儲罐底板防腐涂層性能分析

王思楊 楊玉峰 周 洋

（1. 中國石油大學(xué)（北京）新能源與材料學(xué)院，北京 102249；2. 國家管網(wǎng)集團科學(xué)技術(shù)研究總院分公司，河北 廊坊 065000）

0 引言

隨著中國社會的不斷發(fā)展，對能源的需求也日益增加，隨之原油的需求也日益增多。原油儲罐以其占地面積少、操作簡單、管理便捷等優(yōu)點，近年來得到了廣泛地應(yīng)用[1]。但是，在石油的儲存中，常常出現(xiàn)儲罐底板的點蝕乃至穿孔等腐蝕問題，導(dǎo)致原油泄漏，嚴重影響了儲罐的安全、長周期運行，給環(huán)境安全和社會經(jīng)濟帶來了不利影響。因此研究儲罐底板的腐蝕機理，有針對性地篩選性能優(yōu)良的防腐涂層，優(yōu)化防腐結(jié)構(gòu)，對于延長儲罐的使用壽命和維修周期具有重要的意義。

1 罐底腐蝕機理

1.1 罐底內(nèi)腐蝕

罐底的腐蝕與油品中的污水層相關(guān)。原油中的含水組分高達56%，由于水與油之間存在比重差，經(jīng)過長時間的靜置沉淀，在儲罐底部逐漸形成沉積水[2]。沉積水中存在著大量的鹽類（氯化物），硫化物，氧，酸類物質(zhì)等，容易形成電解質(zhì)溶液，發(fā)生電化學(xué)腐蝕[3,4]。隨著高礦化度，高pH值等組分復(fù)雜的原油的開發(fā)，儲罐中儲存的原油，油氣和混合物具有很強的腐蝕性。同時，油品中存在著大量的氯根離子以及高礦化度，這些因素加速了罐底的腐蝕速度，最終導(dǎo)致儲罐底部出現(xiàn)腐蝕穿孔，泄漏等 問題[5]。

此外，溶解氧和硫酸鹽還原菌等微生物也是造成罐底腐蝕的主要因素。罐底溶液中的氫離子不斷的被硫酸鹽還原菌（SRB）代替消耗，使硫酸鹽反應(yīng)還原成硫化氫[2]。H2S會使儲罐底板發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致儲罐壽命大大縮短。

油析水中含有大量無機鹽分，其中一部分會水解生成強腐蝕性酸，同時，儲罐底部為厭氧環(huán)境，含油污水礦化度高，且含有大量的Cl-和SO42-，為SRB提供了生存環(huán)境[6]。雖然前期儲罐上形成的銹層會對儲罐底板帶來一定程度的保護，減緩腐蝕速度，但是隨著時間的增加，這些腐蝕性介質(zhì)滲入銹層，與罐底板防腐層破損處發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)[7]，導(dǎo)致嚴重的局部腐蝕，如點蝕、孔蝕，加大儲罐腐蝕穿孔的風險。

1.2 罐底外腐蝕

儲罐底板外部與以砂層和瀝青砂為主的固定基礎(chǔ)相接觸。由于儲罐底板尺寸過大，需要通過切割后再焊接成型。而儲罐底板外部及焊縫處無法進行防腐防護，通常會在基礎(chǔ)與儲罐底板之間填埋瀝青砂充當防腐材料[8,9]。隨著儲罐的使用，沒有完全被瀝青砂填埋的底板容易被土壤中的水汽侵蝕。邊緣板在有空氣環(huán)境下形成吸氧腐蝕[10]。當儲罐底板周圍氧含量較大時，罐底板上會生成鐵銹。

另外，氧濃度差也是儲罐底板外部腐蝕的原因之一。在水汽條件下，儲罐底部邊緣板與其附近的連接處往往密封性不佳，電流密度不均勻，引發(fā)氧濃度差電池，使溶液中的陰離子向氧濃度小的地方移動，陽離子向氧濃度高的地方移動，最終在氧濃度小的地方發(fā)生局部腐蝕[10]。

1.3 儲罐底板防腐措施分析

針對儲罐底板的腐蝕情況，目前主要有三種防腐措施：一是更換厚度更大的儲罐底板，減緩穿孔腐蝕發(fā)生[11]；二是利用陰極保護的方法，這種方法可以有效延長儲罐的壽命[11,12]。但需要注意，使用犧牲陽極的材料電位差需要低于所保護的金屬，保證存在電位差；三是使用防腐涂層[9]。一般來說，儲罐底板使用防腐涂層時底漆優(yōu)先選用以環(huán)氧樹脂為基礎(chǔ)的高濃度鋅粉涂料，如無機富鋅底漆、環(huán)氧富鋅底漆，這種涂料最大的優(yōu)點是能對鋼材起到陰極保護作用，可焊性好；而面漆品類較多，目前推薦的主要有環(huán)氧酚醛樹脂和丙烯酸聚氨酯兩類，但是否滿足儲罐底板的服役工況和防腐要求仍待進一步測試確認。

2 實驗部分

2.1 實驗樣品

為進一步驗證儲罐底板防腐涂層（環(huán)氧酚醛樹脂面層和丙烯酸聚氨酯面層兩類）的防腐效果，通過鹽霧老化測試模擬了儲罐底板的服役工況。將儲罐底板切割成5×5cm的樣品，表面清潔后，底漆涂敷無機富鋅材料，面漆分別涂敷環(huán)氧酚醛樹脂和丙烯酸聚氨酯。

圖1 涂敷不同涂層的底板樣品

2.2 實驗測試程序

通過鹽霧老化測試模擬了儲罐底板的服役工況。將涂敷兩種涂層的底板樣品和未涂敷涂層樣品分別放進5%氯化鈉鹽霧老化箱中，泵壓力為1MPa，在35℃溫度條件下老化。加速老化測試結(jié)束后，對樣品缺陷面積進行評級。

其次采用原子力顯微鏡（AFM）對鹽霧老化測試后的三種樣品（無防腐涂層、丙烯酸聚氨酯涂層和環(huán)氧酚醛樹脂涂層）進行AFM表面粗糙度測試。

最后采用表面輪廓儀對鹽霧老化測試后的三種樣品（無防腐涂層、丙烯酸聚氨酯涂層和環(huán)氧酚醛樹脂涂層）進行腐蝕深度測試，進而得出腐蝕 速率。

3 結(jié)果與討論

鹽霧老化試驗周期為10d，試驗結(jié)束后對老化樣品的缺陷面積進行評級：未涂涂層樣品缺陷面積A為100%，丙烯酸聚氨酯涂層樣品的缺陷面積為10%＜A≤25%，環(huán)氧酚醛樹脂涂層樣品的缺陷面積為25%＜A≤50%，這表明丙烯酸聚氨酯涂層和環(huán)氧酚醛樹脂涂層具有良好的防腐蝕性能，可滿足儲罐底板的服役工況。圖2為不同涂層底板樣品的老化 照片。

圖2 不同涂層底板樣品老化照片

此外，對鹽霧老化測試后的三種樣品進行了表面粗糙度測試。通過不同涂層的樣品表面形貌圖（如圖3所示）和測試數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，丙烯酸聚氨酯涂層樣品和環(huán)氧酚醛樹脂涂層樣品的表面相對更平整光滑，粗糙度分別為15.5nm和9.3nm，而未涂涂層樣品的粗糙度為27.2nm。

圖3 老化樣品涂覆不同防腐材料形貌圖

采用表面輪廓儀測試了鹽霧老化測試后的三種樣品的表面腐蝕深度，進而得出腐蝕速率。金屬表面粗糙度對整體腐蝕、亞穩(wěn)態(tài)點蝕形核和點蝕電位都有重要影響[13,14]。通過不同涂層的表面輪廓儀測試圖和腐蝕速率數(shù)據(jù)可以看出，未涂涂層樣品的腐蝕速率最高為28um/a，而丙烯酸聚氨酯涂層樣品和環(huán)氧酚醛樹脂涂層樣品的腐蝕速率相對緩慢，分別為20um/a和10um/a。因而丙烯酸聚氨酯涂層和環(huán)氧酚醛涂層可以顯著提升儲罐底板的耐腐蝕性能。

圖4 不同涂層樣品的表面輪廓儀測試圖

4 結(jié)語

儲罐底板發(fā)生的孔蝕，穿孔等腐蝕問題主要是由原油中的酸性氣體，沉積水，硫酸鹽還原菌，外界環(huán)境等因素造成的。通過陰極保護法，增加材料厚度，使用防腐涂層等方法可以有效的減輕腐蝕帶來的影響，減緩腐蝕速率。

通過對比涂敷涂層和未涂敷涂層的鹽霧老化底板樣品測試結(jié)果，可以看出環(huán)氧酚醛樹脂涂層、丙烯酸聚氨酯涂層樣品的缺陷面積分別為10%＜A≤25%和25%＜A≤50%，具有良好的防腐蝕性能；丙烯酸聚氨酯涂層樣品和環(huán)氧酚醛樹脂涂層樣品的表面相對更平整光滑，表面粗糙度分別為15.5nm和9.3nm；兩者的腐蝕速率相對緩慢，分別為20um/a和10um/a，可顯著提升儲罐底板的耐腐蝕性能，從而有效保護罐底，延長儲罐使用壽命。