海边20000m3LNG储罐的腐蚀与防护

2016-11-29 11:02:58 作者：本网整理来源：中国空分分享至：

    天然气作为清洁能源越来越受到青睐，很多国家都将LNG列为首选燃料。随着国家对环境问题越来越重视，节能减排力度越来越大，天然气作为清洁能源的优点日益突出，国内天然气需求呈现出爆炸式的增长势头。我国天然气资源在西部，经济发达地区却在东部沿海地区，西部和中部的大量天然气资源离东部沿海经济发达地区甚远，造成东部天然气供应不足，“西气东输”项目满足不了沿海地区对能源的需求，需大量进口LNG来补充。2014年中国通过沿海接收站进口LNG达1989.07万t，而LNG储罐为接收站的核心设备，由于海边环境的大气腐蚀性大，因此LNG储罐良好的防腐性能是一项关键指标。

    1 近海环境下，20000m3LNG储罐的腐蚀机理

    以20000m3LNG储罐为例，该储罐位于海口市澄迈县工业园区，储罐距海岸约150 m，储罐为双层金属吊顶单容罐，固定拱顶结构。

    1.1 金属腐蚀的影响因素及分类

    金属腐蚀过程受各种不同因素的影响，这些因素分为外部因素和内部因素。外部因素包括介质的组成、温度、压力、pH值、材料的受力等；内部因素包括金属材料的化学组成、金属的晶型、金属表面的结构状态等。按腐蚀的反应历程可分为化学腐蚀和电化学腐蚀；按腐蚀的形态可分为全面腐蚀和局部腐蚀；按腐蚀环境可分为自然环境下的腐蚀和工业环境中的腐蚀。储罐介质不会对罐体产生腐蚀；由于储罐离海近，大气环境湿度大，氯离子含量高，大气环境会对罐体产生腐蚀。因此，储罐的主要腐蚀类型为大气环境中均匀的电化学腐蚀和由盐雾颗粒引起的局部腐蚀。

    1.2 20000m3LNG储罐的腐蚀机理

    金属表面在潮湿大气中形成薄液膜，液膜具备电解质溶液的性质，会产生电化学腐蚀。在薄液膜下的大气腐蚀，不论电解质是酸性、中性或碱性，阴极过程均以氧的去极化为主。

    在中性或碱性液膜中：

    O2+2H2O+4e→4OH-

    在酸性液膜中：

    O2+4H++4e→2H2O

    金属表面存在污染物质或吸附有害杂质，会进一步促进腐蚀过程。在固体颗粒下的金属表面常发生缝隙腐蚀或点蚀。海洋大气环境主要是大气中含有海盐粒子。

    在海洋大气环境中，海风吹起海水形成细雾，由于海水的主要成分是氯化物盐类，这种含盐的细雾成为盐雾。当盐雾沉降暴露在金属表面上时，由于Cl-对金属钝化膜极强的破坏作用而大大加快了金属全面腐蚀的速度，增大了金属局部腐蚀的可能性。

    海口澄迈县工业区设备所在地的年平均气温23.9℃，年平均相对湿度在85%左右，最大相对湿度达100%，属于热带、亚热带气候。由于地理位置的关系，整个地区在夏季易受台风侵袭。现场日照强烈，昼夜温差大（15℃左右），只要相对湿度达到35%左右就会出现凝露现象。储罐壁长期存在薄液膜，金属表面极易发生电化学腐蚀。而海洋大气环境中的形成的盐雾进一步加强了大气腐蚀的速率。

    2   海面20000m3LNG储罐的防护

    结合海洋大气环境对LNG储罐的结构、运行特点进行分析，储罐内充装有大量的LNG蒸发气（天然气）且储罐直径达35m，外加电流阴极保护法和牺牲阳极阴极保护法在有爆炸风险的场合并不合适。综合各种因素，防腐措施采用有机非金属涂料保护金属表面，以防止设备腐蚀。涂料涂覆在金属表面上，形成薄膜，隔离腐蚀性介质，保护金属。

    根据电化学腐蚀原理，如果能完全将腐蚀介质、氧气隔离，不和金属接触，就可以避免金属的腐蚀。但实际的涂膜不是完全无孔，膜的孔径虽然很小（平均直径一般为10-4～10-6mm），但是水和氧分子更小（＜10-4mm，Cl-更小），为防止水、离子、氧气的穿透，需采用多层涂膜且涂膜要有足够的厚度。此外，有机高分子聚合物一般都是绝缘体，如果在成膜物质中加入成为牺牲阳极材料的金属颜料，当金属颜料和金属表面直接接触，有腐蚀介质渗入后，金属颜料被腐蚀，可以保护金属。如富锌底漆中金属锌粉末，可作为牺牲阳极。

    多层防腐涂膜的构成可分为底漆、中间漆、面漆等。底漆直接和金属接触，润湿性要好，只有润湿性好，才能和金属表面细微不平处接触，渗透到金属表面的凹凸不平处或勾缝中。底漆作为腐蚀介质渗入涂膜后的最后一道防线，应具有防腐蚀作用，在底漆中添加锌粉作为防腐蚀的涂料，可以起到牺牲阳极的作用。此外，底漆的成膜物质具有很好的屏蔽作用，能阻止腐蚀介质的渗透。中间漆起着连接底漆和面漆的作用，这就要求中间层漆、底漆、面漆有很好的结合力，同时中间层漆要有很好的屏蔽作用。面漆作为阻挡腐蚀介质的第一步，需具备防护海洋气候大气腐蚀的性能。为减少孔隙度，最后一层面漆使用不含颜料的清漆，以获得致密的涂膜。

    2.1 防腐方案

    快干型环氧富锌底漆、快干可覆涂聚氨酯面漆都是双组份反应聚胺固化环氧涂料。双组份反应型涂料在将两组分按一定比例混合后，反应即开始进行，混合后涂料在常温下快速干燥固化。由于其常温干燥快和高性能的特点，尤其适用于大型制件和无高温烘烤设备时的涂装场合。LNG储罐体积大，现场制作，适宜选用快干型环氧底漆、快干可覆涂聚氨酯面漆。

    2.2 表面处理要求

    （1）喷砂前，除去油脂或探伤拍片留下的润湿剂，利用溶剂或乳液去除工件表面的油脂及其他类似的污染物。钢材表面若有油污物质，会导致涂层与基体结合不牢，必须在涂装前去除。由于溶剂有一定的毒性和易燃性，使用时要注意安全。

    （2）喷砂用磨料要干燥，无油污，清洁无杂物，不能对涂料的性能有影响。磨料的导电率将不得高于250mS/cm。磨料的大小要能够产生规定涂料系统要求的粗糙度（表面粗糙度级别根据ISO8503 进行评估）。喷砂时注意防止油或水对喷砂后钢材表面的污染。

    （3）钢材表面要求喷砂清理到Sa 2.5级。喷砂后准备涂漆的钢材表面要清洁、干燥，无油脂，所有灰尘要求彻底清理，保持粗糙度和清洁度直到第一道漆喷涂。

    2.3 油漆施工

    防腐油漆（duty paint）“的概念，一般指在苛刻的腐蚀环境使用，包括底漆和面漆的配套涂料。简单地说：防腐油漆就是使用寿命更长，可适应更苛刻的使用环境的涂料称为防腐油漆。厚膜化是防腐油漆的重要标志。一般油漆的涂层干膜厚度为100μm或150μm左右，而防腐油漆干膜厚度则在200μm或300μm以上，还有500μm～1000μm，甚至高达2000μm。

    这类油漆的固化是利用氨基与环氧基间的反应活性，在常温或低烘烤温度下交联成膜。胺类可用脂肪胺、芳香胺和环酯胺，与环氧树脂分罐包装，用前配合。芳族胺反应性较低，一般需低温烘干。脂族胺活性较高，也需在10℃以上才能充分反应。各种胺均可以与低分子量环氧或单环氧化物制成加成物，以降低挥发性、吸水性，提高与环氧的混溶性和固化速度，但同时提高粘度，降低使用期。常用的脂族胺为乙二胺、二乙烯三胺、多乙烯多胺、乙二胺。乙二胺价格低、来源广，但挥发性大，易吸水，毒性和漆膜病态也重，在自配自用的情况下还有采用。配方按环氧当量：活性氢当量=1:1.2-1.5计算。其他胺类挥发较小用来不宜过多，可视情况按当量计为：1:1.1-1.2. 这类漆类综合了煤焦沥青额耐酸、碱性、耐水性和环氧树脂的附着力。机械强度和耐溶剂性，为良好的防腐蚀油漆品种。广泛用于水利工程设施、地下管线外壁以及化工设备和管道内壁。缺点是色暗，且沥青易渗色，用磁漆罩色效果不好，不耐芳烃溶剂，也不耐暴晒。漆的性能和价格与沥青和环氧的配合比有关。已经从实验和应用证明，按重量比1:1配合最合理。环氧沥青防腐油漆，可分为：胺固化环氧沥青防腐油漆和聚酰胺固化环氧沥青防腐油漆。

    天气条件：涂料在施工时，相对湿度不能超过85％，并且钢板温度必须高于露点3℃以上。雨天、下雪天、大风和大雾环境时，不能进行涂漆作业（水性重防腐涂料系统的施工请参见水性重防腐作业指导书）。施工方法采用高压无气喷，刷涂和辊涂只能用于预涂工作和小面积修补。

    高性能的环氧树脂和聚氨酯涂料分两个包装，按比例混合涂料。涂料混合好后，必须在规定的混合使用寿命内用完。环氧双组份涂料，混合后，要放置熟化一定时间后才能使。

    对于局部的机械损伤，可以采用机械工具打磨到St3 级。修补时，可采用喷涂或刷涂的方式。喷涂时，需注意对其它区域涂层的保护，避免干喷或漆雾等现象的产生。刷涂时，应当意识到需要多遍才可达到规定的膜厚。

    施工完后，涂层在未完全固化的情况下，不宜承受机械应力。油漆固化过程中，应保持良好通风。涂层固化前，应当避免接触水气，否则，表面将产生白化现象。涂层表面存在白化现象时，使用稀释剂和打磨方式去除。

    3   结论

    鉴于LNG储罐是整个LNG接收站的核心设备，而天然气又是一种易燃易爆的介质，储罐设备的失效主要是泄露，因此采取有效的防腐蚀措施，能延长设备的使用寿命和运行安全。接收站在使用过程应对防腐涂层的厚度定期监测，以保证设备的平稳运行。出于控制建造成本的考虑，储罐的外罐碳钢材料的抗腐蚀能力比较差，因此对碳钢材料的防腐层必须有效完好，在设备在正常运行中，应定期测定防腐层的厚度，以防止因防腐层脱落造成设备表面腐蚀，引起设备的破坏失效。LNG储罐在各种保护措施的作用下可以保证是安全的。