劉寶凱 (中國石油化工股份有限公司天津石油分公司 天津 300270)
沿海地區(qū)大型成品油儲罐底板設(shè)置陰極保護系統(tǒng)探討
劉寶凱 (中國石油化工股份有限公司天津石油分公司 天津 300270)
本文簡述了沿海地區(qū)大型儲罐設(shè)置陰極保護系統(tǒng)的重要意義,簡要介紹了油罐底板腐蝕泄漏原因。詳細介紹了陰極保護原理,并結(jié)合實際項目分析了儲罐采用陰極保護系統(tǒng)投資及其運行成本。又以相關(guān)規(guī)范為依據(jù),建議在沿海周邊地區(qū)土壤腐蝕嚴重環(huán)境下建設(shè)的大型儲罐設(shè)置陰極保護系統(tǒng)。
沿海地區(qū)儲罐陰極保護經(jīng)濟效益
隨著土地供應(yīng)越來越緊張,且考慮到海港需求以及廢地利用等,現(xiàn)在很多沿海開發(fā)區(qū)都進行灘涂上崛起重化產(chǎn)業(yè)基地的規(guī)劃。考慮到石油工業(yè)發(fā)展速度不斷加快、石油儲罐的數(shù)量持續(xù)增加。大型儲罐作為石化產(chǎn)業(yè)、儲備庫最主要的存儲設(shè)備,其重要性不言而喻。儲罐防腐是儲罐安全維護中重要內(nèi)容,如果儲罐腐蝕嚴重導(dǎo)致泄漏介質(zhì)將會造成重大危害。尤其是罐底板的焊縫等熱影響區(qū)的腐蝕問題需重視,必須采取有效的防護措施以消除鋼板及焊縫接頭因沿海地區(qū)腐蝕土壤造成的潛在危害性。如果儲罐因為底板腐蝕穿孔泄漏也將造成嚴重后果:因為出現(xiàn)油品泄漏,不但引起環(huán)境污染,散發(fā)的可燃油氣存在著火和爆炸的危險。[1]儲罐將被迫停用修補,同時會造成巨大的直接和間接經(jīng)濟損失。鋼質(zhì)儲罐通常是通過噴涂一定厚度防腐層來保護罐底板,但是在實際工程中,防腐層難以達到完整無損。隨著儲罐使用年限增長,通常在防腐層損傷破壞或者噴涂薄弱處發(fā)生較嚴重腐蝕。為了對罐底板增加更有效的保護,在罐底板安裝陰極保護也是通常選用辦法。陰極保護是根據(jù)電化學腐蝕的原理,通過陰極極化的方法抑制腐蝕電池產(chǎn)生,起到保護底板的作用,從而減少泄漏事故。[2]
地上鋼質(zhì)儲油罐在使用中,罐底板上下表面經(jīng)常遭受內(nèi)、外介質(zhì)的腐蝕。在儲罐腐蝕事故統(tǒng)計中:罐底板腐蝕穿孔比率最大,所以對大型儲罐罐底應(yīng)實施有效的防腐措施,以減少罐底泄漏導(dǎo)致的直接和間接危害。涂料防腐是用一定厚度涂層將罐底與內(nèi)、外介質(zhì)隔開,起到保護底板的作用。但防腐涂層存在一定不足:主要有涂層本身有微孔、老化后易出現(xiàn)剝離、施工中局部也可能產(chǎn)生缺陷,這樣裸露的局部底板將形成小陽極,防腐層部分成為大陰極既產(chǎn)生局部腐蝕電池,導(dǎo)致底板局部產(chǎn)生嚴重腐蝕。[3]因此,在腐蝕環(huán)境復(fù)雜地方只采用涂料保護可能會得不到預(yù)期效果。若采用防腐涂料與陰極保護雙重防護,可彌補涂層缺陷,從而可延長儲罐的使用壽命。油罐底板的腐蝕原因主要有土壤腐蝕和氧濃度差電池腐蝕:
土壤腐蝕:油罐基礎(chǔ)以瀝青砂和級配砂石為主要構(gòu)造,罐底板將鋪在壓實的瀝青砂面上。儲罐在運行中將會出現(xiàn)滿載和空載不停交替,隨著儲罐載荷變化將使得瀝青砂層上出現(xiàn)局部裂紋,會導(dǎo)致地下水上升,將造成底板外部腐蝕。當油罐內(nèi)介質(zhì)溫度較高時,隨著罐底板周邊水分的蒸發(fā),腐蝕鹽分就會增,加進會加劇腐蝕。
氧濃度差電池腐蝕:在罐底,氧濃度差主要表現(xiàn)在瀝青砂與儲罐底板接觸不良;儲罐承載變化以及罐周和罐中心部位透氣性有差別。含氧濃度大的部位,金屬電極電位低,而使得罐底產(chǎn)生腐蝕。
1.海邊空氣流通量大,油罐底板外側(cè)和外界呼吸量也較大,從而導(dǎo)致罐底外側(cè)和瀝青砂之間的各部位的氧氣濃度差異加大。另外隨著運行時間的加長,罐底板外側(cè)和瀝青砂之間的空隙程度逐年加大,為氧濃差電池的形成提供了客觀條件。
2.由于海邊地區(qū)空氣潮濕含鹽霧、雨水豐富、地下水中鹽份含量高,儲罐基礎(chǔ)回填層電阻率呈逐年下降趨勢,因此土壤對罐底板外側(cè)的腐蝕隨運行時間延長而加強。
3.油罐罐底板外側(cè)的涂層隨運行時間延長而逐步失效,由于結(jié)構(gòu)的原因罐底外側(cè)無法進行重新防腐,罐底板外側(cè)防腐能力隨運行時間延長而逐步下降。
4.油罐罐底外側(cè)和瀝青砂之間的鹽水含量隨運行時間延長而逐步增加,促進了電化學腐蝕環(huán)境的形成和加劇。
石化行業(yè)中,原油罐全做陰保。成品油罐以前因單罐容量較小,一般為1000~5000的罐較多,普遍沒做陰保,但隨著經(jīng)濟發(fā)展,成品油罐的單罐容量逐漸增多。單體容量越大,則單罐重要性也越大,如果出現(xiàn)問題,造成的損失也越大。G B 50761-2012《石油化工鋼制設(shè)備抗震設(shè)計規(guī)范》中,小于1萬的油罐屬于一般設(shè)備,大于等于1萬的油罐屬于重要設(shè)備,計算中應(yīng)增加設(shè)備重要性系數(shù),所以需要依據(jù)環(huán)境條件及罐型情況考慮增加陰極保護系統(tǒng)。
G B 50393-2008《鋼制石油儲罐防腐蝕工程技術(shù)規(guī)范》中3.0.3中規(guī)定:罐徑不小于8m的儲罐,底板外表面除涂敷防腐涂層外,尚可考慮采用陰極保護,陰極保護設(shè)計壽命不得低于20年。
說明:現(xiàn)規(guī)劃建設(shè)成品油儲罐罐容5000m3直徑一般為20米,所以在建大中型儲罐直徑都遠大于8米,所以需考慮陰極保護。
金屬是從礦石中提取出來的,在提煉過程種必須要給它一定的能量,使其處于高的能量狀態(tài)。材料基本規(guī)律總是趨向于最低的能量狀態(tài),因此金屬都是熱力學不穩(wěn)定的,具有和周圍環(huán)境(如氧和水)發(fā)生反應(yīng)的趨勢,以達到較低的、更穩(wěn)定的能量狀態(tài),如生成氧化物。以鐵為例:陽極:F e-2e→F e2+陰極:O2++2H2O→4OH。所以,F(xiàn)e2++2OH-→F e(OH)2;F e(OH)2+1/2O2+H2O→2F e(OH)3。
陰極保護的原理是將大量的電子補充給罐底板,使被保護底板處于電子過剩環(huán)境,使金屬原子不易失去電子。通常有兩種辦法可以實現(xiàn)上述效果,采用犧牲陽極陰極保護或者外加電流陰極保護。
A、犧牲陽極陰極保護技術(shù)[4]:
犧牲陽極陰極保護技術(shù)是采用電位比將要保護的金屬還要負的材質(zhì)與將被保護的金屬連接在一起,通過電位負的材質(zhì)腐蝕溶解來保護其它金屬。優(yōu)點:①:相對投資較少、且在運行期間費用較少,經(jīng)濟效益較好。 ②:保護電流的效率較高(不會產(chǎn)生過保護)。 ③:對地下周邊的金屬無干擾影響。④適用于庫區(qū)、長輸管道、及規(guī)模較小的分散管道保護。 ⑤:施工技術(shù)較簡單,維護較容易。 缺點:①:驅(qū)動電位較低,保護范圍小。 ②:使用范圍容易受土壤電阻率的制約,如若土壤電阻率大于50Ω·m,一般較少選用犧牲陽極保技術(shù):③:有效保護年限一般受犧牲陽極壽命的制約,需要定期更換。
B、強制電流陰極保護技術(shù):
強制電流陰極保護技術(shù)采用在回路中連入一個直流電源,借助輔助陽極,向被保護的金屬通入電流,使被保護金屬變成陰極,達到保護效果。 優(yōu)點:①:驅(qū)動電壓高,陰極保護電流輸出量范圍較寬,適用大型儲罐保護。②:在復(fù)雜的腐蝕環(huán)境或高電阻率的條件中也適用。 ③:不溶性或微溶性輔助陽極的應(yīng)用,可進行長期的陰極保護。缺點:①:一次性投資費用相對偏高,而且運行過程中需要支付一定電費。 ②:需要專業(yè)的維護管理以確保陰極保護系統(tǒng)正常運行。③:因需要長期供電,所以需具備穩(wěn)定電源。
油罐陰極保護將犧牲陽極或輔助陽極埋設(shè)在罐底下部砂墊層中,陽極和罐底板下表面通過土壤溶液構(gòu)成閉合回路,通過參比電極所測的電位為極化電位。接地級與罐體是等電位,不影響接地級的防雷防靜電作用。如果有電流通過土壤流向接地級,相當于對接地級進行了陰極保護。所以,儲罐底部設(shè)置陰極保護系統(tǒng)與儲罐設(shè)置的防雷防靜電接系統(tǒng)不存在相互影響問題。
以某海邊成品油庫(A油庫共18座直徑20米的5000m3內(nèi)浮頂油罐)為例:
1座5000m3內(nèi)浮頂油罐陰極保護材料費用為7.8萬,安裝費用1萬,人工費用0.65萬:
該海邊油庫陰極保護總費用為:
(7.8+1+0.65)*18=170.1萬。
同樣方法計算,另一個海邊成品油庫(B油庫共建10座直徑37米的20000m3內(nèi)浮頂油罐)陰極保護總費用約170萬。
日后運營維護:A油庫18座5000m3內(nèi)浮頂油罐耗電設(shè)施共有3座SF-200T R型恒電位儀,其功率為0.625kw,考慮需要系數(shù)為0.2。1度電按1元計算,1年所耗電費為:
0.625 *3*24*365=3285元
同樣方法計算,B油庫所耗電費均也于4000元。所以陰極保護日后運營電能所耗費用是比較低的。
1.對于儲罐外底板的陰極保護來說,保護壽命在20年左右的宜選用犧牲陽極的保護技術(shù),保護壽命超過20 a(達到35a左右)的選用外加電源的陰極保護技術(shù)更妥。
2.儲罐底部設(shè)置陰極保護系統(tǒng)與儲罐設(shè)置的防雷防靜電接系統(tǒng)不存在相互影響問題。
3.成品油油庫外加電源的陰極保護技術(shù)已多被成功使用,外加電源的陰極保護已屬成熟技術(shù)、經(jīng)濟效益明顯。
4.采用涂層和陰極保護聯(lián)合的方法對成品油儲罐罐底板進行防腐蝕保護是一種有效的手段,為確保儲罐長期、穩(wěn)定、安全運行提供了可靠的保證。
[1]張炳宏,張健濤,張登泰.原油儲罐外底板陰極保護方式的選擇及參數(shù)計算.石油庫與加油站,2009,18(2):42~44.
[2]柴業(yè)森,樊寶德,近琪.鋼制儲罐陰極保護設(shè)計.油氣儲運,1999,18(3):24~26.
[3]過夢飛.天然氣與石油.儲油罐罐底板全面腐蝕控制,2002,20(2):53~56.
[4]胡彬,胡杰.埋地鋼質(zhì)燃氣管道陰極保護設(shè)計方案的選擇與應(yīng)用.江西教育學院學報,2010,31(6):16~18.
劉寶凱,男,生于1964年,政工師,大專,從事油氣儲運管理工作