原油儲罐邊緣板腐蝕因素分析及對策研究

王 申, 雷 靜, 王路路

(1.中國石油錦州石化公司，遼寧 錦州 121000；2.中國石油蘭州石化公司，甘肅 蘭州 730060；3.荊門利盛石化工貿有限公司，湖北 荊門 448000)

儲罐是石油開采、儲運、加工過程中重要的基礎設施，其狀況影響整個石油石化系統的穩定運行。儲罐的腐蝕大多發生在罐底板，其中邊緣板腐蝕約占該類腐蝕的60%[1]。對儲罐底部外邊緣板采取適當的保護措施，對于提高儲罐的使用壽命，降低儲罐的安全風險至關重要[2]。

1 儲罐概況

某油庫隸屬于油田接轉站，該接轉站承擔油田區塊的油氣接轉任務，油庫儲罐外防腐層施工于2006年，到目前為止已經服役15 a。2016年8月對該庫區4個儲罐進行了外壁腐蝕評價和壁厚測量，檢查了罐底板。該次檢查中，重點測量了儲罐底座無保溫的邊緣板厚度。以人孔對應的部位為第一檢測區域，均勻劃分10個檢測區域并順時針進行編號，每個檢測區域取9個點測量外邊緣板厚度，測量結果見表1。

表1 邊緣板厚度測量結果 mm

儲罐底板(含邊緣板)公稱厚度8 mm，從表1可以看出，邊緣板部位腐蝕減薄嚴重。

2 儲罐邊緣板腐蝕成因

儲罐底部邊緣板的腐蝕與儲罐變形有關。儲罐變形主要由溫度和載荷的變化引起，儲罐變形使儲罐邊緣板與底板基座形成一條裂縫，該裂縫會隨著儲罐變形周期性地收縮與膨脹，并有擴大的趨勢[3]。該裂縫給外界的一些腐蝕介質如雨水、露水等的入侵提供了一條通道，使原有的防腐涂層失效。罐底邊緣板向上翹起，雨水、露水及氧等會侵入罐底板與基礎之間的縫隙，從而發生電化學腐蝕。腐蝕反應如下[4]：

氫氧化亞鐵進一步氧化成氫氧化鐵：

氫氧化鐵脫水后生成鐵銹：

在一系列電化學反應中，水和氧是腐蝕的基本因素。由于變形所產生的裂縫開口較小，侵入的水分不易蒸發，為電化學腐蝕創造了有利條件，而腐蝕產生的銹蝕物疏松透氣，有吸潮傾向，從而加速了腐蝕[5]。

3 常用防腐材料性能試驗

目前，國內常見的儲罐邊緣板防腐方法包括涂覆彈性聚氨酯(CTPU)防水涂料，纏繞防水膠帶、礦脂油帶等[6]。這些材料大體可以分為韌性較好的柔性材料和具有較高機械強度的剛性材料。選取了目前應用較多的CTPU、礦脂油帶和氧化聚合物(OTC)等3種防腐材料進行性能對比研究，主要進行了密閉防水性能、憎水性能和耐鹽霧性能試驗。

3.1 密封防水性能對比試驗

將CTPU、礦脂油帶、OTC等3種單一結構防腐層試件放入高壓釜中，加入質量分數5%的氯化鈉水溶液直至溶液完全浸沒試件為止。充入N2進行加壓，壓力5 MPa，溫度保持20 ℃，恒溫靜置時間分別為10 d和15 d，然后除掉鋼片表面防腐層，與無浸泡試件進行對比，觀察鋼片表面腐蝕情況。試件浸泡后鋼片的表面狀況見圖1至圖3。

從圖1至圖3可見，鹽水溶液從防腐層滲入造成鋼片腐蝕，浸泡時間越久，滲入的鹽水溶液越多，鋼片表面腐蝕越嚴重。3種單一結構防腐層試件在鹽水中浸泡10 d后，試件中的鋼片腐蝕情況差別不大。浸泡15 d后， CTPU試件腐蝕最嚴重，礦脂油帶試件腐蝕最輕微，其密閉防水性能從優到劣為：礦脂油帶>OTC>CTPU。

圖1 CTPU試件浸泡試驗后鋼片形貌

圖2 礦脂油帶試件浸泡試驗后鋼片形貌

圖3 OTC試件浸泡試驗后鋼片形貌

3.2 耐鹽霧性能對比試驗

按照ISO 9227相關標準要求的方法對CTPU、礦脂油帶、OTC等3種單一結構防腐層試件進行耐鹽霧性能測試，測試時間為720 h，測試結果見圖4。

圖4 單一結構防腐層耐鹽霧試驗后外觀

從圖4可以看出，經720 h耐鹽霧性能試驗后，CTPU結構防腐層出現與水泥基面脫落的情況，防腐層表面破損處出現銹跡，防腐層結構已失效；礦脂油帶結構防腐層表面無明顯變化； OTC結構防腐層表面出現明顯銹跡，防腐層破損失效。試驗結果表明：礦脂油帶結構的防腐層耐鹽霧性能優于CTPU和OTC結構防腐層。

3.3 憎水性能對比試驗

憎水性能是反映材料耐水滲透的一個技術指標。采取靜態接觸角法對不同防腐材料的憎水性能進行研究。接觸角越大，水溶液潤濕防腐層越難，防腐材料憎水性能越好。

CTPU、礦脂油帶、OTC等3種單一結構防腐層試件放入溫度為20 ℃的5%NaCl溶液中，恒溫靜置10 d和15 d后，測試防腐層表面的接觸角大小，接觸角隨時間變化情況見圖5。

圖5 防腐層接觸角隨浸泡時間的變化

從圖5可以看出，3種防腐層材料未浸泡時，防腐層表面接觸角差別不大，在20 ℃的5%NaCl溶液中浸泡10 d和15 d后接觸角變小，說明防腐層表面憎水性能明顯變差；浸泡時間越長，接觸角越小，憎水性能越差；礦脂油帶接觸角變小的趨勢比CTPU和OTC小，說明礦脂油帶的憎水性能比CTPU和OTC更好。

4 新型復合結構防腐層設計和應用

4.1 新型復合結構防腐層設計

針對儲罐邊緣板的腐蝕特點和環境情況，提出了一種柔性材料與剛性材料復合的新型防腐層設計方案，解決原油儲罐變形造成的防腐材料開裂、脫落等問題。

新型儲罐邊緣板防腐層結構為“內層防腐層+外層防護層”的復合結構。內層為防腐層，從內到外依次設置有防腐底漆層、中間填充層、防腐帶層；外層為防護層，包括聚乙烯夾克外保護層、法蘭及配套螺栓等。

第一層(防腐底漆層)為礦脂底漆，改善混凝土基臺和儲罐鋼板的表面質量；第二層(中間填充層)為礦脂膠泥，在混凝土基臺上形成斜坡，引導雨水流出，克服儲罐由于溫度和載荷變化而產生的變形；第三層(防腐帶層)為礦脂油帶，貼附兩層礦脂油帶，形成致密的油性防腐層；第四層為外保護層，為防腐層提供可靠的機械保護。

4.2 現場應用情況

4.2.1 原油儲罐邊緣板維修

2017年1月,新型防腐層在某商業儲備油公司原油儲罐上進行了應用，儲罐的應用情況見表2，完工效果見圖6。

表2 儲備油公司原油儲罐應用情況

工程完工半年后進入夏天，出現了較多的問題，主要有：(1)聚乙烯夾克外護層連接處斷裂脫開;(2)聚乙烯夾克外護層主體出現波浪式變形;(3)聚乙烯夾克外護層與礦脂油帶貼合處出現松脫。

圖6 新型防腐層施工完成后情況

結合現場施工環境和材料特點，分析導致材料出現質量問題的原因主要有：(1)冬季現場施工溫度低，最低溫度為零下10 ℃，直接影響了焊接質量;(2)聚乙烯夾克受溫度影響變形明顯，冬季施工溫度低,進入夏季，隨著環境溫度升高，片材自身逐漸延展，導致已經固定的片材鼓起，發生波浪式變形;(3)外護層的緊固是通過夾克形成一個連續的圓周后，對夾克進行較大力量的拉伸，再使用螺栓固定，使夾克緊緊貼覆在罐壁上;而罐體周長較長，曲率較小，聚乙烯夾克難以形成一個連續的圓周;兩個加固點的行程近乎于沒有弧度的直線，無法對夾克拉伸起到緊固的效果，加之夾克隨著溫度發生變形，就出現了松脫。

針對現場出現的情況，采取了以下措施：(1)將聚乙烯夾克拆除，保留內層防護材料;(2)對內層防腐層進行平整塑形，保證防腐層連續、平整;(3)表面涂刷厚度不少于1 mm的耐候材料。

4.2.2 典型環境下的儲罐邊緣板維修

針對初次應用中出現的問題，對方案進行了優化調整，對另外兩個典型環境下的儲罐進行了施工。防腐方案的應用情況見表3。

表3 邊緣板維修應用情況

由于大型儲罐直徑大、邊緣板很長，聚乙烯夾克在大型儲罐上應用效果不好。針對這一情況，在高寒地區較大的儲罐上改用環氧玻璃鋼結構，表面涂刷耐候膠衣，內層材料仍然采用礦脂油帶結構，從而有效抑制了鋼結構的腐蝕。

該復合結構防腐層為灰色，表面光滑平整，外護層機械強度高，能有效防止罐頂墜冰沖擊，外護層與儲罐罐壁粘接嚴密無縫隙，能有效起到防護作用，運行效果良好。

高溫罐罐體溫度高，普通的邊緣板防腐材料在高溫環境下很快變形失效，油性材料滲油嚴重。針對這一工況特點，采用耐高溫型的礦脂底油和礦脂膠泥，避免油脂滲出;外護層材料采用聚乙烯夾克，全部施工完成后跟蹤檢查，運行效果良好。

4.3 不同環境下邊緣板防腐方案選擇

綜合評價各方案應用效果，給出了不同環境下儲罐邊緣板的防腐方案,見表4。

表4 不同儲罐的邊緣板防腐方案

5 結 論

(1)通過現場調研和壁厚測量，對儲罐邊緣板腐蝕情況進行了分析評估，確定了儲罐邊緣板腐蝕的主要影響因素。

(2)設計出了一種“內柔外剛”的新型儲罐邊緣板復合結構防腐層,有效解決了儲罐邊緣板材料面臨的腐蝕、破損等問題，取得了良好的應用效果。

(3)通過現場應用和防腐效果評價，確定了不同環境下儲罐的邊緣板防腐方案。