儲罐工程海水充水試驗防腐蝕技術的應用研究

張亞黎

中海油石化工程有限公司 山東濟南 250000

儲罐工程海水充水試驗適合的防腐蝕技術是添加緩蝕劑和電化學保護，但適用于海水環境的緩蝕劑種類較少。因此，增加臨時犧牲陽極成為儲罐工程海水充水試驗防腐蝕的可行方法。

1 充水試驗防腐蝕的工藝原理

1.1 物理隔離防護

在儲罐工程海水充水試驗之前，所有儲罐開口位置上的連接設備、閥門、液位計等不參與壓力試驗的電儀部件不需要安裝，同時，要嚴格按照設計文件要求對禁止接觸海水的部件開展臨時性的防腐蝕處理，使其表面和海水有效隔離。

1.2 電化學防護

海水腐蝕原理是典型的電解質化學腐蝕，結合海水電解質腐蝕的基本原理，借助犧牲陽極保護是海水全部浸入其中的理想化防腐蝕方法。在鋼制儲罐內壁通過增加臨時鋁合金犧牲陽極，會在鋁合金犧牲陽極的作用下形成微電池的陽極，相對活性較弱的儲罐鋼板是陰極，在開展儲罐工程海水充水試驗操作的時候，鋁合金陽極塊（帶）會成為出現腐蝕的陽極，最終保護儲罐壁板不遭受腐蝕。

2 儲罐工程海水充水試驗防腐蝕技術應用研究

2.1 臨時犧牲陽極方案設計

為了減少儲罐罐體充海水期間產生的腐蝕，特別是焊縫及其熱影響區的預防腐蝕問題，必須采取有效的保護措施，消除鋼板及焊接部位因海水電化學腐蝕對儲罐質量造成的影響。由于Al- Zn- In 系鋁合金犧牲陽極具有電容量大、價格相對低廉等優點，近年來被大量的用到罐內陰極保護中。具體為：在浮頂內表面及罐側壁內表面兩部分安裝臨時帶狀鋁陽極；在底板內表面安裝永久塊狀鋁合金陽極。臨時帶狀鋁陽極極化的面積是側壁和浮頂下表面；永久塊狀鋁陽極極化罐底板上表面。由此鋁陽極保護范圍為罐底板內表面、儲罐側壁、浮頂下表面以及附屬鋼結構。以某地區原油儲備項目10×104m3的浮頂鋼質儲罐為例，研究儲罐工程海水充水試驗防腐蝕的試驗項目。

2.1.1 基本參數

浮頂鋼質儲罐直徑為80m，罐的高度為21.8m，儲存介質為原油。

采用的臨時保護陽極類型及型號規格是帶狀鋁合金犧牲陽極，成分為鋁鋅銦錫鎂，規格為9.5mm×19mm，重量0.554kg/ m，保護時間60d。根據GB/ T50393- 2017保護電流密度取值是浮頂下表面（有涂層） 取值30mA/ m2；側壁（裸露）取值100mA/ m2。

2.1.2 單臺罐臨時帶狀鋁陽極保護面積

2.1.3 所需保護電流

2.1.4 單臺罐極化過程臨時帶狀鋁陽極用量計算

（1）浮頂下表面和罐壁側壁犧牲陽極選型及發生電流

選用Al- Zn- In 系高活性犧牲陽極，陽極規格按規范及相關工程經驗結合《技術條件》選擇，浮頂下表面采用帶狀鋁陽極規格型號為：9.5mm ×19mm ×10000mm，5.5kg/ 條。儲罐側壁采用帶狀鋁陽極規格型號為：9.5mm×19mm×22000mm，12.1kg/ 條。

式中:△E——陽極的驅動電位，取0.25V

R——陽極的接水電阻，Ω

ρ——介質的電阻率35Ω·cm（參照當地海水水源電阻率取值）

L——陽極長度，cm

r——陽極當量半徑，cm

計算可得：

浮頂下表面帶狀鋁陽極（9.5mm ×19mm ×10000mm）R1=0.041Ω；Ia1=6.07A。

儲罐側壁帶狀鋁陽極（9.5mm×19mm×22000mm）R2=0.021Ω；Ia2=12.06A。

（2）罐底板內表面陽極發生電流

因充水試壓前罐底板需安裝長效保護所用鋁合金犧牲陽極塊，規格為750mm×（115mm+135mm）×130mm，凈重32kg/ 支，數量為252 塊。

支架式鋁陽極塊發生電流按照前述公式計算可得：

罐底板內部表面鋁陽極R=0.2Ω；Ia =1.25A；

根據計算所得，長效鋁合金犧牲陽極發生電流大于所需保護電流，所以不需要再在罐底內表面設置臨時帶狀犧牲陽極。

（3）所需帶狀鋁陽極數量

浮頂下表面帶狀鋁陽極（9.5mm ×19mm ×10000mm）數量=1.1（I浮頂/ Ia1）=1.1×150.72/ 6.07= 28（取整）

儲罐側壁帶狀鋁陽極（9.5mm×19mm×22000mm）數量=1.1（I側壁/ Ia2）=1.1×502.4/ 12.06=46（取整）

（4）陽極使用壽命核算

式中：t——陽極使用壽命，a；

G——單個陽極凈重量；

Q——陽極實際電容量，2400A·h/ kg；

1/ K——陽極利用系數，取值為0.85；

Im——每塊陽極的平均發生電流，A，Im=0.7Ia。

計算得：

浮頂下表面帶狀鋁陽極（9.5mm ×19mm ×10000mm）壽命t=0.3 年＞60d，滿足設計要求。儲罐側壁帶狀鋁陽極（9.5mm×19mm×22000mm）壽命t=0.33年＞60d，滿足設計要求。

最終得到單臺儲罐海水試壓選用臨時帶狀鋁陽極情況如表1 所示。

表1 各部位帶狀鋁陽極規格及數量

2.1.5 犧牲陽極帶布置

（1）儲罐側壁陽極安裝分布：保護儲罐側壁的陽極帶在（浮頂、儲罐底板）直徑為78m 處46 條帶狀鋁陽極沿儲罐內部外邊緣環形均勻分布，每間隔約5m 弦長及距側壁1m 位置設置1 條帶狀鋁陽極，鋁帶一端與罐底板焊接，另一端與浮頂底板上的套筒或加強筋焊接，浮頂上浮前，陽極帶彎曲處在底板和浮頂之間。鋁帶兩端連接“L”型構件后通過電焊點焊與儲罐浮頂及罐底板電連接導通。

（2）浮頂下表面分布：以任一直徑為中軸線，兩側相鄰每間隔10m 依次平行于中軸線放線，中軸線兩側各放4 條平行線（最外側平行線與相鄰平行線間隔5m）。

2.1.6 鋁犧牲陽極性能參數

（鋁- 鋅- 銦- 錫- 鎂）鋁合金陽極化學成分如表2 所示；鋁合金陽極電化學性能（常溫介質溫度15～30℃條件下的電化學性能參數）如表3 所示。

表3 鋁合金陽極電化學性能

2.2 充水試驗過程

2.2.1 儲罐充水前的準備工作

按照方案安裝焊接犧牲陽極帶及永久性犧牲陽極塊，對罐內進行清理，清理完畢后封閉罐壁上所有管口，檢查法蘭密封嚴密。儲罐充水前準備時所使用的管子規格型號為DN350，選擇好管材后按照規范標準進行安裝，充水泵的流量為每小時不小于700m3，水泵揚程不小于50m，兩用一備。水泵入口處應設置金屬過濾網，并需要進行定期檢查、清理，目的是實現對海水中雜物的有效過濾。應選擇使用水泵葉輪和泵腔內部有鍍層的輸水泵，要具備良好的海水抗腐蝕性能。查閱當地海水潮汐時刻表來確定水泵的安裝位置和高程。

2.2.2 儲罐充水試驗流程

儲罐充水試驗流程是儲罐的基礎觀測，觀測之后進行第一階段的注水，在注水高度達到2.2m 的時候，浮頂剛剛達到漂浮狀態，停止充水，進行浮頂焊縫的嚴密性檢查。按照設計文件或規范要求進行充水、靜置、沉降觀測等操作，完成充水試驗各項檢驗目的。充水試驗符合要求后放水，浮頂立柱調整，調整完成后排出全部海水，進行清罐處理。

2.2.3 防腐蝕施工要點

表2（鋁-鋅-銦-錫-鎂）鋁合金陽極化學成分 %

按照國家鋁鋅系合金犧牲陽極的基本要求，選擇鋁鋅合金犧牲陽極材料數量時要充分滿足儲罐的防護需要，使其被保護面積、保護電流密度、發生的電流量和陽極壽命符合規范要求。第一，保護面積的計算。儲罐陰極保護設計要考慮儲罐體積、性能、屬性等總體因素。被保護面積應包含浮頂底板、罐底板、罐壁板以及其它鋼結構附件面積總和。第二，保護電流密度的確定。按照設計文件的基本要求，儲罐底板、罐內壁保護電流的密度為15mA/ m3。考慮到海水試驗時儲罐防腐底漆保護不到位的問題，所以設計出來的保護電流密度要大一些，即可以按照30mA/ m3進行計算。第三，Al- Zn- In 系鋁合金犧牲陽極使用數量。考慮到大型原油儲罐設計均采用了犧牲陽極保護的方式，因此，為了能夠節約施工成本，在不影響儲罐正式鋁合金犧牲陽極原來保護期限的情況下，需要在原本設計的鋁合金犧牲陽極數量上增加一定量的臨時鋁合金犧牲陽極，用于抵消罐體海水試壓階段正式鋁合金犧牲陽極消耗。

罐體注入海水試壓60d 左右，雖然損失較多的犧牲陽極，但是罐體本身不會出現腐蝕的坑點，所有焊接部位達到了預期的檢驗目的。如果使用淡水開展試壓操作，按照2 元/ m3進行計算，每臺10 萬m3儲罐試驗的消耗資金為20 萬元。

3 結語

大型原油儲罐海水試壓采取增加臨時鋁合金犧牲陽極的方式是具有實際應用意義，特別是在淡水相對緊張的沿海地區，開展儲罐海水試壓操作十分必要。