储罐工程海水充水试验防腐蚀技术的应用研究

张亚黎

中海油石化工程有限公司 山东济南 250000

储罐工程海水充水试验适合的防腐蚀技术是添加缓蚀剂和电化学保护，但适用于海水环境的缓蚀剂种类较少。因此，增加临时牺牲阳极成为储罐工程海水充水试验防腐蚀的可行方法。

1 充水试验防腐蚀的工艺原理

1.1 物理隔离防护

在储罐工程海水充水试验之前，所有储罐开口位置上的连接设备、阀门、液位计等不参与压力试验的电仪部件不需要安装，同时，要严格按照设计文件要求对禁止接触海水的部件开展临时性的防腐蚀处理，使其表面和海水有效隔离。

1.2 电化学防护

海水腐蚀原理是典型的电解质化学腐蚀，结合海水电解质腐蚀的基本原理，借助牺牲阳极保护是海水全部浸入其中的理想化防腐蚀方法。在钢制储罐内壁通过增加临时铝合金牺牲阳极，会在铝合金牺牲阳极的作用下形成微电池的阳极，相对活性较弱的储罐钢板是阴极，在开展储罐工程海水充水试验操作的时候，铝合金阳极块（带）会成为出现腐蚀的阳极，最终保护储罐壁板不遭受腐蚀。

2 储罐工程海水充水试验防腐蚀技术应用研究

2.1 临时牺牲阳极方案设计

为了减少储罐罐体充海水期间产生的腐蚀，特别是焊缝及其热影响区的预防腐蚀问题，必须采取有效的保护措施，消除钢板及焊接部位因海水电化学腐蚀对储罐质量造成的影响。由于Al- Zn- In 系铝合金牺牲阳极具有电容量大、价格相对低廉等优点，近年来被大量的用到罐内阴极保护中。具体为：在浮顶内表面及罐侧壁内表面两部分安装临时带状铝阳极；在底板内表面安装永久块状铝合金阳极。临时带状铝阳极极化的面积是侧壁和浮顶下表面；永久块状铝阳极极化罐底板上表面。由此铝阳极保护范围为罐底板内表面、储罐侧壁、浮顶下表面以及附属钢结构。以某地区原油储备项目10×104m3的浮顶钢质储罐为例，研究储罐工程海水充水试验防腐蚀的试验项目。

2.1.1 基本参数

浮顶钢质储罐直径为80m，罐的高度为21.8m，储存介质为原油。

采用的临时保护阳极类型及型号规格是带状铝合金牺牲阳极，成分为铝锌铟锡镁，规格为9.5mm×19mm，重量0.554kg/ m，保护时间60d。根据GB/ T50393- 2017保护电流密度取值是浮顶下表面（有涂层） 取值30mA/ m2；侧壁（裸露）取值100mA/ m2。

2.1.2 单台罐临时带状铝阳极保护面积

2.1.3 所需保护电流

2.1.4 单台罐极化过程临时带状铝阳极用量计算

（1）浮顶下表面和罐壁侧壁牺牲阳极选型及发生电流

选用Al- Zn- In 系高活性牺牲阳极，阳极规格按规范及相关工程经验结合《技术条件》选择，浮顶下表面采用带状铝阳极规格型号为：9.5mm ×19mm ×10000mm，5.5kg/ 条。储罐侧壁采用带状铝阳极规格型号为：9.5mm×19mm×22000mm，12.1kg/ 条。

式中:△E——阳极的驱动电位，取0.25V

R——阳极的接水电阻，Ω

ρ——介质的电阻率35Ω·cm（参照当地海水水源电阻率取值）

L——阳极长度，cm

r——阳极当量半径，cm

计算可得：

浮顶下表面带状铝阳极（9.5mm ×19mm ×10000mm）R1=0.041Ω；Ia1=6.07A。

储罐侧壁带状铝阳极（9.5mm×19mm×22000mm）R2=0.021Ω；Ia2=12.06A。

（2）罐底板内表面阳极发生电流

因充水试压前罐底板需安装长效保护所用铝合金牺牲阳极块，规格为750mm×（115mm+135mm）×130mm，净重32kg/ 支，数量为252 块。

支架式铝阳极块发生电流按照前述公式计算可得：

罐底板内部表面铝阳极R=0.2Ω；Ia =1.25A；

根据计算所得，长效铝合金牺牲阳极发生电流大于所需保护电流，所以不需要再在罐底内表面设置临时带状牺牲阳极。

（3）所需带状铝阳极数量

浮顶下表面带状铝阳极（9.5mm ×19mm ×10000mm）数量=1.1（I浮顶/ Ia1）=1.1×150.72/ 6.07= 28（取整）

储罐侧壁带状铝阳极（9.5mm×19mm×22000mm）数量=1.1（I侧壁/ Ia2）=1.1×502.4/ 12.06=46（取整）

（4）阳极使用寿命核算

式中：t——阳极使用寿命，a；

G——单个阳极净重量；

Q——阳极实际电容量，2400A·h/ kg；

1/ K——阳极利用系数，取值为0.85；

Im——每块阳极的平均发生电流，A，Im=0.7Ia。

计算得：

浮顶下表面带状铝阳极（9.5mm ×19mm ×10000mm）寿命t=0.3 年＞60d，满足设计要求。储罐侧壁带状铝阳极（9.5mm×19mm×22000mm）寿命t=0.33年＞60d，满足设计要求。

最终得到单台储罐海水试压选用临时带状铝阳极情况如表1 所示。

表1 各部位带状铝阳极规格及数量

2.1.5 牺牲阳极带布置

（1）储罐侧壁阳极安装分布：保护储罐侧壁的阳极带在（浮顶、储罐底板）直径为78m 处46 条带状铝阳极沿储罐内部外边缘环形均匀分布，每间隔约5m 弦长及距侧壁1m 位置设置1 条带状铝阳极，铝带一端与罐底板焊接，另一端与浮顶底板上的套筒或加强筋焊接，浮顶上浮前，阳极带弯曲处在底板和浮顶之间。铝带两端连接“L”型构件后通过电焊点焊与储罐浮顶及罐底板电连接导通。

（2）浮顶下表面分布：以任一直径为中轴线，两侧相邻每间隔10m 依次平行于中轴线放线，中轴线两侧各放4 条平行线（最外侧平行线与相邻平行线间隔5m）。

2.1.6 铝牺牲阳极性能参数

（铝- 锌- 铟- 锡- 镁）铝合金阳极化学成分如表2 所示；铝合金阳极电化学性能（常温介质温度15～30℃条件下的电化学性能参数）如表3 所示。

表3 铝合金阳极电化学性能

2.2 充水试验过程

2.2.1 储罐充水前的准备工作

按照方案安装焊接牺牲阳极带及永久性牺牲阳极块，对罐内进行清理，清理完毕后封闭罐壁上所有管口，检查法兰密封严密。储罐充水前准备时所使用的管子规格型号为DN350，选择好管材后按照规范标准进行安装，充水泵的流量为每小时不小于700m3，水泵扬程不小于50m，两用一备。水泵入口处应设置金属过滤网，并需要进行定期检查、清理，目的是实现对海水中杂物的有效过滤。应选择使用水泵叶轮和泵腔内部有镀层的输水泵，要具备良好的海水抗腐蚀性能。查阅当地海水潮汐时刻表来确定水泵的安装位置和高程。

2.2.2 储罐充水试验流程

储罐充水试验流程是储罐的基础观测，观测之后进行第一阶段的注水，在注水高度达到2.2m 的时候，浮顶刚刚达到漂浮状态，停止充水，进行浮顶焊缝的严密性检查。按照设计文件或规范要求进行充水、静置、沉降观测等操作，完成充水试验各项检验目的。充水试验符合要求后放水，浮顶立柱调整，调整完成后排出全部海水，进行清罐处理。

2.2.3 防腐蚀施工要点

表2（铝-锌-铟-锡-镁）铝合金阳极化学成分 %

按照国家铝锌系合金牺牲阳极的基本要求，选择铝锌合金牺牲阳极材料数量时要充分满足储罐的防护需要，使其被保护面积、保护电流密度、发生的电流量和阳极寿命符合规范要求。第一，保护面积的计算。储罐阴极保护设计要考虑储罐体积、性能、属性等总体因素。被保护面积应包含浮顶底板、罐底板、罐壁板以及其它钢结构附件面积总和。第二，保护电流密度的确定。按照设计文件的基本要求，储罐底板、罐内壁保护电流的密度为15mA/ m3。考虑到海水试验时储罐防腐底漆保护不到位的问题，所以设计出来的保护电流密度要大一些，即可以按照30mA/ m3进行计算。第三，Al- Zn- In 系铝合金牺牲阳极使用数量。考虑到大型原油储罐设计均采用了牺牲阳极保护的方式，因此，为了能够节约施工成本，在不影响储罐正式铝合金牺牲阳极原来保护期限的情况下，需要在原本设计的铝合金牺牲阳极数量上增加一定量的临时铝合金牺牲阳极，用于抵消罐体海水试压阶段正式铝合金牺牲阳极消耗。

罐体注入海水试压60d 左右，虽然损失较多的牺牲阳极，但是罐体本身不会出现腐蚀的坑点，所有焊接部位达到了预期的检验目的。如果使用淡水开展试压操作，按照2 元/ m3进行计算，每台10 万m3储罐试验的消耗资金为20 万元。

3 结语

大型原油储罐海水试压采取增加临时铝合金牺牲阳极的方式是具有实际应用意义，特别是在淡水相对紧张的沿海地区，开展储罐海水试压操作十分必要。