储罐底板防腐涂层性能分析
时间：2022-12-02 16:50:04 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
王思杨 杨玉峰 周 洋
（1. 中国石油大学（北京）新能源与材料学院，北京 102249；
2. 国家管网集团科学技术研究总院分公司，河北 廊坊 065000）
随着中国社会的不断发展，对能源的需求也日益增加，随之原油的需求也日益增多。原油储罐以其占地面积少、操作简单、管理便捷等优点，近年来得到了广泛地应用[1]。但是，在石油的储存中，常常出现储罐底板的点蚀乃至穿孔等腐蚀问题，导致原油泄漏，严重影响了储罐的安全、长周期运行，给环境安全和社会经济带来了不利影响。因此研究储罐底板的腐蚀机理，有针对性地筛选性能优良的防腐涂层，优化防腐结构，对于延长储罐的使用寿命和维修周期具有重要的意义。
1.1 罐底内腐蚀
罐底的腐蚀与油品中的污水层相关。原油中的含水组分高达56%，由于水与油之间存在比重差，经过长时间的静置沉淀，在储罐底部逐渐形成沉积水[2]。沉积水中存在着大量的盐类（氯化物），硫化物，氧，酸类物质等，容易形成电解质溶液，发生电化学腐蚀[3,4]。随着高矿化度，高pH值等组分复杂的原油的开发，储罐中储存的原油，油气和混合物具有很强的腐蚀性。同时，油品中存在着大量的氯根离子以及高矿化度，这些因素加速了罐底的腐蚀速度，最终导致储罐底部出现腐蚀穿孔，泄漏等 问题[5]。
此外，溶解氧和硫酸盐还原菌等微生物也是造成罐底腐蚀的主要因素。罐底溶液中的氢离子不断的被硫酸盐还原菌（SRB）代替消耗，使硫酸盐反应还原成硫化氢[2]。H2S会使储罐底板发生腐蚀，导致储罐寿命大大缩短。
油析水中含有大量无机盐分，其中一部分会水解生成强腐蚀性酸，同时，储罐底部为厌氧环境，含油污水矿化度高，且含有大量的Cl-和SO42-，为SRB提供了生存环境[6]。虽然前期储罐上形成的锈层会对储罐底板带来一定程度的保护，减缓腐蚀速度，但是随着时间的增加，这些腐蚀性介质渗入锈层，与罐底板防腐层破损处发生电化学反应[7]，导致严重的局部腐蚀，如点蚀、孔蚀，加大储罐腐蚀穿孔的风险。
1.2 罐底外腐蚀
储罐底板外部与以砂层和沥青砂为主的固定基础相接触。由于储罐底板尺寸过大，需要通过切割后再焊接成型。而储罐底板外部及焊缝处无法进行防腐防护，通常会在基础与储罐底板之间填埋沥青砂充当防腐材料[8,9]。随着储罐的使用，没有完全被沥青砂填埋的底板容易被土壤中的水汽侵蚀。边缘板在有空气环境下形成吸氧腐蚀[10]。当储罐底板周围氧含量较大时，罐底板上会生成铁锈。
另外，氧浓度差也是储罐底板外部腐蚀的原因之一。在水汽条件下，储罐底部边缘板与其附近的连接处往往密封性不佳，电流密度不均匀，引发氧浓度差电池，使溶液中的阴离子向氧浓度小的地方移动，阳离子向氧浓度高的地方移动，最终在氧浓度小的地方发生局部腐蚀[10]。
1.3 储罐底板防腐措施分析
针对储罐底板的腐蚀情况，目前主要有三种防腐措施：一是更换厚度更大的储罐底板，减缓穿孔腐蚀发生[11]；
二是利用阴极保护的方法，这种方法可以有效延长储罐的寿命[11,12]。但需要注意，使用牺牲阳极的材料电位差需要低于所保护的金属，保证存在电位差；
三是使用防腐涂层[9]。一般来说，储罐底板使用防腐涂层时底漆优先选用以环氧树脂为基础的高浓度锌粉涂料，如无机富锌底漆、环氧富锌底漆，这种涂料最大的优点是能对钢材起到阴极保护作用，可焊性好；
而面漆品类较多，目前推荐的主要有环氧酚醛树脂和丙烯酸聚氨酯两类，但是否满足储罐底板的服役工况和防腐要求仍待进一步测试确认。
2.1 实验样品
为进一步验证储罐底板防腐涂层（环氧酚醛树脂面层和丙烯酸聚氨酯面层两类）的防腐效果，通过盐雾老化测试模拟了储罐底板的服役工况。将储罐底板切割成5×5cm的样品，表面清洁后，底漆涂敷无机富锌材料，面漆分别涂敷环氧酚醛树脂和丙烯酸聚氨酯。
图1 涂敷不同涂层的底板样品
2.2 实验测试程序
通过盐雾老化测试模拟了储罐底板的服役工况。将涂敷两种涂层的底板样品和未涂敷涂层样品分别放进5%氯化钠盐雾老化箱中，泵压力为1MPa，在35℃温度条件下老化。加速老化测试结束后，对样品缺陷面积进行评级。
其次采用原子力显微镜（AFM）对盐雾老化测试后的三种样品（无防腐涂层、丙烯酸聚氨酯涂层和环氧酚醛树脂涂层）进行AFM表面粗糙度测试。
最后采用表面轮廓仪对盐雾老化测试后的三种样品（无防腐涂层、丙烯酸聚氨酯涂层和环氧酚醛树脂涂层）进行腐蚀深度测试，进而得出腐蚀 速率。
盐雾老化试验周期为10d，试验结束后对老化样品的缺陷面积进行评级：未涂涂层样品缺陷面积A为100%，丙烯酸聚氨酯涂层样品的缺陷面积为10%＜A≤25%，环氧酚醛树脂涂层样品的缺陷面积为25%＜A≤50%，这表明丙烯酸聚氨酯涂层和环氧酚醛树脂涂层具有良好的防腐蚀性能，可满足储罐底板的服役工况。图2为不同涂层底板样品的老化 照片。
图2 不同涂层底板样品老化照片
此外，对盐雾老化测试后的三种样品进行了表面粗糙度测试。通过不同涂层的样品表面形貌图（如图3所示）和测试数据发现，丙烯酸聚氨酯涂层样品和环氧酚醛树脂涂层样品的表面相对更平整光滑，粗糙度分别为15.5nm和9.3nm，而未涂涂层样品的粗糙度为27.2nm。
图3 老化样品涂覆不同防腐材料形貌图
采用表面轮廓仪测试了盐雾老化测试后的三种样品的表面腐蚀深度，进而得出腐蚀速率。金属表面粗糙度对整体腐蚀、亚稳态点蚀形核和点蚀电位都有重要影响[13,14]。通过不同涂层的表面轮廓仪测试图和腐蚀速率数据可以看出，未涂涂层样品的腐蚀速率最高为28um/a，而丙烯酸聚氨酯涂层样品和环氧酚醛树脂涂层样品的腐蚀速率相对缓慢，分别为20um/a和10um/a。因而丙烯酸聚氨酯涂层和环氧酚醛涂层可以显著提升储罐底板的耐腐蚀性能。
图4 不同涂层样品的表面轮廓仪测试图
储罐底板发生的孔蚀，穿孔等腐蚀问题主要是由原油中的酸性气体，沉积水，硫酸盐还原菌，外界环境等因素造成的。通过阴极保护法，增加材料厚度，使用防腐涂层等方法可以有效的减轻腐蚀带来的影响，减缓腐蚀速率。
通过对比涂敷涂层和未涂敷涂层的盐雾老化底板样品测试结果，可以看出环氧酚醛树脂涂层、丙烯酸聚氨酯涂层样品的缺陷面积分别为10%＜A≤25%和25%＜A≤50%，具有良好的防腐蚀性能；
丙烯酸聚氨酯涂层样品和环氧酚醛树脂涂层样品的表面相对更平整光滑，表面粗糙度分别为15.5nm和9.3nm；
两者的腐蚀速率相对缓慢，分别为20um/a和10um/a，可显著提升储罐底板的耐腐蚀性能，从而有效保护罐底，延长储罐使用寿命。
