第十环为止，共10环。每环之间间距为4.0m，第一环的直径为4m，至最外边环距离罐壁小于等于4m时完成布置。同时，每环两端自带电缆引出至储罐外的阴极阳极接线箱内。在进行柔性阳极环敷设时，在阳极环的闭合位置，环两端间距不大于0.3m。要求敷设间距的误差不超过±0.1m。柔性阳极沟根据回填砂层的实际深度，开挖深度不低于250mm，宽度不低于200mm，沿开挖好的沟敷设柔性阳极及引线电缆，弹性敷设适当松弛，以保证其不会因储罐底板的沉降而受力破坏，敷设完成后，测试阳极的导通性，并做好记录。

2.3.2 参比电极安装技术方案

参比电极是用来测量储罐底板的阴极保护电位，并为恒电位仪提供参数信号，参比电极的位置应尽量靠近罐底板，并尽量远离阳极，饱和Cu/CuSO4参比电极和高纯Zn参比电极，两种参比电极配合使用，系统运行前期使用长效饱和Cu/CuSO4参比电极，后期采用高纯Zn参比电极进行监测和控制。长效 Cu/ CuSO4参比电极寿命不少于30年，高纯锌参比电极寿命不小于40年。两个参比电极配合使用寿命不小于30年。

参比电极从罐中心开始，沿储罐半径方向，呈“一”字形设置，其连线与两通电点的连线相垂直。罐底中心处为双参比模式，设置1支长效CuSO4参比电极和1支Zn参比电极。所有参比电极经阴极接线箱后连接至恒电位仪。参比电极顶部距罐底外壁距离，为150～200mm。

表1 单台储罐外底板强制电流阴极保护柔性阳极设计数据表

表2 单台储罐外底板参比电极设计数据表

2.3.3 恒电位仪安装技术方案

恒电位仪是为储罐提供阴极保护电流的供电设备，需要连续供电电源保证，其容量计算如下：

（1）阳极接地电阻RN计算

阳极接地电阻计算公式为：

式中：ρ：土壤电阻率（Ω·m）；

r：柔性阳极的半径（m）；

D：柔性阳极埋深（m）；

Q：电阻系数，取1.5。

经计算：

（2）恒电位仪容量选择计算

式中：VREC为恒电位仪输出电压（V）；

I为所需总保护电流（A）；

RT为回路总电阻（Ω）；

Rw为导线电阻，阴、阳极接线按V V-0.6/1KV1×25mm2电缆计算，最大电阻为0.727Ω/km，长度按照600m计算，Rw=0.44Ω；Rc为被保护体的接地电阻，一般0.2Ω。

经计算得：

单台100000m3储罐阴保系统回路总电阻：

单台100000m3储罐恒电位仪输出电压：

表3 阳极接地电阻

考虑到储罐运行后绝缘效果会逐渐减弱，后期所需要电流会逐渐增加，而输出电压会相应减小，实际恒电位仪的输出电压、 电流参数取（取整）：100000m3储罐恒电位仪设计规格为：50V/75A。

2.4 效果测试

项目施工完成，场地内其他施工也已结束，无其他干扰情况，恒电位仪正式试运行48h后，确认罐底板充分极化，恒电位仪输出值如表4所示。利用Flucke289C万用表和预埋设硫酸铜参比电极和高纯锌极化探头进行阴保参数测试，测试结果如表5所示。

表4 恒电位仪运行参数

表5 阴极保护参数测试

由表4可得出，阴极保护系统总输出功率极低，设置电位与测量电位基本稳定，波动不大，阴极保护效果良好。总回路电阻稍高，因阴保站距离储罐约300m，线阻较高，为排除线阻影响，在罐体边的阳极接线箱使用ZC-8接地摇表测得柔性阳极接地电阻为0.8Ω，达到设计要求。

由表5可得出，断电电位值均达到设计要求，保护效果良好。参比电极之间的测量值相差不大，罐底板与罐周边保护电位相差20～150mV之间，落差不大，在容许范围内，验证了柔性阳极电流分布均匀、电流利用率高的特点。

3 结语

储罐底板采用柔性阳极辅助地床的优点：

（1）柔性阳极距离被保护构筑物非常近，并与其全程平行分布，中间无其他金属构筑物，可以充分保障电流的高利用率和电流的均匀分布；

（2）柔性阳极的接地电阻值小，整个阴保系统的输出的功率极低，节能环保，对人和物的影响非常小。