鋼質儲罐海水充水試驗中防腐蝕措施的應用

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(1.天津臨港鐵路建設發展有限公司，天津 300300;2.中化石油福建有限公司，福建 廈門 361000)

自20世紀90年代開始，利用港口區域得天獨厚的物流優勢，石油化工倉儲商業罐區陸續在中國沿海各港口區域建設。

在儲罐全部焊接完成，進行充水試驗時，需要使用大量的淡水，而港口區域無疑是淡水緊缺的區域，淡水來源僅為自來水。對于罐容為3×104m3，甚至為10×104m3的大型鋼質儲罐來說，淡水充水試驗存在巨大困難:自來水流量小，積蓄時間長，導致充水試驗周期長;充水試驗作為項目施工和驗收的關鍵環節，對項目工期產生很大影響，尤其在北方港口區域，一年中實際可利用時間需扣除漫長的冬季，因此合理壓縮充水試驗周期顯得尤為重要。另一方面，商業自來水費用高，資金投入大，且由于大量使用自來水，會對該區域居民用水產生影響，需向當地自來水公司申報，用水批復存在難度。就近取用海水進行大型儲罐充水試驗可充分規避淡水充水試驗存在的困難，既利于保證工期，又利于節約成本。目前，在建設過程中考慮用海水進行大型儲罐充水試驗已成為建設單位積極采納的方式。但是海水在充水試驗過程中對鋼質儲罐的腐蝕是必須面對的不利因素，需要采取積極措施進行應對。

1 海水充水試驗的規范依據

根據GB 50128—2014《立式圓筒形鋼制焊接儲罐施工規范》7.4.1條規定，儲罐建造完畢后的充水試驗主要檢查以下內容：罐底嚴密性；罐壁強度及嚴密性； 固定頂的強度、穩定性和嚴密性；浮頂的升降試驗及嚴密性；浮頂排水管的嚴密性；基礎的沉降觀測。

同時該規范7.4.2條規定：充水試驗宜采用潔凈淡水；試驗水溫不應低于5 ℃；特殊情況下，采用其他液體為充水試驗介質時，應經有關部門批準。從該條款可以看出，港口區域淡水資源匱乏可作為“特殊情況”，海水作為“其他液體”可以被使用，但“應經有關部門批準”。天津港某石化倉儲項目的建設單位，通過項目部與規范編制單位進行積極溝通后得知，項目各參建單位即所指的“有關部門”。因此，制定一個嚴謹、科學并切實可行的充水試驗方案必不可少，該方案應經各參建單位(施工單位、監理單位、設計單位和建設單位等)共同確認批準才能實施。

2 海水充水試驗方案

以天津港某石化倉儲項目10×104m3外浮頂鋼質儲罐為例說明試驗過程。該罐直徑為80 m，罐高為21.8 m，儲存介質為原油或燃料油，無保溫。施工單位編制了海水充水試驗方案，并經專題會討論，設計、監理及業主各方批準后執行。

2.1 試驗前儲罐內表面防腐蝕涂裝

為了把海水對儲罐內表面的腐蝕降到最小，該方案進行了工序優化，即在儲罐充水試驗前，按照設計防腐蝕要求進行了內防腐蝕涂裝施工。

除焊縫外，對罐底板上表面及罐底以上1.8 m罐壁內表面進行了涂層防腐蝕處理。要求除銹等級達到Sa2.5級；涂環氧富鋅底漆2道，干膜厚度不得小于80 μm；涂環氧玻璃鱗片中間漆2道，干膜厚度不得小于150 μm；涂環氧類厚漿型不導電面漆2道，干膜厚度不得小于120 μm；最終涂層干膜總厚度不得小于350 μm。對浮頂底板下表面進行了涂層防腐蝕施工，涂刷環氧耐油導電防腐蝕底漆2道，干膜厚度不得小于80 μm；涂環氧耐油導電防腐蝕中間漆2道，干膜厚度不得小于80 μm；涂環氧耐油導電防腐蝕面漆2道，干膜厚度不得小于90 μm；最終涂層干膜總厚度不得小于250 μm。

2.2 正式犧牲陽極塊的安裝

完成設計文件中要求的犧牲陽極塊安裝。設計保護期為15 a，陽極單體質量35 kg，共181塊。鋁陽極為支架式安裝，陽極兩端的扁鋼與罐體采用電焊方式連接。

2.3 臨時鋁陽極帶的加裝

2.3.1 臨時鋁陽極帶

該工程通過加裝臨時鋁陽極帶與儲罐內表面預防腐蝕涂層、正式犧牲陽極塊聯合發揮作用。臨時鋁陽極帶規格及主要技術指標見表1和表2。

表1 鋁陽極帶規格

表2 鋁陽極帶主要參數

2.3.2 陽極鋼芯

陽極鋼芯采用Q235A，其材質應符合GB/T 700—2006《碳素結構鋼》的規定。

在鑄造陽極之前，陽極鋼芯表面應進行噴砂處理，處理后的表面應達到Sa2.5級。

2.3.3 陽極外觀

(1)陽極表面如出現裂紋，會降低陽極的性能。

縱向裂紋是不允許的。橫向裂紋以下列條件為限：長度小于50 mm，深度不超過5 mm的裂紋一般是允許的，但不允許有裂紋集中區存在。

(2)陽極表面缺陷不能超過下列指標：

收縮凹陷最大凹陷深度應不超過陽極厚度的10%。

冷縮和表面重疊的深度和厚度不能超過陽極厚度的10%，總長度不能超過陽極長度的10%。

(3)陽極電纜接頭端面用環氧樹脂涂敷，厚度為250 μm;陽極的暴露表面，作為工作面不能有油漆、熔渣、毛刺或其他任何污染物存在。

(4)陽極基體與鋼芯之間接觸電阻為零。

2.4 設計計算

2.4.1 電流密度的確定

陰極電流密度的確定需要考慮介質條件、溫度和鋼結構的表面狀態等。根據GB 50393—2008《鋼質石油儲罐防腐蝕工程技術規范》的相關規定，海水中有涂層防護的金屬，陰極保護的電流密度按照10～30 mA計算，該罐保護電流密度取30 mA;海水中無涂層金屬陰極保護的電流密度按照70～100 mA計算，該方案考慮罐底部及相關附件保護，電流密度取最大值100 mA。

2.4.2 保護電流量

參照設計文件，安裝正式陽極后，設計保護期為15 a，陽極單體質量35 kg，共181塊，保護電流密度為20 mA，保護范圍是罐底板及罐底以上 2 m罐壁內表面。罐內介質按原油或燃料油計算，因此海水充水試驗期間仍需考慮強腐蝕介質的影響，為安全起見均取最大值(罐高取20 m)，所以保護面積應為：

S總保護面積=S罐底上表面+S罐壁+S浮頂下表面

=π×402+π×80×20+π×402

=15 072 (m2)

式中：S總保護面積為儲罐內表面總保護面積，m2；S罐底上表面為儲罐底板上表面面積，m2；S罐壁為儲罐罐壁內表面面積，m2；S浮頂下表面為浮頂下表面面積，m2。

罐壁所需保護電流

I1=i1×S罐壁=100×10-3×5 024

=502.4 (A)

罐底板與浮頂下表面所需保護電流

I2=i2×(S浮頂下表面+S罐底上表面)

=30×10-3×5 024×2

=301.44 (A)

所需保護總電流

I總=I1+I2=502.4+301.44=803.84 (A)

式中：I1為罐壁所需保護電流，A；i1為無涂層防護的金屬電流密度，取值100 mA；I2為儲罐底板上表面與浮頂下表面所需保護電流，A；i2為有涂層防護的金屬電流密度，取值30 mA；I總為儲罐內表面所需保護總電流，A。

2.4.3 陽極數量

所需陽極質量

=567.42 kg

采用的陽極規格為9.5 mm×19 mm，可計算

出所需陽極帶長度

L=W/0.554=1 024 m

式中：W為所需臨時鋁陽極帶質量，kg；L為所需臨時鋁陽極帶長度，m。

2.5 安裝要求

將1 024 m長鋁陽極帶按40.96 m一段分成25段，罐體中心分布1段，距罐壁1 m處等距分布16段，距罐壁5 m處等距分布8段。鋁陽極帶一端焊接在罐底板上，另一端焊接在浮頂底板上，采用普通焊接，鋁陽極帶中間3.2 mm為承重鋼絲。焊接好后，將焊點周圍直徑30 mm區域除銹，涂刷涂料并干燥。隨著充水試驗液面的升高，浮頂上升將鋁陽極帶拉伸呈彈簧形狀均勻排列于充滿海水的罐體之中。

鋁陽極帶的焊縫應避讓浮頂底板與罐底板焊縫，間距不小于300 mm。陽極帶的位置可根據現場具體情況進行調整。其安裝位置示意見圖1。

圖1 鋁陽極帶安裝位置示意

3 充水試驗過程

3.1 儲罐充水前準備

從海邊至儲罐接駁臨時鑄鐵水管，管子規格為DN350；安裝并調試充水泵流量為700 m3/h，揚程為50 m，共3臺，兩用一備。管線進口設置金屬過濾網并定期進行清理和檢修，以便對海水中的雜物進行過濾。同時，進行罐體清理、檢查和封閉。

3.2 儲罐充水試驗流程

儲罐充水試驗流程：儲罐基礎觀測→第一階段注水(至1.8 m停置)→檢查浮頂焊縫嚴密性→第二階段注水(至1/4罐高，停置12 h)→沉降觀測→第三階段注水(至1/2罐高，停置12 h)→沉降觀測→第四階段注水(至3/4罐高，停置12 h)→沉降觀測→第五階段注水(至最高液位停置120 h)→沉降觀測→放水→緊隨放水過程淡水沖洗罐壁→水放盡→拆除臨時管線→打開人孔等開孔→罐內沖洗清理。

3.3 試驗后儲罐內部清理

充水試驗結束后，檢驗陰極保護效果，去除全部鋁陽極帶，再用高壓淡水沖刷儲罐內壁，清潔后利用便攜式鹽度測試儀對表面進行檢測，罐壁鋼鐵表面氯離子殘留小于25 mg/L視為清洗結束,可進行下一步防腐蝕施工。

3.3.1 儲罐內壁清洗

(1)在浮頂上表面設置2個儲存淡水的水箱，每個水箱容積2 m3，利用高壓水泵對罐內壁進行沖洗，邊沖洗邊用毛刷對罐壁進行清理。罐壁的沖洗必須隨著儲罐放水的過程進行。

(2)在海水排凈后，對浮頂下表面和罐底板上表面進行沖洗。對該部位進行沖洗前，應將罐內所有海水及雜物清理干凈，然后再利用淡水進行沖洗。

3.3.2 罐內空氣干燥

沖洗完成后，將罐內所有污水清理干凈，然后將浮頂人孔全部打開，在儲罐罐壁人孔處安裝3臺軸流風機，向罐內鼓入外界干燥的空氣，當罐中心的濕度不大于80%時，方可進行罐內壁及底板的防腐蝕施工。

4 充水試驗后防腐涂層修復

完成儲罐內部清理，且濕度達到要求后，開始對儲罐內表面焊縫及防腐涂層破損處進行全面修復。除銹使其表面等級達到St3級，嚴格按正常防腐蝕工序對防腐涂層破損處進行修復。

由于儲罐罐底面積較大，為避免遺漏，修復過程中，以儲罐中心為軸心，在半徑方向上均勻分布人員，然后按逆時針方向排查，對防腐涂層破損處進行編號，并注意檢查確認修復效果。

5 結束語

通過嚴格執行試驗方案，完善輔助工序，加強施工管理，采取儲罐內表面涂層防腐蝕、安裝正式犧牲陽極塊及加裝臨時鋁陽極帶等防護措施，順利完成了儲罐海水充水試驗工作。充水試驗完成后，經目測及儀器檢查，儲罐內表面受海水腐蝕影響較小，較好地控制了海水充水試驗對儲罐內表面造成的腐蝕。