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LNG接收站设备和管道腐蚀问题及相应措施详答

2021-01-25 09:43 来源:手机九游会化工
近年来,随着我国对清洁能源需求的增长,液化天然气(LNG)的进口量逐年攀升。LNG接收站能实现大宗LNG接收、返输、储存、调峰、气化外输、槽车液态外输等功能,是LNG产业链中的重要枢纽。
 
为了方便LNG运输船输运,LNG接收站大多处于沿海地区,沿海地区高盐雾、高湿度环境使LNG接收站内腐蚀情况复杂。以国内南海某沿海LNG接收站为例,每年投入防腐蚀维保费用高达百万元以上,且这一数字呈逐年增长趋势。考虑到LNG接收站的服役寿命为50年左右,由腐蚀导致的运营成本将十分巨大。因此,有必要对LNG接收站内钢管桩、紧固件、保冷管道及非保冷低温管道等高腐蚀风险区域设施设备和管线的腐蚀情况进行介绍,对现场可采用的防腐措施进行分析,以期对后期LNG接收站的运营维护提供参考。
 
一、钢管桩的腐蚀问题
LNG接收站一般采用钢管灌注桩支撑平台荷载,钢管桩桩身一般为采用螺旋双面埋弧焊接卷制而成的Q345B钢管。根据腐蚀机理的不同,钢管桩的腐蚀区域可分为大气区、飞溅区、潮差区、水下区、泥下区。其中,飞溅区由于干湿交替,盐分富集,且紫外线强烈,浪花冲击,是腐蚀速率最快的区域。尽管在钢管桩设计中采用了涂层和牺牲阳极双重防腐蚀措施,但表面处理不合格、涂层缺陷及海水或海冰的冲击都会导致钢管桩腐蚀加剧。
 
二、钢管桩的防腐蚀措施
1.耐蚀基体材料
相关研究表明增加不锈钢中Cr含量、Mo含量能提高不锈钢耐海水腐蚀性能。P、Si等元素的加入对改善低合金钢的耐蚀性也有较大作用,S、Al、V等元素能促进钢的腐蚀过程。微量元素对钢材耐蚀性的影响主要是通过加速生成具有保护作用的γ型羟基氧化铁,阻止水、氯离子等进入一步渗入和氧化作用的发展。
 
虽然通过改进材料的元素组成和热处理工艺来提高钢管桩基体材料耐蚀性的方法成本较高,容易被忽略,但是材料本身耐蚀性的提高对维持结构长期性能来讲是非常重要的,在工程化设计中应予以考虑。
 
2.金属涂层
金属涂层一般指利用火焰喷涂或电弧喷涂将涂层金属熔融喷涂到基体金属表面形成一层半合金状态的金属隔膜层,主要起屏蔽水、氯离子和氧等腐蚀介质的作用,同时金属涂层的电极电位比铁的更低,因此涂层还可以充当牺牲阳极。
 
相关研究表明,在海洋环境中,Al涂层和Zn-Al涂层的腐蚀速率为0.3~8.4μm/a,涂层厚度为200μm时,使用寿命可达20年以上。该技术在LNG接收站的开架式海水气化器中已经得到了广泛应用。
 
3.耐蚀合金护套
针对钢管桩腐蚀风险较高的飞溅区和潮差区,在其表面增设耐蚀合金护套也是一种防腐蚀方法。研究表明,用美国国际镍公司开发的400号蒙乃尔合金作为外海钢结构飞溅区防护板,其使用寿命可超过20年。类似的材料还有Cu-Ni合金(90/10,70/30)合金、奥氏体不锈钢等。
 
三、紧固件的腐蚀问题
LNG接收站的法兰连接、锚固件在设计时并不会设置专门防腐蚀措施,往往采用和管体或结构相同的防腐蚀涂层设计。在施工过程时,需要先将管道和设备连接、试压完成后开展防腐蚀涂漆施工,碳钢管道和结构涂漆干膜厚度一般小于320μm。涂漆施工中,往往不能完全覆盖紧固件所有缝隙,结构边缘涂漆质量难以保障,且在连接件或紧固件的缝隙处一般有盐分和水分的积存,缝隙内的氧浓度也与周围环境不同,形成腐蚀微环境。锚固件和法兰需要安装或者拆卸,在机加工面处不再设计涂层防护,在腐蚀微环境中,容易发生缝隙腐蚀,如图2所示。
 
四、紧固件的防腐蚀措施
1.螺栓基体防护
工程建设中螺栓基体材料可采用特殊的耐蚀处理方法进行防护,例如电镀锌处理、热浸锌处理、喷涂达克罗涂层处理、渗锌处理等。
 
电镀锌是通过电解过程,在材料表面形成一层均匀、致密的金属或者合金沉积层。涂层与螺栓之间为机械结合,锌渗入基体深度小于10μm。电镀锌层作为牺牲阳极对基体起到防腐蚀作用;热浸锌处理是在460℃左右,在镀锌槽中将锌材熔融,螺栓基材表面处理后浸入熔融锌中,使表面形成锌铁合金涂层,涂层厚度一般为15~110μm。
 
达克罗是一种包含锌粉、铝粉材料和铬酸组成的防腐蚀涂料。该涂层厚度仅为4~8μm,通过片状锌、铝层形成对腐蚀介质的屏蔽作用。铬酸与铝粉、锌粉以及螺栓基体发生反应形成钝化膜,增强基体的耐蚀性;渗锌处理是一种利用加热状态下金属原子的渗透扩散作用,在温度小于亚淬火温度条件下,将锌渗入到螺栓表面,形成不同Zn-Fe比例的合金渗层,改善和提高钢构件的耐腐蚀、表面氧化及机械磨损的性能。
 
2.法兰全包覆技术
法兰包覆技术是一种阻隔防锈技术,该技术对结构表面除锈等级要求低,且对复杂异形构件具有很好的适应性。该技术包含阻锈成分,同时能够隔绝腐蚀介质,对于海上和沿海大气腐蚀环境中的管道法兰、螺栓连接、阀门等具有很好的防腐蚀作用。类似的技术包括氧化聚合型防腐蚀技术、热喷涂热塑性树脂材料等。
 
五、保冷管道的腐蚀与防护
1.保冷管道的腐蚀问题
LNG接收站的工艺介质主要是液化天然气,因此大量的管道和设施需要采用保冷设计。目前,国内外主流的LNG管道保冷材料有两类:一种是以泡沫玻璃、聚异氰酸酯泡沫(PIR)为代表的硬质保冷材料;另一类是以发泡弹性体为代表的柔性保冷材料。
 
在保冷设计中,硬质保冷材料被设计成多层保冷层结构,同层错缝,邻层压缝。保冷层与钢管之间设置过渡层和伸缩接头。每层硬质保冷材料外表面均需敷设连续的防潮层以提高防潮性能,防潮层由玛蹄脂或PAP铝箔和专用黏结剂组成。保冷层最外侧采用不锈钢或镀铝铁皮作为外护套,接缝处用黏结剂密封。按照相关设计标准,保冷管道外壁温度应高于环境露点温度1~3℃。随着运行时间的延长,保冷层的保冷效果会逐渐劣化,普遍存在漏冷量逐渐增大、表面凝露等情况,加之沿海盐雾环境影响,保冷护套锈蚀时有发生。而停车更换保冷层存在难度大,窗口期短,费用昂贵等问题。
 
2.保冷管道的防腐蚀措施
(1)新型保冷材料
鉴于传统的保冷材料PIR一旦劣化后,难以更换,尝试将原有保冷材料与保冷性能更为优异的纳米气凝胶保冷材料复合的保冷方案用于LNG接收站。
 
该复合保冷方案中,保冷层内层材料仍然为经济性好的PIR,采用玛蹄脂对其进行密封后,用纳米气凝胶毡垫作为外层保冷材料,最外层也仍然采用不锈钢或镀铝钢板护套。鉴于常温下纳米气凝胶毡导热系数小于0.021W/(m·K),在同样设计条件下,采用新型保冷材料的保冷层厚度较薄,这对于空间受限的保冷管道来说是很好的解决方案。随着运行时间的延长,保冷层保冷性能劣化后,纳米气凝胶毡垫可以拆卸换装,在保证良好的保冷性能同时,避免了PIR不能拆卸的缺陷。
 
(2)紫外光固化玻璃纤维增强护套材料
保冷层中腐蚀风险最大的是外部不锈钢或镀铝钢板,而使用聚合物复合材料,则完全可以避免腐蚀风险。
 
紫外光固化玻璃纤维增强的聚酯复合材料作为保冷层材料外护套在未发生固化反应前为柔性的弹性材料,可直接包覆在保冷层外表面,采用特定的低温胶对搭接处进行密封,经5~20min紫外光照即可实现固化。固化后材料具有优异的力学性能,且导热系数低至0.1W/(m·K),具有一定的保冷作用。该材料还具有一定的防火阻燃性能,且耐化学、盐雾腐蚀,耐海水浸泡,完全避免了保冷管道外金属护套的腐蚀风险。已有工程经验显示,其使用寿命可达10年以上。有拆卸需求时,拆除的材料能够回收再利用。
 
3.非保冷低温管道的腐蚀与防护
(1)非保冷低温管道的腐蚀问题
大多数LNG接收站都具备气化外输功能,通过与海水进行换热,将LNG气化为天然气,并输送至高压管网并网。天然气气化后温度仍然较低,一般低于10℃,在高湿炎热气候环境中,管道表面容易长时间凝露,加之沿海盐雾环境,容易导致涂层失效,使基体材料腐蚀。外输管道一般为碳钢材质,根据外输要求确定管道压力等级和管径。由于该处管道压力较高,且运送介质为易燃易爆的天然气,故难以停工维护,一旦发生腐蚀,风险很高,维护作业困难。目前,该处管道防腐蚀涂层一般采用环氧富锌涂料体系,干膜厚度满足相关标准要求,并未做特殊的防腐蚀处理。

(2)非保冷低温管道的防腐蚀措施
为降低非保冷低温管道的外腐蚀风险,应在接收站设计建设阶段,考虑腐蚀因素,提高防腐蚀设计等级。管道应尽量布置在通风处,尽可能降低凝露状态,管道设计高度尽量便于维护和检查。针对非保冷低温管道的腐蚀环境,有必要使用能够在0~10℃环境中固化的耐水级涂料。目前,耐水涂料技术十分成熟,产品也较为丰富,主要用于海上飞溅区、潮差区、水下及埋地等重防腐蚀区域。


编辑:资广飞    审核:谢仲军
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