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大型原油罐罐底板外壁长效防腐保护设计

2016-01-29 12:29:27 大连天凡防腐技术有限公司 阅读

国内炼油行业今后大量炼制进口原油已成为不可逆转的趋势,无论是中东、南美等地区舶来外油,还是炼制通过陆上管道运至东北各石化企业的哈萨克斯坦或俄罗斯的高含硫、高含盐原油,都将导致油罐使用寿命的大大缩短。
油罐腐蚀的最薄弱点是罐底板内、外部表面,特别是解决好罐底板外表面的防护是均衡好整个油罐防护的关键。
 
1 原油罐罐底板存在的腐蚀隐患分析
储罐的底板坐落在沥青砂基上,时间长了沥青砂基产生裂纹,使地下水上升造成罐底板的腐蚀,对于这种情况,行之有效的方法是采取阴极保护技术进行补救 [1]。
储罐罐底外表面的腐蚀影响主要因素有以下几个方面:     
(1)形成腐蚀电池
 罐底板焊缝附近没有防腐蚀涂层,而且油罐罐底板座与混凝土的圈梁基础相比,电位更高,从而形成腐蚀电池,加速罐底板的腐蚀;
(2)保温材料的水解对腐蚀的影响
油罐保温大多数采用岩棉或聚氨酯做保温材料,这两种材料在浸水情况下的PH值分别为6.4和5,有较强的腐蚀性。一旦保温层中进水,就会形成人们常说的“湿棉袄”,会长期对罐底板造成腐蚀。
(3)储罐基础的影响
储罐的基础是沥青砂构造,由于罐的满载和空载交替,冬季和夏季湿度不同,易造成沥青砂层产生裂缝等;此外油罐内油品温度升高时,底板周围水分蒸发,使得盐分浓度增加,提高了环境的腐蚀性。
(4)氧的浓差电池
罐底板与砂层接触性不良,如满载和空载比较,空载时接触不良,罐周围和罐中心部位透气性差,会引起氧的浓差电池腐蚀。有资料表明,罐中心与边缘的电位差可相差150mmv以上,腐蚀电流达到222mA。
(5)基座混凝土的腐蚀
混凝土中钢筋的耐蚀性是由于混凝土高PH值产生的钝化作用,当环境中含有高浓度氯离子时,钢/混凝土界面的临界Cl-含量为700?10-6mg/l,则会破坏钢铁的钝化引起腐蚀。
2  炼油厂储罐底板腐蚀调查与分析
目前原油罐、成品油罐罐底多采取底板外沿进行密封防护,即填充边缘板与罐基础之间的缝隙,部分采取外加电流阴极保护措施[2]。
随着技术更新,国家已颁布了SY/T0088-95《钢制储罐外壁阴极保护技术标准》,相信在不久的将来,油罐罐底板阴极保护技术的应用将获得全面的推广。
3  原油罐采取阴极保护几种方案对比
3.1 牺牲阳极系统
采用牺牲阳极系统对储罐进行保护安装简单,不会产生腐蚀干扰。但除非储罐与管道以及其他系统绝缘良好,否则储罐不会得到充分保护。其他系统包括管网、仪器连接线、电缆套管、混凝土钢筋以及罐群接地系统等。对如此多的部分采取绝缘,不仅花费大,而且以后的维护费用高。牺牲阳极系统的驱动电压一般低于0.7V, 它限制了阴极保护系统的电流输出。一旦储罐与上述任何部分短路,不但使储罐达到保护困难,而且会使牺牲阳极系统很快耗尽,保护寿命短。
3.2深井及斜井阴极保护系统
该系统主要应用于已经建成的储罐,尤其适用于空间狭小地区,其缺点是阴极保护电流不均匀,容易产生腐蚀干扰。同时阳极处于非常恶劣的工作条件下,容易过早损坏。
3.3斜井阴极保护系统
斜井阳极即在储罐下部安装了电位测量管,每隔1.5米测量一次罐/地电位。斜井阴极保护最大的弊端就是保护电流分布不均,难以实现像大型100000m3储罐的正常阴极保护[3]
3.4  柔性阳极系统
该阳极由包敷在电缆外部的导电橡胶制成,橡胶外面包裹一层炭粉回填料,该系统可以铺设在储罐底板下面,电流分布均匀,不易产生腐蚀干扰,但具有如下缺点:
(1)该系统的运输,安装费用比网状阳极系统高,每盘阳极很重。增加了搬运难度和费用;
(2)填料带容易破损,导致填料漏失,需要填充;
(3)由于导电橡胶在电流的作用下,随着时间的推移容易老化开裂,导致铜芯电缆迅速腐蚀,致使系统过早失效;
(4)该系统的不能过度弯曲;
(5)现场需要很多电缆连接,质量难以保证。
3.5 网状阳极阴极保护
网状阳极是贵金属氧化物带状阳极与钛基金属连接片交叉焊接组成的外加电流阴极保护辅助阳极。将该阳极网予埋在储罐基础中,为储罐底板提供保护电流。与其他方式的阴极保护相比,该系统具有如下优点:
(1)电流分布非常均匀,输出可调,保证储罐充分保护(见图1);
产生的杂散电流很少,不会对其他结构造成腐蚀干扰;
(2)不需要回填料,安装简单,使用寿命长。
(3)该网状阳极可放置在罐底板与防渗膜或混凝土基础之间, 距离罐底板的距离最小可以达到15厘米,无须填料。与井式阳极阴极保护电极电位波动情况的比较。见图1所示。
  
图1  两种阴极保护法保护电极比较
 
4  网状阳极阴极保护的应用
大连某油库地处沿海,土壤盐含量较高,电阻率较小(45Ωm),特殊的地理位置决定了大连储金属油罐底板的腐蚀较内地要严重得多,为此对一座100000m3的原油储罐底板实施了网状阳极阴极保护。
4.1 网状阳极阴极保护系统设计
(1)设计依据
BS7361 阴极保护----陆上海上设计规范. 第一部分;
NACE RP--0169. 埋地或水中金属管网外腐蚀控制;
API RP 651. 地上油罐的阴极保护;
中华人民共和国石油天然气行业标准, SY/T0088-95,“钢制储罐罐底外壁阴极保护技术标准”。
(2)设计参数
设计寿命: 35年;
电流密度: 10mA/m2
填沙电阻率: 40Ω·m
阳极最大输出: 18mA/m;
阳极埋深: 距储罐底板150mm;
防雷接地: 改用镀锌钢管或钢板接地将减小电流泄漏。
(3)设计计算
设计中需要计算阳极接地电阻和阳极以及钛连接片用量,阳极的长度可以根据勾股定理逐根计算,也可以用底板面积除以阳极间距估算,网状阳极的阴极保护系统组成见表1。
表1          网状阳极阴极保护系统的组成及作用                                 

恒电位仪将交流电转换成直流电,由参比电极控制其电流输出,阴极电缆连接在储罐上,阳极电缆连接贵金属氧化物阳极网,系统工作时,电流从阳极网释放到沙层中并流入储罐底板,通过电缆返回到恒电位仪阴极。当储罐底板的电流达到一定密度后,底板将停止腐蚀。恒电位仪最好安装在防爆堤外的房间内。
阳极网处于罐底板下面的回填沙中。阳极带间距为1--5m。该阳极网不需要填料,但应铺设在回填沙层中。阳极网距罐底板一般为150--300mm,由于距离储罐底板很近,不会产生杂散电流。
贵金属氧化物阳极带由贵金属氧化物( TIR2212)涂敷在钛金属表面上制成,具体规格如下:
成分: CP TA Series           等量半径: 2.2 m
导电连接片连接片与阳极带垂直交叉并焊接在一起,规格如下:
成分: CP TA Series          等量半径: 4.4 m
阳极电缆接头电缆是双聚氯乙烯铜芯电缆,其长度使该电缆能够连接到接线箱,截面积一般为10mm2。电缆端部连接直径为6mm,长度100mm的钛棒,钛棒与一段钛连接片焊接。钛片与阳极网上的钛金属连接片焊接。一般采用 3 根阳极电缆,一是保证该系统的可靠性,二是使电流分布更加均匀。
参比电极采用预包装的铜/硫酸铜参比电极,误差 ± 10%. 装在有填料的布袋中, 并带有 6mm2 截面积的电缆. 安装前在水中浸泡15--20分钟.一般采用3个参比电极,分别埋设在储罐底板中心处以及边缘处。
测试接线箱采用测试接线箱, 带有相应的接线柱, . 用于电气连接及测量保护电位。

            
 
 
4.2  网状阳极阴极保护系统的安装
 
(1)罐底板网状阳极分布情况见图2所示。
 
 
 
球罐ZARE阴极保护

图2      罐底板网状阳极分布示意
 
 
(2)  恒电位仪数量设计计算
一般埋地管线的外加电流保护密度取5mA/m2,而对于大型储罐系统根据经验取10 mA/m2为最佳。大连石化的100000m3原油储罐直径80m,外加电流所需的总电流为:I=10 ma/m2×π×(80/2)2m2=50.265A
对于输出电流为30A的恒电位仪需要50.265/30=1.6755≈2台(恒电位仪)。此外为保证恒电位仪的不间断使用,应再备用一定数量的恒电位仪(视保护台数综合考虑)。
(3)参比电极
作为埋地的参比电极一般采用Cu/CuSO4长效参比电极。
(4)阴极保护站
阴极保护站由数台恒电位仪和一台总控制台组成,其中部分恒电位仪提供保护电流,另外一部分备用,由控制台切换,阴极保护房间的使用面积不小于40m2
(5)电缆
所有电缆均直埋敷设,周围垫以细砂,上盖红砖,每隔50m设一电缆标志桩,上标电缆走向及名称,具体做法参见国家标准图集D164的要求。电缆采用铝热焊接技术,防火堤时应采用钢陶管进行保护。
  (6) 其它
为防止阴极保护电流流失,储罐原有的角钢接地全部改造为锌极接地。接地极采用打入法施工(距地面700mm以下),以三支为一组,其组数与原角钢相同,采用VV-1KV/1×50mm2电缆进行环接,锌接地极与储罐之间用40mm×4mm镀锌扁钢相连。埋地镀锌扁钢用沥青、玻璃丝布做“三布五油”防腐处理,镀锌扁钢与储罐间用螺栓连接,连接处涂以凡士林。安装后测量每组接地极电阻应小于1Ω。
4.3  10万立方米油罐实施网络阳极阴极保护耗电量测算
         恒电位仪输出电压为4~5V,保护电流最大为10mA,所以相当于一个50w的灯泡的耗电量。以每度电1元计算,1年电消耗为438元。
5  经济效益分析
经核算一台100000m3原油储罐罐底板外壁时实施网状阳极阴极保护造价为50万元有效保护期为35年。在上述保护期内若采取一般的防腐措施按更换罐底板两次计算,总费用约为400万元,因此采用网状阳极的阴极保护费用仅占更换罐底板费用的1/8。
    若油罐内壁每5年进行一次防腐处理,在35年期限内总费用约为300万元,则罐底板外壁采用网状阳极阴极保护的费用仅为内壁防腐费用的1/6。