海水タンクの一時的なカソード防食の計算と適用

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貯蔵タンクが海水中で腐食する主な原因は電気化学的腐食であり、つまり腐食過程において微小な電流が発生するのである。電気化学の原理からわかるように、腐食電池の陰極部分では腐食が起こらず、陽極部分のみで腐食が生じる。したがって、保護対象となる金属を陰極にすることで金属の腐食を防ぐことができ、この方法を陰極防食という。国際的な石油価格の影響を受け、国有企業や民間企業、特に地方の港湾において原油備蓄庫の建設プロジェクトが盛んに行われている。大型貯蔵タンクの施工過程において、水圧試験は不可欠な工程である。地域的条件や経済的条件を考慮すると、ほとんどの石油備蓄プロジェクトでは海水中での試験が行われる。試験中に海水が鋼板に与える腐食を減らすため、貯蔵タンクの該当箇所に一時的な陰極防食装置を設置する必要がある。陰極防食の形式や数を決定するために、GB50393-2008やその他の関連規格を参考にしながら、10万立方メートル級の貯蔵タンクを例にして必要な陰極防食装置の数を算出し、実際の工事に応用した。その結果、算出値の妥当性が確認された。大型貯蔵タンクの海水中での試験時には、一般的に犠牲陽極法が用いられる。

1 貯蔵タンクの基本パラメータ
1.1 貯蔵タンク内面の一時的な陰極防食パラメータ
1.3 タンクの直径：80メートル
1.4 海水中での試験時の最大水位：20.2メートル
1.5 地理的条件：海域の水質は良好で、河口ではない。海水の塩分濃度は比較的高く、鋼材に対する腐食性も強い。
1.6 一時的な陰極防食の期間：最長で65日

2 設計上の技術指標
2.1 陰極防食期間中の媒体の電位：-0.85V～-1.10V（Cu/CuSO4参照電極に対して）
2.2 保護範囲：フローティングタンクの下面、タンク底板の内面、タンク壁の内面
2.3 陰極防食期間：65日
2.4 保護効果：タンク本体は海水中で錆びない。鋼板上の既存の黄色い錆も洗い流される。排水後も、タンク壁を直ちに淡水で洗浄すれば、酸化による錆は生じない。ただし、フローティングタンクの下面やタンク底板の内面には少量のカルシウム・マグネシウム化合物が生成される。

3 設計計算
3.1 保護面積の計算
3.2 保護電流
3.2.1 電流密度の選定
今回の原油貯蔵タンクの試験期間は約65日であり、海洋工学における数十年間の使用とは異なり、初期段階では比較的小さな電流密度でよい。そうすることで、徐々にカルシウム・マグネシウムの保護層が形成され、理想的な保護電位に達する。このような過程は1ヶ月から半年程度で完了し、保護効果にも大きな影響はない。一方、貯蔵タンクの水圧試験期間は数十日しかないため、迅速に保護層が形成される必要がある。したがって、以下のような電流密度を選定する。
3.2.2 保護電流の計算

4 陽極の選定
陽極の選定にあたっては以下の条件を満たす必要がある：
(1) タンク全体の極化に必要な電流量が非常に多いため、各陽極からの電流量を最大化する必要がある。
(2) 一時的な陰極防食の期間は1～3ヶ月程度であり、最長でも半年程度なので、効率の良い陽極を選ぶことで無駄を減らす必要がある。
(3) 陽極の化学成分は、この海水環境下での陰極防食の極化速度に適合している必要がある。
(4) 一時的な保護期間中、陽極の材料はタンクの実際の要求に合致している必要があり、過剰なカルシウム・マグネシウム化合物が生成されてタンクの溶接部に付着し、除去が困難になることを避ける必要がある。
以上の条件を踏まえ、本設計では以下のような陽極を選定した：
(1) タンク底板の内面およびフローティングタンクの下面：型番HCAJ-D/10
(2) タンク壁：型番HCAJ-D/22
(3) 陽極の化学成分：HC製の鋼製貯蔵タンク用の一時的な陰極防食用陽極。

5 選定された陽極の抵抗値および発生電流の計算
0.85－陽極の使用係数
以上の計算により：
(1) フローティングタンクの下面にある各陽極からの発生電流は10.20Aで、使用寿命は77日である。
(2) タンク底板の内面にある各陽極からの発生電流も10.20Aで、使用寿命は77日である。
(3) タンク壁の内面にある各陽極からの発生電流は20.27Aで、使用寿命は85日である。
これらの計算により、各陽極は一時的な陰極防食の65日間の要件を満たしていることが確認された。

6 陽極の数の計算
IP12：タンク底板の内面に設置されているアルミニウム合金製の犠牲陽極からの発生電流量。

7 実際の適用効果
天津の石油備蓄基地の工事において、海水中での貯蔵タンクの水圧試験が行われた。上記の計算に基づき、アルミニウム・マグネシウム・インジウム・カドミウム合金製の陽極を用いて陰極防食を行った。試験終了後、陽極の保護効果が良好であり、海水による鋼板の腐食が大幅に減少したことが確認された。