儲(chǔ)罐工程海水充水試驗(yàn)防腐蝕技術(shù)的應(yīng)用研究

張亞黎

中海油石化工程有限公司 山東濟(jì)南 250000

儲(chǔ)罐工程海水充水試驗(yàn)適合的防腐蝕技術(shù)是添加緩蝕劑和電化學(xué)保護(hù)，但適用于海水環(huán)境的緩蝕劑種類較少。因此，增加臨時(shí)犧牲陽極成為儲(chǔ)罐工程海水充水試驗(yàn)防腐蝕的可行方法。

1 充水試驗(yàn)防腐蝕的工藝原理

1.1 物理隔離防護(hù)

在儲(chǔ)罐工程海水充水試驗(yàn)之前，所有儲(chǔ)罐開口位置上的連接設(shè)備、閥門、液位計(jì)等不參與壓力試驗(yàn)的電儀部件不需要安裝，同時(shí)，要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)文件要求對(duì)禁止接觸海水的部件開展臨時(shí)性的防腐蝕處理，使其表面和海水有效隔離。

1.2 電化學(xué)防護(hù)

海水腐蝕原理是典型的電解質(zhì)化學(xué)腐蝕，結(jié)合海水電解質(zhì)腐蝕的基本原理，借助犧牲陽極保護(hù)是海水全部浸入其中的理想化防腐蝕方法。在鋼制儲(chǔ)罐內(nèi)壁通過增加臨時(shí)鋁合金犧牲陽極，會(huì)在鋁合金犧牲陽極的作用下形成微電池的陽極，相對(duì)活性較弱的儲(chǔ)罐鋼板是陰極，在開展儲(chǔ)罐工程海水充水試驗(yàn)操作的時(shí)候，鋁合金陽極塊（帶）會(huì)成為出現(xiàn)腐蝕的陽極，最終保護(hù)儲(chǔ)罐壁板不遭受腐蝕。

2 儲(chǔ)罐工程海水充水試驗(yàn)防腐蝕技術(shù)應(yīng)用研究

2.1 臨時(shí)犧牲陽極方案設(shè)計(jì)

為了減少儲(chǔ)罐罐體充海水期間產(chǎn)生的腐蝕，特別是焊縫及其熱影響區(qū)的預(yù)防腐蝕問題，必須采取有效的保護(hù)措施，消除鋼板及焊接部位因海水電化學(xué)腐蝕對(duì)儲(chǔ)罐質(zhì)量造成的影響。由于Al- Zn- In 系鋁合金犧牲陽極具有電容量大、價(jià)格相對(duì)低廉等優(yōu)點(diǎn)，近年來被大量的用到罐內(nèi)陰極保護(hù)中。具體為：在浮頂內(nèi)表面及罐側(cè)壁內(nèi)表面兩部分安裝臨時(shí)帶狀鋁陽極；在底板內(nèi)表面安裝永久塊狀鋁合金陽極。臨時(shí)帶狀鋁陽極極化的面積是側(cè)壁和浮頂下表面；永久塊狀鋁陽極極化罐底板上表面。由此鋁陽極保護(hù)范圍為罐底板內(nèi)表面、儲(chǔ)罐側(cè)壁、浮頂下表面以及附屬鋼結(jié)構(gòu)。以某地區(qū)原油儲(chǔ)備項(xiàng)目10×104m3的浮頂鋼質(zhì)儲(chǔ)罐為例，研究?jī)?chǔ)罐工程海水充水試驗(yàn)防腐蝕的試驗(yàn)項(xiàng)目。

2.1.1 基本參數(shù)

浮頂鋼質(zhì)儲(chǔ)罐直徑為80m，罐的高度為21.8m，儲(chǔ)存介質(zhì)為原油。

采用的臨時(shí)保護(hù)陽極類型及型號(hào)規(guī)格是帶狀鋁合金犧牲陽極，成分為鋁鋅銦錫鎂，規(guī)格為9.5mm×19mm，重量0.554kg/ m，保護(hù)時(shí)間60d。根據(jù)GB/ T50393- 2017保護(hù)電流密度取值是浮頂下表面（有涂層） 取值30mA/ m2；側(cè)壁（裸露）取值100mA/ m2。

2.1.2 單臺(tái)罐臨時(shí)帶狀鋁陽極保護(hù)面積

2.1.3 所需保護(hù)電流

2.1.4 單臺(tái)罐極化過程臨時(shí)帶狀鋁陽極用量計(jì)算

（1）浮頂下表面和罐壁側(cè)壁犧牲陽極選型及發(fā)生電流

選用Al- Zn- In 系高活性犧牲陽極，陽極規(guī)格按規(guī)范及相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合《技術(shù)條件》選擇，浮頂下表面采用帶狀鋁陽極規(guī)格型號(hào)為：9.5mm ×19mm ×10000mm，5.5kg/ 條。儲(chǔ)罐側(cè)壁采用帶狀鋁陽極規(guī)格型號(hào)為：9.5mm×19mm×22000mm，12.1kg/ 條。

式中:△E——陽極的驅(qū)動(dòng)電位，取0.25V

R——陽極的接水電阻，Ω

ρ——介質(zhì)的電阻率35Ω·cm（參照當(dāng)?shù)睾Ｋ措娮杪嗜≈担?/p>

L——陽極長度，cm

r——陽極當(dāng)量半徑，cm

計(jì)算可得：

浮頂下表面帶狀鋁陽極（9.5mm ×19mm ×10000mm）R1=0.041Ω；Ia1=6.07A。

儲(chǔ)罐側(cè)壁帶狀鋁陽極（9.5mm×19mm×22000mm）R2=0.021Ω；Ia2=12.06A。

（2）罐底板內(nèi)表面陽極發(fā)生電流

因充水試壓前罐底板需安裝長效保護(hù)所用鋁合金犧牲陽極塊，規(guī)格為750mm×（115mm+135mm）×130mm，凈重32kg/ 支，數(shù)量為252 塊。

支架式鋁陽極塊發(fā)生電流按照前述公式計(jì)算可得：

罐底板內(nèi)部表面鋁陽極R=0.2Ω；Ia =1.25A；

根據(jù)計(jì)算所得，長效鋁合金犧牲陽極發(fā)生電流大于所需保護(hù)電流，所以不需要再在罐底內(nèi)表面設(shè)置臨時(shí)帶狀犧牲陽極。

（3）所需帶狀鋁陽極數(shù)量

浮頂下表面帶狀鋁陽極（9.5mm ×19mm ×10000mm）數(shù)量=1.1（I浮頂/ Ia1）=1.1×150.72/ 6.07= 28（取整）

儲(chǔ)罐側(cè)壁帶狀鋁陽極（9.5mm×19mm×22000mm）數(shù)量=1.1（I側(cè)壁/ Ia2）=1.1×502.4/ 12.06=46（取整）

（4）陽極使用壽命核算

式中：t——陽極使用壽命，a；

G——單個(gè)陽極凈重量；

Q——陽極實(shí)際電容量，2400A·h/ kg；

1/ K——陽極利用系數(shù)，取值為0.85；

Im——每塊陽極的平均發(fā)生電流，A，Im=0.7Ia。

計(jì)算得：

浮頂下表面帶狀鋁陽極（9.5mm ×19mm ×10000mm）壽命t=0.3 年＞60d，滿足設(shè)計(jì)要求。儲(chǔ)罐側(cè)壁帶狀鋁陽極（9.5mm×19mm×22000mm）壽命t=0.33年＞60d，滿足設(shè)計(jì)要求。

最終得到單臺(tái)儲(chǔ)罐海水試壓選用臨時(shí)帶狀鋁陽極情況如表1 所示。

表1 各部位帶狀鋁陽極規(guī)格及數(shù)量

2.1.5 犧牲陽極帶布置

（1）儲(chǔ)罐側(cè)壁陽極安裝分布：保護(hù)儲(chǔ)罐側(cè)壁的陽極帶在（浮頂、儲(chǔ)罐底板）直徑為78m 處46 條帶狀鋁陽極沿儲(chǔ)罐內(nèi)部外邊緣環(huán)形均勻分布，每間隔約5m 弦長及距側(cè)壁1m 位置設(shè)置1 條帶狀鋁陽極，鋁帶一端與罐底板焊接，另一端與浮頂?shù)装迳系奶淄不蚣訌?qiáng)筋焊接，浮頂上浮前，陽極帶彎曲處在底板和浮頂之間。鋁帶兩端連接“L”型構(gòu)件后通過電焊點(diǎn)焊與儲(chǔ)罐浮頂及罐底板電連接導(dǎo)通。

（2）浮頂下表面分布：以任一直徑為中軸線，兩側(cè)相鄰每間隔10m 依次平行于中軸線放線，中軸線兩側(cè)各放4 條平行線（最外側(cè)平行線與相鄰平行線間隔5m）。

2.1.6 鋁犧牲陽極性能參數(shù)

（鋁- 鋅- 銦- 錫- 鎂）鋁合金陽極化學(xué)成分如表2 所示；鋁合金陽極電化學(xué)性能（常溫介質(zhì)溫度15～30℃條件下的電化學(xué)性能參數(shù)）如表3 所示。

表3 鋁合金陽極電化學(xué)性能

2.2 充水試驗(yàn)過程

2.2.1 儲(chǔ)罐充水前的準(zhǔn)備工作

按照方案安裝焊接犧牲陽極帶及永久性犧牲陽極塊，對(duì)罐內(nèi)進(jìn)行清理，清理完畢后封閉罐壁上所有管口，檢查法蘭密封嚴(yán)密。儲(chǔ)罐充水前準(zhǔn)備時(shí)所使用的管子規(guī)格型號(hào)為DN350，選擇好管材后按照規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安裝，充水泵的流量為每小時(shí)不小于700m3，水泵揚(yáng)程不小于50m，兩用一備。水泵入口處應(yīng)設(shè)置金屬過濾網(wǎng)，并需要進(jìn)行定期檢查、清理，目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)海水中雜物的有效過濾。應(yīng)選擇使用水泵葉輪和泵腔內(nèi)部有鍍層的輸水泵，要具備良好的海水抗腐蝕性能。查閱當(dāng)?shù)睾Ｋ毕珪r(shí)刻表來確定水泵的安裝位置和高程。

2.2.2 儲(chǔ)罐充水試驗(yàn)流程

儲(chǔ)罐充水試驗(yàn)流程是儲(chǔ)罐的基礎(chǔ)觀測(cè)，觀測(cè)之后進(jìn)行第一階段的注水，在注水高度達(dá)到2.2m 的時(shí)候，浮頂剛剛達(dá)到漂浮狀態(tài)，停止充水，進(jìn)行浮頂焊縫的嚴(yán)密性檢查。按照設(shè)計(jì)文件或規(guī)范要求進(jìn)行充水、靜置、沉降觀測(cè)等操作，完成充水試驗(yàn)各項(xiàng)檢驗(yàn)?zāi)康?。充水試?yàn)符合要求后放水，浮頂立柱調(diào)整，調(diào)整完成后排出全部海水，進(jìn)行清罐處理。

2.2.3 防腐蝕施工要點(diǎn)

表2（鋁-鋅-銦-錫-鎂）鋁合金陽極化學(xué)成分 %

按照國家鋁鋅系合金犧牲陽極的基本要求，選擇鋁鋅合金犧牲陽極材料數(shù)量時(shí)要充分滿足儲(chǔ)罐的防護(hù)需要，使其被保護(hù)面積、保護(hù)電流密度、發(fā)生的電流量和陽極壽命符合規(guī)范要求。第一，保護(hù)面積的計(jì)算。儲(chǔ)罐陰極保護(hù)設(shè)計(jì)要考慮儲(chǔ)罐體積、性能、屬性等總體因素。被保護(hù)面積應(yīng)包含浮頂?shù)装?、罐底板、罐壁板以及其它鋼結(jié)構(gòu)附件面積總和。第二，保護(hù)電流密度的確定。按照設(shè)計(jì)文件的基本要求，儲(chǔ)罐底板、罐內(nèi)壁保護(hù)電流的密度為15mA/ m3。考慮到海水試驗(yàn)時(shí)儲(chǔ)罐防腐底漆保護(hù)不到位的問題，所以設(shè)計(jì)出來的保護(hù)電流密度要大一些，即可以按照30mA/ m3進(jìn)行計(jì)算。第三，Al- Zn- In 系鋁合金犧牲陽極使用數(shù)量?？紤]到大型原油儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)均采用了犧牲陽極保護(hù)的方式，因此，為了能夠節(jié)約施工成本，在不影響儲(chǔ)罐正式鋁合金犧牲陽極原來保護(hù)期限的情況下，需要在原本設(shè)計(jì)的鋁合金犧牲陽極數(shù)量上增加一定量的臨時(shí)鋁合金犧牲陽極，用于抵消罐體海水試壓階段正式鋁合金犧牲陽極消耗。

罐體注入海水試壓60d 左右，雖然損失較多的犧牲陽極，但是罐體本身不會(huì)出現(xiàn)腐蝕的坑點(diǎn)，所有焊接部位達(dá)到了預(yù)期的檢驗(yàn)?zāi)康?。如果使用淡水開展試壓操作，按照2 元/ m3進(jìn)行計(jì)算，每臺(tái)10 萬m3儲(chǔ)罐試驗(yàn)的消耗資金為20 萬元。

3 結(jié)語

大型原油儲(chǔ)罐海水試壓采取增加臨時(shí)鋁合金犧牲陽極的方式是具有實(shí)際應(yīng)用意義，特別是在淡水相對(duì)緊張的沿海地區(qū)，開展儲(chǔ)罐海水試壓操作十分必要。