油罐的腐蝕機理分析
不同結構形式的儲罐,需防腐涂裝的部位當然也不一樣。目前稍大的儲油罐主要是立式圓柱形罐,按罐頂?shù)慕Y構形式又分為固定拱頂罐、內浮頂罐和外浮頂罐,具體設計那種結構,主要視油品物性、罐的容量和投資而定。還有一些貯存輕質揮發(fā)性介質(氣體或液體)罐為球形罐。
1、固定拱頂罐
拱頂儲罐是指罐頂為球冠狀、罐體為圓柱形的一種鋼制容器,固定拱頂油罐的罐頂與罐壁是焊接固定的,隨著氣溫的變化、罐內液面的升降,常有空氣吸進罐內,油氣呼出罐外,這不僅增加油品的損耗,也增加了火災危險性。固定拱頂儲罐制造簡單、造價低廉,所以在國內外許多行業(yè)應用最為廣泛,最常用的容積為1000 -10000m 3。
2、內浮頂罐
內浮頂儲罐也是一種拱頂罐,它是在固定拱頂儲罐內部增設浮頂而成,罐內增設隨油面上下升降的浮頂可減少介質的揮發(fā)損耗,而且由于內浮頂把介質即罐內儲料和空氣有效隔絕從一定程度上也降低了發(fā)生火災爆炸的危險等級,外部的拱頂又可以防止雨水、積雪及灰塵等進入罐內,保證罐內介質清潔。這種儲罐主要用于儲存輕質油,例如汽油、航空煤油等。內浮頂儲罐采用直線式罐壁,壁板對接焊制,拱頂按拱頂儲罐的要求制作。
目前國內的內浮頂約有四種結構:一種是與浮頂儲罐相同的鋼制浮頂,另一種是拼裝成型的鋁合金浮頂,還有不銹鋼浮頂和玻璃鋼浮頂,通常只有鋼制浮頂需要進行防腐涂裝。
內浮頂罐和固定拱頂罐的最大區(qū)別是在拱頂內有一個活動的浮盤,它綜合了外浮頂罐和固定拱頂罐的優(yōu)點。
3、外浮頂罐
外浮頂儲罐是由漂浮在介質表面上的浮頂和立式圓柱形罐壁所構成。浮頂隨罐內介質儲量的增加或減少而升降,浮頂外緣與罐壁之間有環(huán)形密封裝置,罐內介質始終被內浮頂直接覆蓋,減少介質揮發(fā)。
浮頂:浮頂分為單盤式浮頂和雙盤式等形式。
單盤式浮頂:由若干個獨立艙室組成環(huán)形浮船,其環(huán)形內側為單盤頂板。單盤頂板底部設有多道環(huán)形鋼圈加固。其優(yōu)點是造價低、好維修。
雙盤式浮頂:由上盤板、下盤板和船艙邊緣板所組成,由徑向隔板和環(huán)向隔板隔成若干獨立的環(huán)形艙。其優(yōu)點是浮力大、排水效果好。
罐底:浮頂罐的容積一般都比較大,其底板均采用弓形邊緣板。
罐壁:采用直線式罐壁,對接焊縫宜打磨光滑,保證內表面平整。浮頂儲罐上部為敞口,為增加壁板剛度,應根據(jù)所在地區(qū)的風載大小,罐壁頂部需設置抗風圈梁和加強圈。
浮頂油罐的特點是,罐頂可以上下浮動,四周用耐油橡膠密封圈以彈簧壓緊在罐壁上。罐頂緊貼著油面,油面升高,罐頂跟著上升;油面降低,罐頂跟著下降。這種油罐呼吸器是裝在浮盤上的,比起拱頂油罐來能大大減少油品的損耗,也比較安全。
外浮頂罐和內浮頂罐的最大區(qū)別是浮頂上方沒有固定的拱頂,外浮頂罐常見于大型(至少在10000m3以上)原油、燃料油、重油儲罐。
4、球罐
在石油煉制工業(yè)和石油化工中主要用于貯存和運輸液態(tài)或氣態(tài)物料。操作溫度一般為-50~50℃,操作壓力一般在3MPa以下。球罐與圓筒容器(即一般貯罐)相比,在相同直徑和壓力下,殼壁厚度僅為圓筒容器的一半,鋼材用量省,且占地較小,基礎工程簡單。但球罐的制造、焊接和組裝要求很嚴,檢驗工作量大,制造費用較高。
我為什么要先講儲罐的結構呢?因為不同結構的儲罐,要進行防腐涂裝的部位、腐蝕環(huán)境和所用涂料和涂層體系是不一樣的。而我們選擇防腐涂料和設計防腐涂層的重要依據(jù)是涂層所處的腐蝕環(huán)境和防腐壽命要求,下面我們來一一分析:
5、外浮頂儲油罐防腐涂裝部位示意圖
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6、內浮頂儲油罐防腐涂裝部位示意圖
7、固定拱頂儲油罐防腐涂裝部位示意圖
8、各部位腐蝕環(huán)境分析
外壁部分:
8.1大氣腐蝕環(huán)境下鋼結構表面:
指涂層表面直接和大氣接觸,受風吹日曬雨淋,對儲油罐來講,包括以下部位:
① 不保溫罐外壁;
② 罐壁外附件,包括抗風圈、加強圈、、及罐壁金屬結構附件、盤梯平臺;
③ 固定拱頂罐和內浮頂罐的拱頂上表面及附件;
④ 外浮頂罐浮頂上表面、浮頂上的所有附件及從罐壁頂部向下一段罐內壁;
⑤ 不保溫、不保冷的球罐外壁、支撐件及附件。
儲罐所處位置不同,當?shù)貧夂驐l件不一樣,腐蝕環(huán)境不同,但如果沒有特別要求,完全可以按國際標準ISO12944《色漆和清漆-防腐蝕涂層系統(tǒng)對鋼結構的腐蝕防護》,根據(jù)腐蝕環(huán)境和耐久性要求設計涂層體系。
但是,同樣處于大氣腐蝕環(huán)境下,一些儲罐對防腐蝕涂層卻有特別要求,如:
—貯存揮發(fā)性介質的儲罐(特別是球罐):期望能通過涂層減緩或降低罐內介質的溫度,往往選擇熱反射隔熱涂料。
—球罐的支撐柱往往有耐火極限要求,需要涂鋼結構防火涂料。
8.2、保溫罐外壁
一些稠油罐要保溫,原油和重油罐罐內介質溫度通常在50-95℃之間,但煉化廠的一些蠟油、渣油罐內介質的溫度可能超過100℃,但達到200℃的是很罕見的。外壁保溫通常采用巖棉板,也有采用粘貼聚苯乙烯泡沫的,外面再加鍍鋅板包覆。
此處部位由于涂層淋不到雨,曬不到太陽,雖然可能由于保溫層密封不好造成涂層表面有水,但總的來說比大氣腐蝕環(huán)境要低,而且溫度并不高,所以通常只涂底漆或底漆+中間漆,不涂面漆。少數(shù)需要低溫的耐熱漆,如酚醛環(huán)氧漆等。
8.3、罐底板下表面
目前罐基礎多以砂層和瀝青砂為主要構造,罐底板與之接觸,有濕氣上升,加之如果罐底外邊緣板與基礎連接處密封不好,會進水,所以該處的涂料主要要求耐水性、耐潮濕性。
還有一個特別的地方是:由于底板焊接后,下表面沒法子再補漆刷漆,所以那個焊接處實際上是沒有辦法做到有涂層保護的,這是一個防腐的薄弱環(huán)節(jié)。針對這個薄弱環(huán)節(jié),一些設計院或業(yè)主也考慮了很多措施,在后面介紹,如采用陰極保護,焊邊涂可焊底漆等等。
8.4、罐底外邊緣板與基礎連接處
這個地方主要是密封好,防止雨水進入底板的基礎之間。
分析油罐底板外邊緣的腐蝕原因,一是由于油罐的基座與罐體底板結合的部位,隨著環(huán)境主要是溫度的變化使底板徑向發(fā)生伸縮;二是由于油罐輸儲油量的載荷變化引起油罐的變形,當油罐受液后由于靜液壓力作用產生很大的環(huán)向應力,使油罐沿半徑方向產生水平變位,而邊緣板由于與底板牢固地焊在一起無法向外擴張,結果在邊緣板處發(fā)生變形,如圖A;從而產生邊緣應力,該應力與基座對邊緣板的抵抗力共同作用導致底板外環(huán)部的塑性變形;當油罐空罐時,罐體恢復原狀,邊緣板卻由于塑性變形而向上翅曲,見圖B。
A、 罐底外周邊變形狀態(tài)(盛液)B、罐底外周邊塑性變形(空罐)
上述因素使油罐底板外邊緣處與基座形成一條裂縫,該裂縫的大小會隨著油罐的運動變化不斷地膨脹與收縮,結果給外界的一些腐蝕介質如雨水、露水等的侵入提供了一條通道,這些腐蝕介質日復一日地入侵并由于縫隙很小,水不易發(fā)揮發(fā)而長年積存于底板與基座之間從而發(fā)生嚴重的電化學腐蝕,最終導致底板下面的銹蝕穿孔。由于這種腐蝕發(fā)生在罐底與基座之間,一般無法觀察,故最容易被人們忽視,也是最危險的。油罐底部邊緣板的防護,就是切斷上述的入侵通道,有效防止環(huán)境因素等從油罐底部四周入侵,達到保護油罐底板(特別是邊緣板),將其與水、大氣等隔離的目的。
從上面可以看出,對這個地方的材料要求是有彈性,能抵抗縫隙的增大和縮小,密封性好,現(xiàn)在市場上有以下方案:
A、防水涂料CTPU中加入一定量的填充物配制成膠泥及粘泥,再利用貼覆玻璃布加強涂層強度,這種方法是主流。
B、采用三元乙丙彈性橡膠帶包覆。
內壁部分:
8.5、罐底板上表面及油水分離線以下罐內壁板
這部分是儲油罐防腐的重點,是腐蝕最嚴重的部分,因為油中的雜質和水都沉積在這兒了,當然不同油品情況不同,總的來說:原油>中間產品>成品油。
為了重點保護該部位,一些油罐設計采用了犧牲陽極陰極保護措施,在有犧牲陽極陰極保護措施時,該部位采用絕緣涂層(靜電可從陽極導出),沒有時,采用導靜電涂層。
8.6、罐內壁中間部位(油水分離線以上至罐壁上部)
這個部位的腐蝕情況,不同結構的儲油罐、不同油品的罐都不相同。
從結構上來講:
外浮頂罐:隨著儲油量的多少,外浮頂上下浮動,該部位有時浸泡在油中,有時暴露在大氣中。
內浮頂罐:隨著儲油量的多少,內浮頂上下浮動,該部位有時浸泡在油中,有時暴露在油氣中。
固定拱頂罐:隨著儲油量的多少,該部位有時浸泡在油中,有時暴露在油氣中。
總之,該部位會出現(xiàn)液相、氣相交替,越遠離罐底,出現(xiàn)氣相腐蝕的頻率越高。
從油品上來講:
原油、燃料油比較稠,油可掛于罐壁起一定防銹作用,貯存含蠟原油的罐,該部位表面還會結蠟。而汽油、柴油等成品油粘度低,則掛壁時間短,油膜薄,起防銹作用的效果有限。
所以,有的原油罐、燃料油罐該部位不做防腐涂層。而汽油、柴油等輕質油罐該部位是必須有防腐涂層的。
該部位如果涂漆,通常應采用導靜電涂層。
8.7、拱頂罐(包括內浮頂)拱頂內表面及網(wǎng)殼
該部位是氣相腐蝕部位,隨著油面的升降,排出油氣或吸進空氣。
由于晝夜溫差等因素,該部位鋼結構表面可能會有凝結水、而且油氣中可能含有二氧化硫、硫化氫等腐蝕性氣體,吸進的空氣中含有水汽和氧氣,因而該部位腐蝕比罐中間液相部位要重。
混合油氣也是易燃易爆氣體,也要防止靜電積聚,因而該部位的涂層也有導靜電要求。
8.8、保溫罐加熱盤管外表面
對于帶有加熱和保溫裝置的油罐,罐內設有加熱盤管,管內通180℃左右的蒸汽,外壁和油接觸。涂于該管外表面的涂層應耐熱油。目前多采用無機富鋅底漆或環(huán)氧改性有機硅耐熱漆。
8.9、 浮頂(盤)下表面和側壁、外緣板側面、刮蠟機械、排水系統(tǒng)及浮盤上各開口接管、支柱等:
無論是外浮頂罐還是內浮頂罐,該部位都是接觸油的,所以要采用導靜電涂層防腐。
內浮頂罐中有一些罐(小罐)是采用的鋁制浮盤,不用防腐。鋼制浮盤則要防腐。
8.10、浮頂(盤)上表面:
前面提到,外浮頂罐浮盤上表面是受大氣腐蝕的,按大氣腐蝕環(huán)境考慮;而內浮頂罐,浮盤上表面是與油氣接觸的,應采用導靜電防腐涂層。
8.11、浮艙內表面及型鋼:
浮盤由一個個密封的艙室組成的,艙室內應該是空氣(含有水汽),受溫差影響,艙室內表面也會結露造成腐蝕,腐蝕相對較輕。