浅析10万立原油储罐海水试压阴极保护措施.docx

浅析10万立原油储罐海水试压阴极保护措施摘要：大型原油储罐的海水试压过程中，通过在罐底板上增加牺牲阳极的措施以减少海水对储罐本体的腐蚀；通过对海水试压过程中的阴极保护措施进行研究和分析，为以后做好海水试压打好基础。 关键词：原油储罐、海水试压、阴极保护、牺牲阳极等鉴于现阶段国内的原油储备需求和当下国内土地储备情况，原油储备库在设置时均考虑在沿海地带或者在岛屿上布置；导致原油储罐的水压试验利用淡水进行试验的可能性越来越低，那么利用海水试压这种即可以节省投入，又可以减少淡水浪费的技术，必将得到广泛的推行；掌握海水试压的原理是后续石油储备施工的一门重要技术；本文依托中海油惠炼二期马鞭洲10万立原油储罐制安项目中的原油储罐海水试压，对原油储罐的海水试压的原理进行剖析和研究。一、 海水的腐蚀特性研究1、海域水质及水温马鞭洲海域春季观测期间底层水温17.618，夏季底层水温26.429.4,冬季最低水温估计10左右。水质详见表1：海水水质统计表。表1：海水水质统计表序号项目单位数据备注1PH8.08.52石油类(Y)mg/L0.023BOD5(Y)mg/L14CODMumg/L1.722.985盐度g/L30.834.06SSmg/L5.612.47电导率US/cm469449192、海水的物性海水中含有多种盐，其中氯化物含量最多，占总盐量的89%，海水中主要盐类的含量(按100g海水中盐类的含量)可参见表2：100g海水中主要盐类含量表；海水中还有含量少的其它组分，例如：臭氧、游离的碘和镍等，这些组分也是阴极去极化剂和腐蚀促进剂。表2：100g海水中主要盐类含量表序号成分盐类的含量（g）占总盐量%备注1NaCl2.71377.82MgCl20.380710.93MgSO40.16584.74CaSO40.1263.65K2SO40.08632.56CaCl20.01230.37MOBr0.00760.2由表2可知，海水中能很好离解的盐类总含量很高，这就使海水成为一种导电性很强的电解质溶液；海水中含量最多的盐类是氯化物，其次是硫酸盐，氯离子的含量约占总离子的55%；因此海水腐蚀的特点与氯离子的存在密切相关，并使海水对于大多数金属结构具有较高的腐蚀活性。3、海水对金属的腐蚀对于铁、铸铁、低合金钢和中合金钢而言，在海水中建立钝态是不可能的，甚至对于含高铬的合金钢，在海水中的钝态也不是完全稳定的，可能出现小孔腐蚀；主要因为海水是中性溶液，pH值为8.08.5,且有大量氧的存在，所以大多数金属的腐蚀在海水中是属于氧去极化腐蚀。铁、钢、铸铁、锌等金属在海水中腐蚀时的阳极过程阻滞很小，腐蚀速率较快；多数金属的阴极过程是氧的去极化反应，只有负电性很强的金属(如镁及其合金)腐蚀时阴极才发生氢的去极化反应。海水在静止状态或低速运动状态的情况下，铁、铸铁和钢在海水中的腐蚀速度完全取决于阴极阻滞，一般受氧到达腐蚀表面的速度控制；所以，海水的腐蚀不仅微观电池的活性较大，而且宏观电池的活性也较大；因此，不同金属相接触引起的电偶腐蚀在钢铁表面有氧化皮存在而形成的腐蚀电池比在大气腐蚀和土壤腐蚀严重得多。碳钢在海洋环境中的腐蚀速度见表3：碳钢在海洋环境中的腐蚀速度一览表（毫米/年），低合金钢16MnR相对还要低一点。表3：碳钢在海洋环境中的腐蚀速度一览表序号钢种所处环境单位腐蚀速度备注1碳钢海洋大气mm/年0.20.52碳钢飞溅区mm/年0.30.53碳钢潮差区mm/年0.14碳钢全浸区mm/年0.20.255碳钢淤泥区mm/年0.14、影响海水腐蚀速度的因素(1)含氧量：由于金属在海水中的腐蚀主要是氧去极化的阴极控制过程，溶解在海水中的氧量是影响海水腐蚀速度的重要因素；通过降低海水中氧的含量，将大大降低在海水中的钢铁等金属腐蚀速度。(2) 温度：海水温度越高，其腐蚀速度越快；海水温度每上升10 ，金属腐蚀速率将增加一倍，而海水温度随着纬度、季节和海洋深度不同而变化，铁、铜及其合金等材料在炎热的季节里腐蚀速率较快。(3)海洋生物：海洋生物的生命活动要吸收氧气放出C02，海洋生物在死后的分解过程中还可能析出H2S，CO2和H2S致使周围的蔽体酸化，加速金属在海水中的腐蚀。试验表明，不同金属受海生物的沽污程度不同，易受粘污的金属有铝及其合金、各种钢、耐蚀镍基合金以及锡、铅、及其合金等。(4)海水流速：金属结构与海水之间的相对运动速度称作海水流速，因海水腐蚀是氧去极化而进行的阴极控制过程，并且主要受氧的扩散速度所控制，因此随着海水流速的增加，海水腐蚀速率也随之增大，当海水流速很大时，还会产生冲击腐蚀。二、原油罐采用海水试压的腐蚀防护措施通过以上对海水腐蚀特性的研究，采取以下防护措施可以避免或减轻海水对油罐及其附件的腐蚀。1、利用牺牲阳极保护牺牲阳极法是利用阳极与被保护的金属之间的电位差所产生的电流来达到保护的目的。一般原油罐设计为保证其本体的长周期可靠运行，均已经对罐底板加设了牺牲阳极；所以施工时必须严格执行设计技术文件安装牺牲阳极，牺牲阳极在原油储罐底板呈环装布置（详见图1：原油储罐底板牺牲阳极布置图），且在海水试压之前牺牲阳极必须安装完毕；试压前必须需检查罐底的严密性，确保罐底板的严密性符合规范及设计要求；设计图纸中设计的牺牲阳极是为了保障在原油储罐运行过程中减少原油对储罐本体的腐蚀，如果原油储罐需要采用海水进行试压，必须通过对海水的腐蚀原理进行研究，并通过精确的电化学腐蚀核算，确定另增设铝阳极数量，来确保海水试压过程中罐本体不受海水腐蚀。2、局部涂刷环氧富锌涂料防腐。对浮顶下表面、罐底板、底圈壁板、罐内加热盘管、中央排水管及罐内主要图1：原油储罐底板牺牲阳极布置图附件，上水(海水)前除与严密性有关的焊缝外先进行防腐隐蔽，以避免罐体重要部件和海水直接接触。3、为降低海水中的氧含量，上水(海水)前必须将一次密封、二次密封安装到位，这样在海水试压过程中可大大降低海水中氧的含量，以降低其腐蚀速率。4、如无特殊情况，尽量选择在冬季上水(海水)，避免在夏季高温天气上水，确保海水温度在10左右，以降低腐蚀速度。5、为避免海洋生物过多的进入罐体内部，在海水取水入口加设底阀过滤器，阻断海洋生物进入油罐，避免海洋生物放出CO2和分解过程中可能析出的H2S，消除金属在海水中的腐蚀源。6、为降低冲击腐蚀，在油罐内进水口周围3m范围内对罐底板采取加设临时钢板（进入罐内的小片钢板临时点焊成大片钢板）的措施，以降低海水的罐内流速，避免海水对罐底板的直接冲击。7、为减少储罐的试压周期，采用2台出水量为178m3/h、扬程为30m的提升泵作为试压泵，尽量减少海水试压周期，油罐的上水时间控制在30天左右，大大减少海水对钢材的腐蚀时间。8、放水后用高压淡水通过高压枪清洗海水浸蚀过的罐内表面，如有其它附着物，需采用小扁铲铲掉，以彻底清除腐蚀残留物。三、储罐防腐蚀(电化学)防护措施分析1、电化学腐蚀原理分析海水的腐蚀是典型的电化学腐蚀，根据海水腐蚀原理，利用阴极保护是海水全浸状态时防腐的有效方法。在储罐内合理布置铝合金牺牲阳极，铝合金牺牲阳极的电极电位低于渗碳体的电极电位，构成微电池的阳极，渗碳体为阴极，达到改变储罐金属钢板的电位，使得在海水试压过程中铝合金阳极块成为发生腐蚀的阳极而保护储罐不受腐蚀的目的。具体电化学分析如下：阳极（铝合金牺牲阳极）：4 Al 4 Al3+12e（阳极是溶解级）阴极（渗碳体）：3O2+6H2O+12e 12OH-(电子向阴极Fe3C移动，与介质中的O2和H2O作用形成氢氧离子)Al3+在介质中与OH-相遇又形成Al(OH)3：Al3+3 OH- Al(OH)3整个过程为：4 Al+3O2+6H2O 4Al(OH)3通过以上电化学原理分析，通过加设铝合金牺牲阳极，在海水试压过程中，由于铝合金的电位低于渗碳体合金钢，海水不断腐蚀电位低的铝合金，能够达到保护储罐本体渗碳体合金钢板材的目的。2、电化学防护设计按国家标准GB/T4948-2002铝-锌-铟系合金牺牲阳极的要求，选择铝-锌-铟合金牺牲阳极材料，阳极的钢芯表面应镀锌；阳极块数量计算须按照储罐防护要求，依据被保护面积、保护电流密度、发生电流量、阳极寿命等进行计算。（1）保护面积S计算：储罐阴极保护设计要充分考虑储罐的整体，被保护面积包括浮船底板、罐底板和海水所接触的罐壁板。（2）保护电流密度的选定：根据设计文件规定，储罐底板内壁和水浸区罐壁保护电流密度为15mA/m2，考虑到海水试压阶段可能储罐临时防腐漆局部保护不到位的情况，设计保护电流i1密度应大一些，可取20 mA/m2。（3）铝合金牺牲阳极产生的电流测算：铝合金牺牲阳极产生的电流If可按以下公式计算：If=（ E/R）*1000R=（/2L）*（ln（4L/r）-1）式中 海水电阻率（通常取25.cm）L阳极长度（按照设计文件采用的阳极型号选取）/cmR阳极当量半径/cmr阳极截面半径，r=C2/cmC阳极横截面周长/cm E阴极与阳极的电位差，对铝合金阳极而言取0.25V（4）铝合金牺牲阳极用量测算：本文中核算数据参照惠炼二期马鞭洲10万立原油储罐项目相关数据进行测算，根据公式N= i1*S/ If即可算出。由于大型储罐的设计均采用牺牲阳极保护，因此为了节约施工成本，在不影响储罐铝阳极原保护时限的前提下，在原设计的铝阳极数量的基础上增加部分铝阳极，以抵消海水试压阶段铝阳极的消耗。依据公式可计算得到海水试压阶段消耗掉的铝阳极数量，同时为稳妥起见，应考虑1.3倍的放大系数，计算结果为：N增=1.3*i1*S*D*24/(1000*Q*1/K*23)=1.3*20*14320*50*24/(1000*2400*0.85*23)=10(块)式中N增需增加的铝合金阳极数量（海水试压时损失的铝合金阳极数量） 1/K阳极利用系数（通常取85%） D试压天数（这里取50d） Q阳极实际电容量（铝阳极为2400A.h/kg）通过以上计算，铝合金牺牲阳极数量在原设计267块的基础上需增加10块，方能确保在海水试压过程中，保证储罐本体不受海水的腐蚀，新增的阳极块均布在罐底板上，共计需要安装277块。这样既能在海水试压期间对储罐进行保护，又能在储罐正式投产后进行保护，从而避免了安装和拆除牺牲阳极的重复工作。四、阴极保护效果分析中海油惠炼二期项目马鞭洲原油储罐项目共计3台10万立原油储罐，采用海水试压，共历时26天完成所有3台原油储罐的试压工作；如采用外运淡水进行试压工作，仅能依靠船运淡水进行供应，按照施工现场的实际情况，船运淡水一次仅能运送约1万立方，每天仅能运送2次，故10万立储罐需运送淡水周期为5天，在不包含船运费用的情况下，船运淡水单价为40元/立方，故水费需花费400万，且试压周期将延长。海水试压完成后，项目中对罐内腐蚀情况进行了评估，发现牺牲阳极存在不同程度的明显腐蚀，但储罐本体仅表层出现了轻微腐蚀，对后续的内防腐除锈工作带来了极大的方便。通过以上分析，原油储罐海水试压在采取一定的保护措施的情况下，无论在经济效益、工期效