储油罐罐底板全面腐蚀控制

储油罐罐底板全面腐蚀控制
过梦飞
(中国石化股份有限公司管道科学研究院,江苏徐州221008) 摘要:罐底板的腐蚀一直严重威胁着安全生产,文章对罐底板的各种腐蚀原因进行了分析,提出了合理的罐底板防腐涂料和阴极保护方式选择的方案以及从设计施工等方面如何采取有利于防腐的做法,尤其对边缘板的防腐作了特别论述,以有效地全面控制罐底板的腐蚀。

关键词:罐底;腐蚀;涂料;阴极保护;控制;防腐;边缘板
中图分类号: TE988 文献标识码:A
1 引言
地上钢质储油罐是石油、石化行业油品输送、储存及安全运营必不可少的设施,但在运行中,经常遭受内、外环境介质的腐蚀。

在储罐的多次腐蚀事故中,罐底板腐蚀穿孔是频率最高的,所以,有必要对储罐罐底实施有效的防腐措施,减少泄漏事故的发生以及延长大修周期。

涂料防腐是用涂层将金属与介质隔开,起到保护金属的作用。

但由于涂层本身有微孔,老化后又易出现龟裂、剥离等现象,再若施工质量不良,产生针孔,这样裸露的金属形成小阳极,涂层部分成为大阴极而产生局部腐蚀电池,进而使漆膜破坏得更快。

因此,采用单独的涂料保护,得不到满意的效果。

若采用涂料与阴极保护联合防护,则裸露的金属获得了集中的电流保护,弥补了涂层缺陷,是储罐罐底防腐最为经济有效的方法[1 ]。

由于考虑投资等各方面的因素,本文对采用阴极保护情况下的涂料选择方案和不采用阴极保护情况下的涂料选择方案进行了分别论述。

储罐边缘板在整个罐结构中的作用十分重要,但由于容易渗进水,是容易遭受腐蚀的部位,也直接关系着储罐的安全生产,而目前运行的储罐都没有采取有效的防腐措施,原样更换也不是解决问题的根本办法。

因此,要全面控制罐底板的腐蚀,除了对罐底板主体进行防护外,有必要对边缘板外露部分(下文中边缘板都特指边缘板外露部分) 也采取有效的防腐措施。

2 罐底上表面的保护
罐底上表面的腐蚀主要表现为电化学腐蚀。

由于油品存储、输转期间所携带的水份及由气相水蒸气的凝结水下沉的水份都沉积在罐底部,少则200～300 mm ,多则可达800 mm[2 ]。

由于这部分含油污水的矿化度很高,含Cl - 高或含有大量的硫酸盐还原菌,当溶有H2S、CO2 等有害物质时,使得罐底部的腐蚀性很强。

当采用加热盘管时,温度的因素及盘管支架焊接时形成的电偶因素都将加剧它的腐蚀。

2．1 阴极保护
对罐底上表面的阴极保护推荐采用牺牲阳极阴极保护。

对于阳极品种的选择,考虑到温度影响不宜选用锌阳极,考虑到安全因素不宜选用镁阳极,所以多选用铝合金阳极。

牺牲阳极易于安装,而且当阳极消耗为初始重量的85 %时,可以利用清罐机会进行更换。

设计实例: 1999 年我公司某泵站新建的一座20 000 m3储罐的底板上应用了牺牲阳极保护,保护范围为整个罐底板及罐壁下部1 m 高的表面。

经计算并考虑设计裕量,共使用了54 块22 kg 的铝合金阳极,阳极直接焊接在罐底上表面及罐壁下部,在罐底上呈环状分布。

图2 铝合金阳极与罐底板焊接示意图
图1 铝合金阳极平面布置示意图
2．2 涂料防腐
由于罐底所处的腐蚀环境,对内防腐覆盖层基本要求是:遇到存储产品不变质,耐潮、抗渗透,对金属表面有很好的附着性能,抗冲击、抗阴极剥离,易修补,耐老化性能好,耐存储温度。

由于输送过程中油品和管壁的摩擦,流经泵和过滤器等都会产生静电,在管路末端没有消散的静电将进入油罐,在油罐内,油品和油罐接管内壁摩擦、油品之间的相对运动也会产生静电,若采用普通的绝缘覆盖层,其电阻率多在1 ×109～1 ×1013Ω之间,阻断原油储运中产生的静电高压,可能会放电击穿油气层,发生事故。

所以要求使用电阻率在1 ×108Ω以下的防静电涂料[3 ] 。

但由于罐底板安装了牺牲阳极,静电可通过阳极导走(因为阳极直接焊接在罐底板上) ,所以没必要用防静电涂料。

推荐涂料:重型玻璃鳞片涂料。

玻璃鳞片涂料具有以下优点:优良的抗渗透性,优良的抗冲击性能,良好的粘结力,良好的耐磨性,耐化学介质浸泡,溶剂少,固体含量高,可作厚涂。

若考虑清罐困难,不采用牺牲阳极保护,则推荐以下防腐方案:
T521 聚氨酯防静电涂料作面漆,配套以炭黑为导电填料的E544 环氧防静电涂料作中间漆,以无机富锌T558 防静电涂料为底漆[4 ]。

若只用无机富锌涂料,有如下缺点:锌是两性金属,不但能溶于酸,还能溶于碱。

Zn + 2NaOH + 2H2O = Na2 [ Zn (OH) 4 ] + H2 ↑
以上涂料选择方案可避免富锌涂料过早失效。

2．3边缘板的防腐
热喷涂是把喷涂的金属原料在高温下熔化,用压缩空气或其它惰性气体将熔化的金属吹成雾状,迅速地喷射到预先准备好的金属物体表面上,这些细小的金属颗粒在飞射过程中是处于熔化状态,当撞到被喷涂的物体表面后,立即变形、伸平并迅速冷却,紧紧地嵌附在被喷涂物体表面,连续喷射便形成喷涂层[5 ]。

因罐内的牺牲阳极无法对边缘板的外露部分提供保护,而外露部分所处的环境恶劣,所以推荐采用热喷涂铝防腐。

喷涂层可经受典型的高温考验,能有效地隔绝腐蚀介质的渗透,防止钢板在介质中的电化学腐蚀,铝覆盖层还能起到牺牲阳极的作用(若喷涂其它电位比铁正的金属,则存在形成大阴极小阳极的危险) 。

普通的涂料防腐,则有必要定期进行除锈更新,以上作法虽然一次性投资较高,但基本可一劳永逸。

澳大利亚的International Protective Coating 公司的论文通过比较2 种典型防腐层的整体寿命和目前的净费用,认为对长寿命设施使用高性能的防腐体系更为经济[6 ]。

3 罐底下表面的保护
罐底下表面腐蚀原因主要有以下几种:土壤腐蚀:储罐基础以砂层和沥青砂为主要构造,罐底板坐落在沥青砂面上。

由于罐中满载和空载交替,冬季和夏季温度及地下水的影响,使得沥青砂层上出现断裂缝,致使地下水上升,接近罐的底板造成腐蚀。

当油罐的温度较高时,使得底板周围地下水蒸发,造成盐分浓度增加,提高了它的腐蚀性。

氧浓差电池腐蚀:在罐底,氧浓差主要表现在罐底板与砂基础接触不良,如满载和空载比较,空载时接触不良;再有罐周和罐中心部位的透气性差别,也会引起氧浓差电池,这时中心部位成为阳极而被腐蚀。

杂散电流的腐蚀:罐区是地中电流较为复杂的区域。

当站内管网有阴极保护而罐未受保护时,则可能形成杂散电流干扰影响;周围有电焊机施工、电气化铁路、直流用电设备,都有可能产生杂散电流。

3．1阴极保护
对新建储罐底板下表面的阴极保护推荐使用混合金属氧化物网状阳极系统。

该系统由混合金属氧化物阳极带和钛导电片组成,阳极网处于罐底板下面的回填沙中,钛连接片与阳极带垂直交叉并焊接在一起,数根阳极电缆分别与钛连接片焊接。

若需监测保护电位,还可以在罐底板中心至圈梁段沿半径埋设长效Cu/ CuSO4 参比电极。

该系统具有其他阴极保护系统没有的很多优点,而且能对罐底板实行有效的保护。

图3 网状阳极安装示意图
3．2 涂料防腐
因为罐底板下表面防腐覆盖层在储罐底板敷设完毕后,要经过焊接考验,涂装作业不能进行返工,也不可能进行第二次涂装作业,所以,防腐覆盖层首先必须是可焊的,焊接不能破坏覆盖层的结构,并要求涂装涂料的有效防腐时间长。

所以通常采用无机富锌漆,但考虑到此涂料导电性能较好,将漏失阴极保护电流,所以推荐采用非导电型的环氧涂料。

若不采用阴极保护,则无机富锌涂料是优先选择,因为它具有以下优点:优良的耐热耐老化性能,极强的粘结力,优良的硬度和耐磨性,优良的耐溶剂性,优良的防锈性能,漆膜有阴极保护作用,属水性涂料,无毒无臭,施工简单,使用方便。

3．3 边缘板的保护
由于圈梁的阻隔,边缘板部位是阴极保护的盲区。

同时由于储罐装油后,边缘板微上翘,雨水很容易流进边缘板与基础的缝隙中。

一方面,水的进入,若采用的是无机富锌涂料,将导致涂料成份中的锌的牺牲阳极作用过早失效。

4Zn + 2O2 + 3H2O + CO2 = ZnCO3·3Zn (OH) 2
另一方面,水在缝隙中的滞留,将导致缝隙腐蚀。

刚开始有如下反应:
M →M2 + + 2e
O2 + 2H2O + 4e →4OH-
若有Cl - 存在,则有如下反应:MCl2 + 2H2O =M(OH) 2 ↓+ 2HCl ,于是缝隙内pH 值下降,金属溶解增加又使迁移增加,出现明显的腐蚀加速和自动催化过程[7 ]。

腐蚀进一步加快。

而该缝隙内很容易引进Cl - :罐体保温材料为岩棉或超细玻璃棉,这些材料是由矿物煅烧粘接加工而成的。

由于矿物中含有大量的无机盐,经过处理后制成的保温材料,仍含有氯化物、氟化物、硫化物等有害成份。

有由于该材料由柱状纤维组成,很容易吸湿,其内可溶物的溶解后可流入缝隙内。

文献[ 8 ]分析了紧贴罐壁的玻璃棉中的Cl - 高达116 % ,而玻璃棉本身含Cl - 的浓度为1 800 mg/ L 。

为了阻止雨水进入缝隙,比较常规的做法是用石棉绳填塞在缝隙中,再用防水胶与玻璃纤维布混合结构密封。

但这种处理方法的弊端很大,实际上起不到很好的防水作用[9 ]。

文献[ 9 ] 选择了一种“切削环梁外露角,于边缘板外下焊一圈圆钢”的结构,具体是切削环梁外露角(对已建储罐) ,于边缘板的外下沿焊一圈D6 的圆钢,焊完后再用防水密封胶密封和填平焊接处。

这种结构有效控制了水份进入边缘板与基础的缝隙中并减少了因边缘板上翘而造成的积水,而且施工方便,效果好(若担心连续焊对罐体与底板焊缝的影响,可点焊) 。

此结构在本公司的储罐进行了试验,取得了很好的应用效果,推荐采用。

图4 雨水进入边缘板与基础之间的缝隙示意图
图5 防水结构示意图
4 设计和施工
4．1 设计思路的改变
4．1．1目前,国内立式圆柱形油罐基础顶面的形状均为正圆锥形,目的是当罐基础沉降稳定后仍能保持这个形状,便于排除油罐底面上的积水。

文献[10 ]通过对罐基础沉降发生后罐底板实际形状的分析研究认为:中心高、四周低的形状在基础沉降后将不能保持,基础发生沉降时,罐底板的面积大于油罐基础的表面积,沉降后,罐底板发生凹凸变形,且这种凹凸变形将无法保证原设计排水坑处于罐基础最低点,造成排水困难。

底板的沉积水份散于各个凹坑中,加速了凹坑处底板的腐蚀。

所以,为了防止
基础沉降前后的形状改变对底板的腐蚀,建议参考国外中心低、四周高的罐基础形状,以一种全新的观念去重新设计罐基础。

4．1．2不少储罐经一段时间的使用后,罐基础边缘高于罐基础底板,这样边缘板易存水并腐蚀边缘板。

同时常规的保温材料易发生虹吸现象,造成壁板下部腐蚀。

所以,设计时,可将此因素考虑进去,避免边缘板上表面积水。

4．2 施工注意事项
4．2．1 罐底基础施工
罐底基础施工的施工质量是保证罐底板免受快速腐蚀的前提。

从许多储罐的腐蚀情况来看有时是焊接质量问题而导致的,所以有必要从建罐开始就严格控制施工质量,以免在运行中留下隐患。

4．2．2 涂料涂装
不管是罐底板的上表面还是下表面,在涂料涂装之前,均应先清除钢板表面的油污、泥沙、水份等杂质,并保持金属表面干燥清洁。

并建议采用喷砂除锈,表面处理质量应达到GB 8923 规定的Sa215级。

涂装过程的质量检查应包括外观检查、漏点检查和覆盖层厚度检查。

5 小结及说明
5．1 从油罐的安全出发,要求选用导静电的涂料,而从阴极保护考虑,导电即意味着保护电流的流失,若电流流失过多,则牺牲阳极消耗快且每个牺牲阳极保护的覆盖面就小,所以有必要综合考虑这两方面的要求。

5．2 若是新建储罐附近已有其它储罐和管网,则可考虑使用深井阳极,将整个罐区和管网纳入阴极保护系统中。

当然亦可对新建罐单独作阴极保护。

5．3 对罐底板上表面,必须在焊完牺牲阳极后再进行涂料涂装。

5．4在输送过程中,因成品油比原油更易产生静电,若储罐盛装成品油,则在选用罐底板上表面的涂料时,为了尽快把静电导走,宜选用电阻率较低一些的防静电涂料。

5．5边缘板的上下表面的腐蚀都与保温材料有密切关系,引起腐蚀的主要原因是保温材料含有较多的有害物质,材料本身的吸水性又强。

建议采用难燃型低密度聚乙烯高发泡板材[8 ]。

当然,做好金属防护层与保温层外底角缝的密封处理也是非常必要的。

通过以上对储罐罐底板全方位的防护, 一定能有效的延缓其腐蚀穿孔,保证储罐更安全运行,延长大修周期,节约费用。

参考文献:
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[2] 胡士信1 阴极保护工程手册[M]1 北京:化学工业出版社,1999. 2341
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[4] 宋广成 1 石油产品储罐内壁防静电防腐蚀涂料漆层结构与应用原理[J ]1 腐蚀与防护,2000 ,21 (1) :252281
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[6] 卢绮敏1 石油腐蚀与防护领域的新进展[J ]1 石油规划设计,1999 ,10 (3) :4261
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[8] 王巍,等1 储油罐罐底角腐蚀与对策[J ]1 腐蚀与防护,2000 ,21 (1) :292311
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