ZARE阴极保护技术在治理液态烃球罐SSCC中的应用与实践

关延军　马金鹏　董林国

摘 要：针对吉林石化公司炼制含硫俄罗斯原油液态烃球罐的使用安全风险加大，经过大量调研，提出一项具有针对性的ZARE防止球罐应力腐蚀的技术，旨在预防和降低液态烃球罐发生应力腐蚀开裂的使用风险，提高球罐的安全使用寿命，消除炼化企业的一个设备管理瓶颈，ZARE技术为国内首创且已得到中石油炼化分公司正式推广认可的技术，在一些中石化、中石油企业应用取得了显著成效，针对吉林石化公司液态烃球罐工艺介质特点采取zare阴极保护技术，具有可信性和合理性。

关键词：液态烃；硫化物；球罐；应力腐蚀；ZARE 阴极保护

液态烃球罐在国内炼化行业大量分布，一个千万吨炼厂球罐数量一般在30-50台左右，近年来随着吉林石化公司炼制俄罗斯原油硫含量的提高，设备尤其是属于III类压力容器的液态烃球罐的安全使用风险也在加大，因此防止、抑制球罐发生应力腐蚀，成为吉林石化公司设备、安全管理一个当务之急的现实问题。

由于球罐发生应力腐蚀开裂无任何征兆，具有隐蔽性、突发性的特点，所以一旦发生腐蚀泄露，其造成的后果往往具有灾难性的，球罐发生硫化物应力腐蚀开裂的事件呈逐年上升的趋势。中国石油炼化分公司也深刻认识到含硫化物应力腐蚀开裂的危害性，因此在2011年12月份发布的油炼化170号《关于开展储罐区专项排查整顿的通知》文件中，防腐部分的第八条明确规定：采用先进有效的防止含H2S球罐应力腐蚀开裂（SSCC）的防腐蚀技术，即喷涂ZARE合金涂层和特殊的封闭处理阻止和抑制球罐的硫化氢应力腐蚀开裂。

1 液态烃球罐发生应力腐蚀开裂浅析

钢在某些介质环境下使用时会产生应力腐蚀开裂（即SCC），钢的强度越高，对应力腐蚀越敏感。常见的应力腐蚀环境主要有湿H2S、无水液氨、硝酸盐、碳酸盐、氢氧化物、氰化物和二氧化碳等8类。在炼油生产中，随着硫含量的增加，湿H2S应力腐蚀开裂尤为严重。

我国压力容器用钢相当多数采用的是低合金高强度钢，目前对低合金高强度钢尚没有统一的定义。一般认为在低碳钢的基础上添加合金元素总量不超过5%的为低合金钢。材料标准抗拉强度值下限不小于540MPa，满足上述两要求的压力容器用钢，称之为低合金高强度钢。一般情况下低合金高强度钢主要包含两大类：Cr-Mo钢和16MnR，16MnR是目前国内应用最多的压力容器用钢。国内外对于液态烃球罐研究最多的还是以硫化氢腐蚀为主，本文就以硫化氢为腐蚀介质对球罐发生硫化物应力腐蚀（简称SSCC）为代表进行阐述。

当硫化氢与液相水或含水物流共存时，就形成湿硫化氢腐蚀环境。

当硫化氢与液相水或含水物流共存时，就形成湿硫化氢腐蚀环境。

硫化氢应力腐蚀破坏，是金属的阳极溶解导致开裂和阴极氢脆型共同破坏这两种方式联合作用的结果，其中氢的脆性破坏起主导作用。

钢铁在H2S水溶液中，不只是由于电化学反应生成FeS而引起的硫腐蚀，而且渗入钢中的氢原子一部分分散在金属晶格内，另一部分向金属缺陷处扩散聚积，并形成氢分子。而这些氢分子不易从钢中逸出，使钢发生永久性的损伤。由于氢分子的不断聚积，巨大的内应力致使钢材分层、鼓泡、甚至开裂。同时，由于焊接过程中不可避免地残存有缺陷，又极易诱发焊缝的晶间腐蚀和缝隙腐蚀，对焊缝附近产生破坏作用。

当pH值大于6时，钢铁表面为FeS覆盖，有较好的保护性能。但由于存在CN-，溶解了FeS保护层，加速了腐蚀反应的发生：

FeS+6CN-→[Fe（CN）6]4- +S2-

[Fe（CN）6]4- 2Fe2+→Fe2[Fe（CN）6]↓

2 液态烃在液态烃球罐湿硫化氢环境中腐蚀开裂的调查及危害

湿硫化氢定义按照我国《压力容器安全技术监察规程》定义为：①温度≤（60+2P）-P为压力MPa（表压）；②H2S分压≥0.00035MPa；③介质中含有液相水或处于露点温度以下；④pH值<9或有HCN存在。

湿硫化氢环境下的腐蚀开裂，是指水相或含水物质在露点以下形成的水相与硫化氢共存时，在介质与外力（含内部组织应力及残余应力）协同作用下所发生的开裂。一般认为，湿硫化氢腐蚀引起开裂主要有四种形式：氢鼓泡（HB）、氢致开裂（HIC）、应力导向氢致开裂（SOHIC）、硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）。

液化石油气（LPG）球罐由于储存介质具有易燃、易爆等特点，一旦发生事故其后果十分严重。2010年1月7日兰州石化303厂316烃类罐区发生爆炸，随即起火。爆炸事故造成了6人遇难，1人重伤，5人轻伤。2010年5月，中石油兰州某石化公司的1000立方丁二烯球罐检测发现赤道板C10～C14焊缝中间板木材发现连片鼓包，鼓包最大面积为2.4平方米，最大直径为130mm，经检测为硫化物应力腐蚀开裂所致，由于球罐损伤严重，做判废处理。大庆某石化公司炼油厂由于球罐裂纹频繁，每年也几乎都检验处腐蚀裂纹。中石油大连某石化公司2011年6月，承装70%丙烷Q-5号球罐（1000立方米）检测发现若干处腐蚀裂纹，该球罐材質为SPV36N，该球罐在两年前的检验没有发现腐蚀裂纹。中化泉州石化公司2017年6月，投用一年多的3000立方3311-T06球罐球罐发现二十余条SSCC裂纹，中国石油四川石化2015年6月份 421-T-002A、423-T-001F 等8台球罐内壁检测出SSCC裂纹。以上说明随着国内炼化企业炼制含硫原油数量的增大，球罐发生SSCC事件呈增长趋势。

液化石油气（LPG）球罐在使用时，因储存介质环境所造成的腐蚀破坏是经常发生的，它使球壳表面受到破坏，产生腐蚀坑、沟糟甚至裂纹，使钢材的力学性能恶化，导致球罐失效。LPG球罐由于储存介质具有易燃、易爆等恃点，一旦发生事故其后果十分严重。

3 防止球罐发生硫化物应力腐蚀（SSCC）的防腐对策

为防止液态烃球罐使用中发生硫化物应力腐蚀开裂，国内各大炼化企业和科研院所等做了大量的工作也取得了一些成效，比如在球罐制造、控制球罐用钢的S和P的含量、严格把控球罐用钢的显微组织、硬度、合金元素和热处理，加强工艺过程硫化物含量的控制等方面，总结了大量的成功经验，但在探索寻求球罐防止硫化物应力腐蚀开裂的具体措施上，吉林石化公司在球罐防腐治理上，采取的ZARE技术应用液态烃球罐防腐，成效显著，尽管开工后一直接收含硫拔头油与石脑油，由于球罐防腐处理方法得当，一直没有出现腐蚀裂纹情况发生。采取ZARE技术有的历次检验中，均未发现腐蚀裂纹出现扩展现象，腐蚀裂纹或硫化物应力腐蚀开裂问题得到了很好的控制。

ZARE涂层的成分及防止应力腐蚀的原理：

①ZARE合金层是通过阴极保护和成膜防护防止钢铁基体腐蚀，ZARE合金喷涂在钢基体表面形成一层致密的保护膜，屏蔽腐蚀介质，防止金属腐蚀。当覆盖层产生针孔、裂纹等缺陷时，覆盖层优先腐蚀产生保护电流；②ZARE合金层中含有活泼金属，和氧有极高的亲和力，在空气中其表面迅速生成一层致密的三氧化二铝、保护膜，能耐大多数的酸碱盐和溶剂的腐蚀，有着良好的耐硫、硫化氢腐蚀性能，但是阴极保护效果较弱，主要是由于生成的三氧化二铝（Al2O3）薄膜使覆盖层电极电位升高；③ZARE合金层中一种元素在含硫化物的介质中，其保护膜易被破坏，失去保护作用但其腐蚀产物体积膨胀3～4倍，有利于封闭合金层，起到保护作用；④由侵蚀性阴离子HS-、Cl-吸附在合金表面的缺陷位置形成活化点而开始引起点蚀。随着点蚀的发展，活化点周围的金属元素开始溶解，而固溶于ZARE的其他金属元素也随之溶解，不同，电位高的金属元素置换沉积在钝化膜表面，破坏了钝化膜的致密性，促使合金进一步溶解；⑤ZARE中的活性金属元素含稀土元素可增加合金活性，含有稀土元素的ZARE合金层能与硫产生强烈反应生成稳定的硫化物，减少或消除了对铁金属的腐蚀，且不会生成疏松的FeS锈层；⑥ZARE中不同金属合金化过程中产生的析出相，由于H2S、HS-、Cl-吸附形成点蚀活化点，使得析出相周围Al基体活化溶解；⑦ZARE合金层中不同金属微粒之间构成网络硬构架，阻止、阻滞了活性最强的金属元素腐蚀产物的流失，且先腐蚀的金属元素腐蚀产物基体膨胀（3-4倍），还可以将活性较低的金属元素小孔以及电弧喷涂过程形成的多孔组织堵住，使得合金层更加致密，防腐效果更佳。这也就是所谓的“固定床效应”；⑧最重要的是发生硫化物应力腐蚀（SSCC）开裂的金属材料存在三个必要条件：临界电位、临界浓度、临界时间）。见图1。

ZARE涂层提供的外加电流使得球罐本体的电位小于临界电位，使产生应力腐蚀的三要素缺位临界电位这一必要条件，从使在本质上抑制或消除球罐不發生硫化物应力腐蚀（SSCC）。

4 ZARE技术的意义和应用前景

目前，ZARE技术应用于球罐防腐，已被中国石油吉林石化公司所推广，在历次的防腐会议上受到中石油炼化分公司设备装备处的肯定。

ZARE技术以较小代价，换来的安全效益和实现球罐在含有硫化物等腐蚀介质中的本质安全、降低球罐使用风险，提高球罐使用的本质安全，延长球罐的安全使用寿命，大大降低球罐发生SSCC的风险等级，为企业消除设备管理瓶颈提供了一套可靠的保护方法。

从大量的国内外液态烃球罐防止应力腐蚀开裂的调研和报道分析，ZARE技术属于独创性技术，在国内处于技术引领水平。采用ZARE技术后吉林石化公司设备部要在今后的工作中，通过检验探伤等手段，跟踪其使用效果，大连西太平洋石化公司这方面据了解跟踪历时八年，得出：ZARE技术应用于液态烃球罐可有效降低和抑制球罐发生应力腐蚀开裂的风险。吉林石化最早的使用ZARE技术油品车间V301D球罐已历时三年，未发现出现球罐应力腐蚀开裂问题。

参考文献：

[1]张健，周文远，曹维国.球罐硫化氢损伤及防护措施.石油化工腐蚀与防护[J].2011，28（z1）.36-37.

[2]李志军等.稀土合金防护层在液化气球罐中的应用[J].炼油与化工，2011，02（22）：10-13.