中国和欧美储罐阴极保护标准重要差异研究

蒋涛，李海，金海洋，李贵荣，冯建龙，路阳

1.中国石油管道局工程有限公司 燃气分公司（河北 廊坊065000）

2.中油国际管道有限公司（北京 100029）

3.中国石油西南管道 天水输油气分公司（甘肃 天水741002）

4.中国石油吐哈油田分公司 工程技术研究院地面工程设计所（新疆 鄯善838202）

5.中国石油吐哈油田分公司 技术监测中心（新疆 鄯善838202）

储罐是石油战略储备的重要基础设施，减缓、控制储罐腐蚀是预防储罐微小渗漏或者缓慢泄漏事故的根本措施[1]。国内外储罐广泛应用的是强制电流阴极保护技术[2]，国际标准化组织制定了一系列储罐阴极保护的设计、安装和维护标准。储罐腐蚀防护关注的问题是阴极保护电位准则、储罐底板电位监测、储罐基础材料、电绝缘和储罐防渗等方面[3]。为指导新建储罐工程设计，近年来国外储罐阴极保护标准已进行修订和更新。研究了最新版美国标准API 651—2014、NACE SP 0285—2011和欧洲标准EN 16299—2013与我国标准SY/T 0088—2016在理念、做法和技术方面的差异。

1 国内外储罐阴极保护标准简介

1.1 国外标准

国外标准化组织制定的地上钢质储罐阴极保护标准包括美国石油学会标准API 651—2014《地上石油储罐的阴极保护》、美国腐蚀工程师协会标准NACE SP 0285—2011《地下储罐系统应用阴极保护的外腐蚀控制》和欧洲标准化委员会标准EN 16299—2013《与土地或基础接触的地上储罐外表面阴极保护》，3项标准技术水平基本相当，其中EN是欧洲标准化文件中执行力最强的类型，欧盟成员国等同采用为国家标准。

1.2 中国标准

GB 50393—2008《钢质石油储罐防腐蚀工程技术规范》是储罐防腐综合性标准，且制定时间较早；我国储罐阴极保护工程设计执行行业标准SY/T 0088—2016《钢质储罐罐底外壁阴极保护技术标准》，该标准编制过程中系统总结了我国储罐防腐实践经验，同时参考国外标准的适用内容，基本代表了国内外21世纪初储罐防腐技术水平。

2 国内外储罐阴极保护标准差异分析

2.1 阴极保护电位准则

中国标准SY/T 0088—2016规定：储罐阴极保护电位应处于-0.85～-1.2 V（相对饱和CuSO4参比电极，采用瞬时断电测试电位），或者满足阴极极化大于100 mV（但不适用于高温环境、含硫酸盐还原菌土壤和存在杂散电流的情形）。

美国标准API 651—2014规定：储罐强制电流阴极保护技术应保证达到-0.85 V的保护电位；罐、地之间的阴极极化电位不低于100 mV。美国标准NACE SP 0285—2011规定：储罐罐底外壁施加阴极保护应达到至少-0.85 V电位（去除储罐/土壤之间的电压降）；相对CuSo4参比电极至少-850 mV的极化电位；阴极极化电位最小值应为100 mV，并安装断电阴极保护试片，验证阴极保护效果。

欧洲标准EN 16299—2013制定了多种运行工况条件和土壤环境类型下的储罐阴极保护电位准则：①正常工况条件下，罐底土壤环境温度小于40℃，阴极保护电位应小于-0.85 V；②高温工况条件下，罐底土壤环境温度大于60℃，阴极保护电位应小于-0.95 V；③罐底土壤区域电阻率100～1 000 Ω·m，阴极保护电位应负于-0.75 V；④罐底土壤区域电阻率大于1 000 Ω·m，阴极保护电位应负于-0.65 V。

针对阴极保护电位准则，中国标准规定了储罐阴极保护电位上限值和下限值，美国和欧洲标准只规定了储罐阴极保护电位下限值。相对国内采用储罐底板涂层防腐结合沥青砂防腐的做法，欧美储罐底板制造较少采用防腐涂层或衬里工艺，不存在保护电位过负造成防腐涂层剥离的问题[4]。国内储存重质、易凝高黏油品储罐操作、运行和加热温度可能达到60℃，应考虑高温工况对储罐阴极保护系统的影响。欧洲标准规定了高温环境、高/低电阻率土壤环境的储罐阴极保护电位准则。美国标准提出安装断电阴极保护试片，验证阴极保护效果的做法。欧美标准这两项推荐做法具有借鉴意义。

2.2 阴极保护系统设计

中国标准SY/T 0088—2016规定阴极保护系统设计应收集的基础资料：①总平面及罐区布置；②储罐设计（竣工）资料；③可用电源条件；④储存介质温度；⑤可设置阴极保护间的位置；⑥电绝缘及电跨接；⑦电缆走向及敷设方式；⑧防爆区域分类；⑨储罐维护、检修记录（罐底状况、泄漏史）。

美国标准NACE SP 0285—2011规定强制电流阴极系统设计基础资料包括：场地规划和地下储罐系统布置；管道、管件和其他附属设施；泵和电力供应；已有的阴极保护系统；附近埋地金属构筑物；场地易接近性；土壤条件，如电阻率、化学组成、通气性、水含量；电绝缘；防腐层完整性；高温；屏蔽；处理过的地下储罐回填材料；异种金属；混凝土/金属界面；复杂因素。

针对阴极保护系统设计资料，中美标准均涵盖站场、储罐、电源、电缆和绝缘，而美国标准NACE SP 0285—2011还增加了场地易接近性、高温因素；中国标准SY/T 0088—2016仅考虑土壤电阻率，美国标准NACE SP 0285—2011则考虑了多种土壤物性参数、防腐层参数和回填材料参数。建议储罐阴极保护系统设计时可参考借鉴NACE SP 0285—2011做法，尽可能全面收集包括土壤腐蚀性等参数。

2.3 牺牲阳极材料

国内牺牲阳极常用镁基或锌基牺牲阳极。由于其消耗速率快，选择牺牲阳极技术主要考虑实际应用的经济性，或者应根据环境条件和保护要求选用（例如电流需求小、更换方便、使用时间短的情形）。

美国标准NACE SP 0285—2011指出3种最常用牺牲阳极是：标准镁阳极、高电位的镁阳极和高纯度的锌阳极。选择牺牲阳极应根据被保护构筑物所需的电流、土壤条件和温度，例如环境温度高于49℃，不应使用锌阳极，高温使锌阳极呈现钝化特性，应使用镁阳极；土壤中的碳酸盐、重碳酸盐和硝酸盐，可能影响作为阳极材料的裸露锌的性能。

中国标准SY/T 0088—2016针对选用牺牲阳极技术考虑因素较简单。美国标准NACE SP 0285—2011规定了高纯锌阳极的使用条件。高寒区管道土壤冻结电阻率很高，采用强制电流保护方式，电流输出很大，经济性较差。俄罗斯干线管道和油气站场均有采用牺牲阳极保护方式的案例。美国阿拉斯加管道采用分段牺牲阳极保护的方式，主管段采用连续的锌带阳极进行保护。

2.4 储罐底板阴极保护电位监测

由于土壤/基础电阻率和阳极设计埋深、布置方式等因素，储罐底板电位分布存在差异，特别是大型储罐更为显著，罐周保护电位值不等于储罐中心电位值。应考虑测定储罐中心位置电位，以掌握储罐真实保护状况水平[5]。为便于同沟敷设施工，国内新建储罐沿径向设置参比电极，这种电位监测方式具有一定局限性。应在储罐周边设置测试点，同时在罐底中心区域均匀设置、安装长效参比电极。

中国标准SY/T 0088—2016规定：监测点数量应保证储罐腐蚀控制要求，罐周围监测点不少于4个，罐底中心位置设监测点，其他位置根据储罐面积适当增加监测点。美国标准NACE SP 0285—2011指出：已建储罐可采用土壤斜向钻孔方式，测试罐—地电位分布。美国标准API 651—2014规定：新建储罐设置多个监测点，测试储罐底板多个位置区域的罐—地电位，储罐底板电位监测点数量见表1。

中国标准SY/T 0088—2016针对储罐底板电位监测点数量为原则性要求，即未强制性规定监测点的具体数量。对于新建储罐，如设计的监测点数量偏少，参比电极不能在罐底板均匀布置；对于在役储罐在混凝土环墙内部设置电位监测点难度很大，不能全面掌握储罐阴极保护水平[6]。针对小型储罐（容积3 000 m3以下，储罐直径小于18 m），中美标准关于储罐监测点数量差异不大，储罐底板电位不均匀性也并不严重，现行标准满足使用要求;对于大型储罐监测点数量，中美标准存在较大差异，大型储罐应考虑增加参比电极安装数量。为保证数据全面、可靠，应借鉴美国标准关于储罐监测点数量的规定[7]。

表1 美国标准API 651—2014对储罐底板电位监测点要求

2.5 储罐基础层材料

中国标准SY/T 0088—2016未对储罐底板基础材料类型和性能参数提出要求。美国标准API 651—2014规定:罐底垫层材料应为颗粒均匀的细砂，砂子应经过筛选、清洗，无杂物，砂子电阻率、硫酸盐含量和硫化氢含量满足要求。砂垫层施工工艺质量要求按照0.15～0.20 m分层铺设并进行机械压实，压实强度应达到ASTM D1557—2012规定的95%标准压实密度值。欧洲标准EN 16299—2013也推荐采用砂垫层基础，砂垫层应均匀粒径细沙，经水清洗、筛选，不存在杂质。砂垫层pH值大于6.5弱碱性，氯离子含量小于0.01%。砂垫层施工和压实过程中不能混入其他杂质等。

国内在役储罐主要采用沥青砂质的基础层，优点是生产工艺简单、价格低。但从应用效果看，储罐运行多年后由于沉降问题，造成沥青砂基础层老化、压裂，与储罐底板外侧产生空隙，导致储罐底板发生加速充气腐蚀或者氧浓差电池腐蚀等问题[8]；沥青砂基础层容易出现阴极保护系统局部区域的屏蔽或失效。苏丹、伊拉克等国外储罐项目，均认为阴极保护系统和沥青砂是不兼容的做法，且争议很多；美国和加拿大储罐底板下主要采用素土涂敷，投资、施工成本低且不会导致阴极保护屏蔽。建议SY/T 0088—2016借鉴美国和欧洲标准，推荐储罐基础采用砂垫层材质，以及砂垫层材料质量和施工质量要求。

2.6 储罐阴极保护系统电绝缘

中国标准SY/T 0088—2016规定了电气设置接地、工艺管道/阀门绝缘法兰（接头）等阴极保护电绝缘做法。美国标准API 651—2014不推荐在相邻储罐、储罐与工艺管道/阀门进行电隔离做法。美国标准NACE SP 0285—2011指出储罐应与其他金属构筑物电绝缘，储罐连接管件应采用绝缘套管，或者绝缘法兰。

从国内油气站场电绝缘应用效果看，电绝缘防止阴极保护电流流失作用有限，储罐可能通过接地网、地下金属构筑物或者管道附件实现电进行联通，油气站场埋地设施众多，电绝缘从技术角度不能完全实现电隔离[9]。目前较为公认的电绝缘做法是，在储罐与管道连接设计中，尽可能考虑储罐与管道之间的电绝缘，如果储罐阴极保护与管道阴极保护属于同一系统的情况下，可不考虑二者的电绝缘。

2.7 储罐阴极保护系统试运转

中国标准SY/T 0088—2016规定阴极保护系统在投运前，应测量储罐所在区域土壤自然电位。阴极保护系统投运后，应及时测量和检验阴极保护参数。储罐维修后，阴极保护系统应尽快重新启动。美国标准NACE SP 0285—2011规定应根据设计参数启动储罐阴极保护系统试运转，主要项目有：验证与阴极保护准则符合性；阴极保护设备操作和电压/电流输出；外电供应可靠性评估；阴极保护类型（强制电流、牺牲阳极）；附近构筑物；安全风险等（第三方损坏）。

中国标准SY/T 0088—2016规定了阴极保护系统投产后进行检测的要求，但侧重于罐—地电位、阳极接地电阻等参数测试。美国标准NACE SP0285—2011则涵盖阴极保护系统的运行、操作和维护，并提出供电可靠性、第三方损坏等安全风险的理念。建议储罐阴极保护系统的试运转引入安全风险的概念，以提高油气站场安全管理水平。

2.8 储罐底板防渗

中国标准SY/T 0088—2016未强制要求进行储罐底板下防渗设计，相关规定是带防渗膜垫层的储罐阴极保护系统的辅助阳极应安装在防渗层和罐底之间。美国标准API 651—2014分析比较了储罐底板下安装防渗膜的优缺点。优点是：暂时收集、保存泄漏油品，及时检测泄漏和进行事故处置；防止地下水接触罐底板产生腐蚀。缺点是：防渗膜可能造成阴极保护屏蔽；防渗膜和罐底空间狭小，安装辅助阳极、参比电极难度大。防渗膜收集、储存油品的排出、检测需预先安装光纤检测系统和管件系统。

调研国内储罐发生油品泄漏造成水体环境污染的案例[10]，发现国内储罐及防火堤地面较少采取防渗措施，新建储罐设计阶段也较少考虑库区防渗[11]，仅有若干新建储罐在基础层（环墙内侧）铺设HDPE防渗膜的案例。总体来看，美国标准API 651—2014原则上还是倾向于采用防渗措施的，具体做法是：在土壤渗透性较强的区域，新建储罐底板下采用防渗措施，避免储罐油品渗漏至地下水。

3 结束语

中国标准SY/T 0088—2016《钢质储罐罐底外壁阴极保护技术标准》作为我国储罐防腐蚀领域的指导性文件，应持续、密切跟踪国外储罐阴极保护标准的修订信息和发展趋势，参考借鉴国外标准中普遍认可的推荐做法和实践经验，例如：多工况、多种土壤环境下的阴极保护准则，牺牲阳极材料应用条件，储罐中心区域电位监测，砂垫层材料质量和施工工艺，储罐阴极保护系统试运转，储罐底板下侧防渗设计等。通过与国际标准接轨，不断提升我国标准技术水平，进而科学指导我国储罐阴极保护工程的设计和验收。