大型LNG儲罐水壓試驗介質(zhì)選用研究

揚帆，龔洪偉，史超君，計寧寧

(1.中海石油氣電集團有限責(zé)任公司，北京 100028；2.國家管網(wǎng)集團閩投(福建)天然氣有限責(zé)任公司，福建 漳州 363000)

0 引言

大型LNG儲罐在外罐和內(nèi)罐主體結(jié)構(gòu)施工完成后，按照GB/T 26978—2021[1]等國家標準要求，需開展水壓試驗，通過水壓試驗一方面可以消除內(nèi)罐焊縫殘余應(yīng)力，另外一方面對儲罐內(nèi)罐強度、儲罐基礎(chǔ)和底部保溫層沉降進行檢驗，以滿足設(shè)計要求[2]。

水壓試驗用水需要考慮施工現(xiàn)場生活淡水供應(yīng)情況[3]?？紤]到內(nèi)罐材料9%Ni鋼的焊縫不耐腐蝕特性，試驗用水盡量采用淡水并嚴格控制淡水氯離子等含量(氯離子≤25 mg/L)。但由于很多LNG接收站項目站址位于海邊，大量淡水取用較為困難(尤其是對于16萬立方米及以上容積LNG儲罐，用水量更大)。也有一些LNG接收站的儲罐在建設(shè)采用海水作為儲罐水壓試驗用水[4]。水壓試驗一般3～4周，若用海水作為試驗水，試驗需按GB/T 26978—2021等標準要求作相應(yīng)陰級保護措施并考慮添加適當(dāng)緩蝕劑措施[5]。

1 項目基礎(chǔ)情況

本文以南方某沿海城市站址海水和淡水條件，以16萬立方米LNG儲罐為例[6]，對內(nèi)罐水壓試驗介質(zhì)選擇考慮因素進行分析和對比，站址處海水水質(zhì)情況如表1所示。

表1 沿海某LNG接收站項目站址海水水質(zhì)

可以看出，海水銅、汞、硫化物、懸浮物等含量較高，由于水質(zhì)條件較差，若采用海水作為儲罐水壓試驗介質(zhì)，需做好水壓試驗階段內(nèi)罐防腐蝕措施，水壓試驗完成后需做好內(nèi)罐清洗。

若水壓試驗采用淡水作為介質(zhì)，按照規(guī)范要求，淡水氯離子等含量不高于25 mg/L[7]。

2 水壓試驗一般性要求

關(guān)于水壓試驗要求，GB/T 26978—2021《現(xiàn)場組裝立式圓筒平底鋼質(zhì)低溫液化氣儲罐的設(shè)計與建造》等相關(guān)標準規(guī)定如下：

(1)可采用水(海水或淡水)開展LNG儲罐靜水壓試驗，用來檢驗儲罐內(nèi)罐的強度滿足要求。

(2)氣壓試驗可以和水壓試驗結(jié)合開展或分開開展；若水壓試驗和氣壓試驗結(jié)合開展，儲罐的內(nèi)罐里面可以承裝一定的水(水可以未排除或排盡)。

(3) LNG儲罐的樁-承臺基礎(chǔ)、底部絕熱保冷材料，能夠承受水壓力產(chǎn)生的作用荷載。

(4)應(yīng)考慮并研究排放水對環(huán)境的影響。

另外，儲罐內(nèi)罐開展水壓試驗之前，需要對儲罐內(nèi)部的管線、支撐、儀表等進行清理干凈。考慮到儲罐可能的超壓帶來對儲罐的破壞，因此在試驗前，需要儲罐安全閥系統(tǒng)(也可以是臨時裝置)處于工作狀態(tài)。

相關(guān)標準對水壓試驗的水質(zhì)要求一般如下：

(1)充水試驗應(yīng)采用工業(yè)潔凈水，水溫應(yīng)高于5 ℃；當(dāng)采用海水時，應(yīng)采取防腐蝕措施。

(2)應(yīng)證明試驗用水的適用性，應(yīng)考慮可能出現(xiàn)的腐蝕。

(3)對陰極保護的需求進行研究，避免電化學(xué)腐蝕和減少其他腐蝕。陰極保護會促使陰極的反應(yīng)，若同時存在H2S，在缺氧(在沉淀物下面)條件下將產(chǎn)生氫氣，從而增加氫致裂紋產(chǎn)生的危險。

(4)設(shè)計陰極保護系統(tǒng)時，應(yīng)考慮避免出現(xiàn)氫脆。

(5)若水質(zhì)不能滿足要求，應(yīng)考慮其他采用添加適當(dāng)緩蝕劑的試驗方法。

(6)若采用海水，注水前宜對海水的pH值、硬度、堿度、氯離子含量、氫硫化物含量、微生物等的情況進行取樣檢測。海水應(yīng)符合GB 3097或GB/T 23248的規(guī)定。

(7)采用海水作為試驗介質(zhì)時，宜設(shè)置陰極保護或其他措施。不銹鋼儲罐不應(yīng)用海水作為試驗介質(zhì)。

3 海水試驗方案

由于海水中氯離子含量較高，是一種腐蝕性較強的電解質(zhì)，大多數(shù)金屬在海水中的腐蝕速度比較快，為了減輕內(nèi)罐和底板在海水中的均勻腐蝕和局部腐蝕，需對內(nèi)罐和海水進行必要的防腐措施[8]。

3.1 腐蝕原理

內(nèi)罐材質(zhì)為9%Ni低溫鋼。 水壓試驗過程中，9%Ni鋼腐蝕一般分為四個區(qū)域，即壁板液位以上部分、壁板液位以下部分、液位附近以及焊縫附近。液位以上部分直接與大氣接觸，具有耐腐蝕性，故不予考慮；液位以下部分主要為均勻腐蝕，腐蝕較輕微；液位附件的靠液位以下部分，由于氧濃差的作用，可能會形成氧濃差原電池腐蝕(目前尚不詳)；由于焊縫一般較母體電極電位低，在海水電解質(zhì)作用下與母體形成原電池，電化學(xué)反應(yīng)如下：

焊縫作為陽極受到嚴重的腐蝕，其腐蝕速度主要與焊縫面積與母材面積之比相關(guān)，如表2所示。很顯然，水壓試驗時屬于第1或第2種情況，為“大陰極小陽極”表面，焊縫區(qū)域腐蝕較嚴重。 腐蝕速率與陽極陰極面積比關(guān)系，如表2所示。

表2 腐蝕速率與陽極陰極面積比關(guān)系

海水中含有大量的氯離子，相對于淡水是很強的電解質(zhì)，在利用海水進行試驗之前需對海水進行采樣，以檢測其成分是否滿足試驗要求，如果不滿足，則采取措施對海水進行處理，如加次氯酸或緩蝕劑等。

3.2 內(nèi)罐水壓試驗期間腐蝕防護

若用海水作為大型LNG儲罐水壓試驗介質(zhì)[9]，國內(nèi)外已建LNG儲罐項目常見保護措施有外加電流陰極保護、犧牲陽極保護陰級保護兩種措施。

3.2.1 外加電流陰極保護

9%Ni鋼在水壓試驗時，液位以下位置最主要的腐蝕為焊縫與母材構(gòu)成的原電池腐蝕，結(jié)果導(dǎo)致焊縫區(qū)域腐蝕較嚴重，需對其采取保護措施。根據(jù)對海水采樣結(jié)果、內(nèi)罐材質(zhì)特點等因素，國內(nèi)部分項目在采用海水水壓試驗時對內(nèi)罐采取了外加電流的陰極保護措施，組成包括內(nèi)罐底鋼板外部增加電流保護系統(tǒng)、內(nèi)罐的壁板外側(cè)增加電流保護系統(tǒng)、犧牲陽極保護系統(tǒng)。采用外加電流保護系統(tǒng)，只有當(dāng)相對Ag/AgCl參考電極的電壓為-0.78 V時，才能夠起到防腐作用，由于9%Ni鋼為高強鋼，電壓應(yīng)該控制在大于-0.78 V(相對Ag/AgCl參考電極)，如果電壓低于此值，有可能導(dǎo)致9%Ni鋼發(fā)生氫脆或氫致應(yīng)力開裂，所以試驗過程中，時刻做好電壓的控制，避免對內(nèi)罐造成損害[10]。

3.2.2 犧牲陽極保護陰極保護

國內(nèi)某些項目，LNG儲罐采用海水水壓試驗中，采取了犧牲陽極的方法進行防腐。在采辦時，要求鋼板廠家對9%Ni鋼板表面涂刷薄的富鋅底漆。壁板和底板焊接完成后，水壓試驗時內(nèi)罐表面的油漆可以對內(nèi)罐內(nèi)表面形成陰極保護作用，所以焊縫不再補漆。而對于點焊在壁板和底板上的附件，則需刷富鋅底漆，以避免連接處遭受電化學(xué)腐蝕[11]。

罐內(nèi)一些泵井、進料等管線和管件為304或316不銹鋼材料。在9%Ni鋼內(nèi)罐與不銹鋼連接處，需對焊縫涂刷富鋅底漆，以免9%Ni鋼與不銹鋼形成電化學(xué)反應(yīng)的極化電極，從而腐蝕9%Ni鋼形成局部腐蝕。對于罐內(nèi)的不銹鋼管線和管件，考慮到富鋅底漆可能不足以完全滿足對不銹鋼的陰極保護，所以建議在不銹鋼泵管下方安裝碳鋼鐵塊，并用導(dǎo)線連接接地，形成原電池，對不銹鋼起到保護作用。水壓試驗期間對泵管用盲法蘭盲死，螺栓孔和墊片的外側(cè)涂臘，以阻止海水進入墊片，待試驗完成后沖洗干凈[12]。

外加電流保護系統(tǒng)需要安裝直流電源和電極，在試驗過程中需不間斷地監(jiān)視和調(diào)整電壓，否則會對內(nèi)罐造成損害，而且陰極保護的化學(xué)反應(yīng)會在內(nèi)罐形成鈣質(zhì)沉淀物，另外還需購置一套陰極保護系統(tǒng)，成本較高[13]。

對于犧牲陽極保護系統(tǒng)，需要鋼材在工廠內(nèi)完成底漆施工，現(xiàn)場LNG儲罐水壓試驗前，只是對部分位置涂刷涂層就可以了，這樣可以一舉多得，同時解決焊縫電化學(xué)腐蝕、降低海水對內(nèi)罐材料的腐蝕。

根據(jù)國內(nèi)某LNG儲罐試驗測試數(shù)據(jù)[14]，對接焊縫在3周水壓試驗的腐蝕量一般小于0.01 mm，且在同樣的情況下對外加電流和犧牲陽極的陰極保護系統(tǒng)進行試驗比較，結(jié)果涂刷富鋅底漆的犧牲陽極系統(tǒng)更為理想。

雖然對鋼板涂刷富鋅底漆可以起到一定的防腐作用，但可能在某些位置還是會產(chǎn)生腐蝕。比如后期沖洗過程中，沖洗不干凈，焊縫處潮濕，在焊縫區(qū)域本身就會形成C-Fe原電池引起腐蝕；或由于種種原因，水壓試驗時間較預(yù)期長，也會增大腐蝕量。因此建議在能夠獲得淡水資源的地方，盡量采用無腐蝕性的淡水進行水壓試驗[15]。

4 淡水試驗方案

由于LNG接收站的儲罐項目一般建設(shè)在海邊城市，淡水水源一般可以通過以下三種方式獲得：

(1)租船裝運淡水

建設(shè)單位或施工承包商通過租船裝運淡水，以16萬立方米LNG儲罐為例，考慮水路損失，單罐水壓試驗淡水量約10.5～11萬立方米，成本一般較高；但進水速度相對以下兩種方案要快。

(2)利用市政水水管引入淡水

一般LNG接收站站址處于城市邊緣，除非單獨引入淡水管道，一般淡水管流量不是太大，一般單天進水量在最1 000～4 000 m3/d。

(3)LNG接收站項目現(xiàn)場淡水儲罐、市政水補充結(jié)合方式

一般LNG接收站項目建設(shè)期會建設(shè)淡水儲罐(1～2萬立方米不等)，用于作為生產(chǎn)及消防合用水。若采用淡水作為水壓試驗介質(zhì)，可考慮項目現(xiàn)場淡水儲罐、市政水補充結(jié)合方式供水。

考慮到淡水成本較高，以16萬立方米LNG儲罐為例，單罐水壓試驗用水約10.5～11萬立方米，考慮到供水運輸成本，單罐水壓試驗成本高達50～60萬元。因此，若項目同期建設(shè)多座LNG儲罐，可考慮第一個儲罐水壓試驗后，淡水再抽注入到另外的儲罐水壓試驗用，以節(jié)省用水成本。

5 試驗過程介紹及要求

試驗注水前應(yīng)完成罐內(nèi)外排水泵、臨時水箱、臨時管線安裝、泵筒水壓試驗等過程。儲罐水壓試驗中，需在1/4、2/4、3/4、4/4水壓試驗液位進行內(nèi)罐泄漏檢測和儲罐基礎(chǔ)、底部保溫層的沉降觀測。每次焊縫檢查、環(huán)形空間保冷沉降觀測、外罐沉降觀測時間約4 h，儲罐到達水壓試驗高液位按規(guī)范GB/T 26978—2021靜置觀測24 h以上，同時考慮API 620—2018[16]要求儲罐進水速率≤1.0 m/h，進水到觀測完成用時一般3 d左右。

上圖1為儲罐靜水壓試驗進水期間圖片。進水期間(1/4、2/4、3/4及滿液位高度)需觀測內(nèi)罐壁板有沒有明顯漏水、變形情況。隨著注水高度的上升，對于下方已檢查過的要進行來回巡查檢查，若遇變形較大情況須停止注水，待處理完成后繼續(xù)注水。

圖1 水壓試驗LNG儲罐內(nèi)罐進水

圖2為進水過程內(nèi)罐焊縫檢查圖片。當(dāng)發(fā)現(xiàn)內(nèi)罐由泄漏或滲水時，應(yīng)立即放水，并按照規(guī)定進行修補泄漏點并檢驗合格后繼續(xù)注水。

圖2 進水過程內(nèi)罐焊縫檢查

內(nèi)罐壁板滲水目視檢查，由施工人員操作電動吊籃沿著內(nèi)罐罐壁旋轉(zhuǎn)一周，檢測人員進行目視檢查工作。需對內(nèi)罐焊縫的是否滲水、內(nèi)罐各部位變形情況認真檢查，當(dāng)充水到設(shè)計最高液位后，需保持24 h，內(nèi)罐無泄漏和滲水、內(nèi)罐無異常變形則水壓試驗合格[17]。

高水位觀測24 h后，開始排水，儲罐排水速率≤1.5 m/h，10～12 h完成大部分排水(儲罐排水過程中，水位降低過程需配置工人在罐內(nèi)用浮船完成儲罐清洗)。

若采用海水作為試驗介質(zhì)，在水壓試驗結(jié)束后的排水過程中，需要對內(nèi)罐壁板、罐內(nèi)管線及附件進行淡水沖洗。

6 結(jié)語

對于大型LNG儲罐，選用淡水或海水作為試驗介質(zhì)，理論上都是可行的，需根據(jù)項目具體情況選擇，若在不考慮成本，且市政水條件允許下，建議優(yōu)先選擇淡水作為水壓試驗介質(zhì)，這樣可以對內(nèi)罐腐蝕影響降低到最小。無論是采用淡水或海水作為試驗介質(zhì)，在水壓試驗后均需要做好儲罐罐內(nèi)清洗工作，尤其是焊縫等重要位置，以保證儲罐清潔度和后期腐蝕影響。

若外部條件不允許選擇海水作為試驗介質(zhì)，無論是外加電流保護系統(tǒng)，還是犧牲陽極保護系統(tǒng)防腐保護方案，試驗表明對內(nèi)罐某些位置存在著腐蝕，因此需嚴格做好腐蝕方案防護，并控制水壓試驗時間，建議不超過三周時間，以降低對內(nèi)罐構(gòu)件的腐蝕影響。