原油儲(chǔ)罐邊緣板腐蝕因素分析及對(duì)策研究

王 申, 雷 靜, 王路路

(1.中國(guó)石油錦州石化公司，遼寧 錦州 121000；2.中國(guó)石油蘭州石化公司，甘肅 蘭州 730060；3.荊門利盛石化工貿(mào)有限公司，湖北 荊門 448000)

儲(chǔ)罐是石油開(kāi)采、儲(chǔ)運(yùn)、加工過(guò)程中重要的基礎(chǔ)設(shè)施，其狀況影響整個(gè)石油石化系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。儲(chǔ)罐的腐蝕大多發(fā)生在罐底板，其中邊緣板腐蝕約占該類腐蝕的60%[1]。對(duì)儲(chǔ)罐底部外邊緣板采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，對(duì)于提高儲(chǔ)罐的使用壽命，降低儲(chǔ)罐的安全風(fēng)險(xiǎn)至關(guān)重要[2]。

1 儲(chǔ)罐概況

某油庫(kù)隸屬于油田接轉(zhuǎn)站，該接轉(zhuǎn)站承擔(dān)油田區(qū)塊的油氣接轉(zhuǎn)任務(wù)，油庫(kù)儲(chǔ)罐外防腐層施工于2006年，到目前為止已經(jīng)服役15 a。2016年8月對(duì)該庫(kù)區(qū)4個(gè)儲(chǔ)罐進(jìn)行了外壁腐蝕評(píng)價(jià)和壁厚測(cè)量，檢查了罐底板。該次檢查中，重點(diǎn)測(cè)量了儲(chǔ)罐底座無(wú)保溫的邊緣板厚度。以人孔對(duì)應(yīng)的部位為第一檢測(cè)區(qū)域，均勻劃分10個(gè)檢測(cè)區(qū)域并順時(shí)針進(jìn)行編號(hào)，每個(gè)檢測(cè)區(qū)域取9個(gè)點(diǎn)測(cè)量外邊緣板厚度，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 邊緣板厚度測(cè)量結(jié)果 mm

儲(chǔ)罐底板(含邊緣板)公稱厚度8 mm，從表1可以看出，邊緣板部位腐蝕減薄嚴(yán)重。

2 儲(chǔ)罐邊緣板腐蝕成因

儲(chǔ)罐底部邊緣板的腐蝕與儲(chǔ)罐變形有關(guān)。儲(chǔ)罐變形主要由溫度和載荷的變化引起，儲(chǔ)罐變形使儲(chǔ)罐邊緣板與底板基座形成一條裂縫，該裂縫會(huì)隨著儲(chǔ)罐變形周期性地收縮與膨脹，并有擴(kuò)大的趨勢(shì)[3]。該裂縫給外界的一些腐蝕介質(zhì)如雨水、露水等的入侵提供了一條通道，使原有的防腐涂層失效。罐底邊緣板向上翹起，雨水、露水及氧等會(huì)侵入罐底板與基礎(chǔ)之間的縫隙，從而發(fā)生電化學(xué)腐蝕。腐蝕反應(yīng)如下[4]：

氫氧化亞鐵進(jìn)一步氧化成氫氧化鐵：

氫氧化鐵脫水后生成鐵銹：

在一系列電化學(xué)反應(yīng)中，水和氧是腐蝕的基本因素。由于變形所產(chǎn)生的裂縫開(kāi)口較小，侵入的水分不易蒸發(fā)，為電化學(xué)腐蝕創(chuàng)造了有利條件，而腐蝕產(chǎn)生的銹蝕物疏松透氣，有吸潮傾向，從而加速了腐蝕[5]。

3 常用防腐材料性能試驗(yàn)

目前，國(guó)內(nèi)常見(jiàn)的儲(chǔ)罐邊緣板防腐方法包括涂覆彈性聚氨酯(CTPU)防水涂料，纏繞防水膠帶、礦脂油帶等[6]。這些材料大體可以分為韌性較好的柔性材料和具有較高機(jī)械強(qiáng)度的剛性材料。選取了目前應(yīng)用較多的CTPU、礦脂油帶和氧化聚合物(OTC)等3種防腐材料進(jìn)行性能對(duì)比研究，主要進(jìn)行了密閉防水性能、憎水性能和耐鹽霧性能試驗(yàn)。

3.1 密封防水性能對(duì)比試驗(yàn)

將CTPU、礦脂油帶、OTC等3種單一結(jié)構(gòu)防腐層試件放入高壓釜中，加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的氯化鈉水溶液直至溶液完全浸沒(méi)試件為止。充入N2進(jìn)行加壓，壓力5 MPa，溫度保持20 ℃，恒溫靜置時(shí)間分別為10 d和15 d，然后除掉鋼片表面防腐層，與無(wú)浸泡試件進(jìn)行對(duì)比，觀察鋼片表面腐蝕情況。試件浸泡后鋼片的表面狀況見(jiàn)圖1至圖3。

從圖1至圖3可見(jiàn)，鹽水溶液從防腐層滲入造成鋼片腐蝕，浸泡時(shí)間越久，滲入的鹽水溶液越多，鋼片表面腐蝕越嚴(yán)重。3種單一結(jié)構(gòu)防腐層試件在鹽水中浸泡10 d后，試件中的鋼片腐蝕情況差別不大。浸泡15 d后， CTPU試件腐蝕最嚴(yán)重，礦脂油帶試件腐蝕最輕微，其密閉防水性能從優(yōu)到劣為：礦脂油帶>OTC>CTPU。

圖1 CTPU試件浸泡試驗(yàn)后鋼片形貌

圖2 礦脂油帶試件浸泡試驗(yàn)后鋼片形貌

圖3 OTC試件浸泡試驗(yàn)后鋼片形貌

3.2 耐鹽霧性能對(duì)比試驗(yàn)

按照ISO 9227相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求的方法對(duì)CTPU、礦脂油帶、OTC等3種單一結(jié)構(gòu)防腐層試件進(jìn)行耐鹽霧性能測(cè)試，測(cè)試時(shí)間為720 h，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 單一結(jié)構(gòu)防腐層耐鹽霧試驗(yàn)后外觀

從圖4可以看出，經(jīng)720 h耐鹽霧性能試驗(yàn)后，CTPU結(jié)構(gòu)防腐層出現(xiàn)與水泥基面脫落的情況，防腐層表面破損處出現(xiàn)銹跡，防腐層結(jié)構(gòu)已失效；礦脂油帶結(jié)構(gòu)防腐層表面無(wú)明顯變化； OTC結(jié)構(gòu)防腐層表面出現(xiàn)明顯銹跡，防腐層破損失效。試驗(yàn)結(jié)果表明：礦脂油帶結(jié)構(gòu)的防腐層耐鹽霧性能優(yōu)于CTPU和OTC結(jié)構(gòu)防腐層。

3.3 憎水性能對(duì)比試驗(yàn)

憎水性能是反映材料耐水滲透的一個(gè)技術(shù)指標(biāo)。采取靜態(tài)接觸角法對(duì)不同防腐材料的憎水性能進(jìn)行研究。接觸角越大，水溶液潤(rùn)濕防腐層越難，防腐材料憎水性能越好。

CTPU、礦脂油帶、OTC等3種單一結(jié)構(gòu)防腐層試件放入溫度為20 ℃的5%NaCl溶液中，恒溫靜置10 d和15 d后，測(cè)試防腐層表面的接觸角大小，接觸角隨時(shí)間變化情況見(jiàn)圖5。

圖5 防腐層接觸角隨浸泡時(shí)間的變化

從圖5可以看出，3種防腐層材料未浸泡時(shí)，防腐層表面接觸角差別不大，在20 ℃的5%NaCl溶液中浸泡10 d和15 d后接觸角變小，說(shuō)明防腐層表面憎水性能明顯變差；浸泡時(shí)間越長(zhǎng)，接觸角越小，憎水性能越差；礦脂油帶接觸角變小的趨勢(shì)比CTPU和OTC小，說(shuō)明礦脂油帶的憎水性能比CTPU和OTC更好。

4 新型復(fù)合結(jié)構(gòu)防腐層設(shè)計(jì)和應(yīng)用

4.1 新型復(fù)合結(jié)構(gòu)防腐層設(shè)計(jì)

針對(duì)儲(chǔ)罐邊緣板的腐蝕特點(diǎn)和環(huán)境情況，提出了一種柔性材料與剛性材料復(fù)合的新型防腐層設(shè)計(jì)方案，解決原油儲(chǔ)罐變形造成的防腐材料開(kāi)裂、脫落等問(wèn)題。

新型儲(chǔ)罐邊緣板防腐層結(jié)構(gòu)為“內(nèi)層防腐層+外層防護(hù)層”的復(fù)合結(jié)構(gòu)。內(nèi)層為防腐層，從內(nèi)到外依次設(shè)置有防腐底漆層、中間填充層、防腐帶層；外層為防護(hù)層，包括聚乙烯夾克外保護(hù)層、法蘭及配套螺栓等。

第一層(防腐底漆層)為礦脂底漆，改善混凝土基臺(tái)和儲(chǔ)罐鋼板的表面質(zhì)量；第二層(中間填充層)為礦脂膠泥，在混凝土基臺(tái)上形成斜坡，引導(dǎo)雨水流出，克服儲(chǔ)罐由于溫度和載荷變化而產(chǎn)生的變形；第三層(防腐帶層)為礦脂油帶，貼附兩層礦脂油帶，形成致密的油性防腐層；第四層為外保護(hù)層，為防腐層提供可靠的機(jī)械保護(hù)。

4.2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

4.2.1 原油儲(chǔ)罐邊緣板維修

2017年1月,新型防腐層在某商業(yè)儲(chǔ)備油公司原油儲(chǔ)罐上進(jìn)行了應(yīng)用，儲(chǔ)罐的應(yīng)用情況見(jiàn)表2，完工效果見(jiàn)圖6。

表2 儲(chǔ)備油公司原油儲(chǔ)罐應(yīng)用情況

工程完工半年后進(jìn)入夏天，出現(xiàn)了較多的問(wèn)題，主要有：(1)聚乙烯夾克外護(hù)層連接處斷裂脫開(kāi);(2)聚乙烯夾克外護(hù)層主體出現(xiàn)波浪式變形;(3)聚乙烯夾克外護(hù)層與礦脂油帶貼合處出現(xiàn)松脫。

圖6 新型防腐層施工完成后情況

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境和材料特點(diǎn)，分析導(dǎo)致材料出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的原因主要有：(1)冬季現(xiàn)場(chǎng)施工溫度低，最低溫度為零下10 ℃，直接影響了焊接質(zhì)量;(2)聚乙烯夾克受溫度影響變形明顯，冬季施工溫度低,進(jìn)入夏季，隨著環(huán)境溫度升高，片材自身逐漸延展，導(dǎo)致已經(jīng)固定的片材鼓起，發(fā)生波浪式變形;(3)外護(hù)層的緊固是通過(guò)夾克形成一個(gè)連續(xù)的圓周后，對(duì)夾克進(jìn)行較大力量的拉伸，再使用螺栓固定，使夾克緊緊貼覆在罐壁上;而罐體周長(zhǎng)較長(zhǎng)，曲率較小，聚乙烯夾克難以形成一個(gè)連續(xù)的圓周;兩個(gè)加固點(diǎn)的行程近乎于沒(méi)有弧度的直線，無(wú)法對(duì)夾克拉伸起到緊固的效果，加之夾克隨著溫度發(fā)生變形，就出現(xiàn)了松脫。

針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的情況，采取了以下措施：(1)將聚乙烯夾克拆除，保留內(nèi)層防護(hù)材料;(2)對(duì)內(nèi)層防腐層進(jìn)行平整塑形，保證防腐層連續(xù)、平整;(3)表面涂刷厚度不少于1 mm的耐候材料。

4.2.2 典型環(huán)境下的儲(chǔ)罐邊緣板維修

針對(duì)初次應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)方案進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，對(duì)另外兩個(gè)典型環(huán)境下的儲(chǔ)罐進(jìn)行了施工。防腐方案的應(yīng)用情況見(jiàn)表3。

表3 邊緣板維修應(yīng)用情況

由于大型儲(chǔ)罐直徑大、邊緣板很長(zhǎng)，聚乙烯夾克在大型儲(chǔ)罐上應(yīng)用效果不好。針對(duì)這一情況，在高寒地區(qū)較大的儲(chǔ)罐上改用環(huán)氧玻璃鋼結(jié)構(gòu)，表面涂刷耐候膠衣，內(nèi)層材料仍然采用礦脂油帶結(jié)構(gòu)，從而有效抑制了鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕。

該復(fù)合結(jié)構(gòu)防腐層為灰色，表面光滑平整，外護(hù)層機(jī)械強(qiáng)度高，能有效防止罐頂墜冰沖擊，外護(hù)層與儲(chǔ)罐罐壁粘接嚴(yán)密無(wú)縫隙，能有效起到防護(hù)作用，運(yùn)行效果良好。

高溫罐罐體溫度高，普通的邊緣板防腐材料在高溫環(huán)境下很快變形失效，油性材料滲油嚴(yán)重。針對(duì)這一工況特點(diǎn)，采用耐高溫型的礦脂底油和礦脂膠泥，避免油脂滲出;外護(hù)層材料采用聚乙烯夾克，全部施工完成后跟蹤檢查，運(yùn)行效果良好。

4.3 不同環(huán)境下邊緣板防腐方案選擇

綜合評(píng)價(jià)各方案應(yīng)用效果，給出了不同環(huán)境下儲(chǔ)罐邊緣板的防腐方案,見(jiàn)表4。

表4 不同儲(chǔ)罐的邊緣板防腐方案

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和壁厚測(cè)量，對(duì)儲(chǔ)罐邊緣板腐蝕情況進(jìn)行了分析評(píng)估，確定了儲(chǔ)罐邊緣板腐蝕的主要影響因素。

(2)設(shè)計(jì)出了一種“內(nèi)柔外剛”的新型儲(chǔ)罐邊緣板復(fù)合結(jié)構(gòu)防腐層,有效解決了儲(chǔ)罐邊緣板材料面臨的腐蝕、破損等問(wèn)題，取得了良好的應(yīng)用效果。

(3)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和防腐效果評(píng)價(jià)，確定了不同環(huán)境下儲(chǔ)罐的邊緣板防腐方案。