大型LNG儲罐水壓試驗介質選用研究

揚帆，龔洪偉，史超君，計寧寧

(1.中海石油氣電集團有限責任公司，北京 100028；2.國家管網集團閩投(福建)天然氣有限責任公司，福建 漳州 363000)

0 引言

大型LNG儲罐在外罐和內罐主體結構施工完成后，按照GB/T 26978—2021[1]等國家標準要求，需開展水壓試驗，通過水壓試驗一方面可以消除內罐焊縫殘余應力，另外一方面對儲罐內罐強度、儲罐基礎和底部保溫層沉降進行檢驗，以滿足設計要求[2]。

水壓試驗用水需要考慮施工現場生活淡水供應情況[3]。考慮到內罐材料9%Ni鋼的焊縫不耐腐蝕特性，試驗用水盡量采用淡水并嚴格控制淡水氯離子等含量(氯離子≤25 mg/L)。但由于很多LNG接收站項目站址位于海邊，大量淡水取用較為困難(尤其是對于16萬立方米及以上容積LNG儲罐，用水量更大)。也有一些LNG接收站的儲罐在建設采用海水作為儲罐水壓試驗用水[4]。水壓試驗一般3～4周，若用海水作為試驗水，試驗需按GB/T 26978—2021等標準要求作相應陰級保護措施并考慮添加適當緩蝕劑措施[5]。

1 項目基礎情況

本文以南方某沿海城市站址海水和淡水條件，以16萬立方米LNG儲罐為例[6]，對內罐水壓試驗介質選擇考慮因素進行分析和對比，站址處海水水質情況如表1所示。

表1 沿海某LNG接收站項目站址海水水質

可以看出，海水銅、汞、硫化物、懸浮物等含量較高，由于水質條件較差，若采用海水作為儲罐水壓試驗介質，需做好水壓試驗階段內罐防腐蝕措施，水壓試驗完成后需做好內罐清洗。

若水壓試驗采用淡水作為介質，按照規范要求，淡水氯離子等含量不高于25 mg/L[7]。

2 水壓試驗一般性要求

關于水壓試驗要求，GB/T 26978—2021《現場組裝立式圓筒平底鋼質低溫液化氣儲罐的設計與建造》等相關標準規定如下：

(1)可采用水(海水或淡水)開展LNG儲罐靜水壓試驗，用來檢驗儲罐內罐的強度滿足要求。

(2)氣壓試驗可以和水壓試驗結合開展或分開開展；若水壓試驗和氣壓試驗結合開展，儲罐的內罐里面可以承裝一定的水(水可以未排除或排盡)。

(3) LNG儲罐的樁-承臺基礎、底部絕熱保冷材料，能夠承受水壓力產生的作用荷載。

(4)應考慮并研究排放水對環境的影響。

另外，儲罐內罐開展水壓試驗之前，需要對儲罐內部的管線、支撐、儀表等進行清理干凈。考慮到儲罐可能的超壓帶來對儲罐的破壞，因此在試驗前，需要儲罐安全閥系統(也可以是臨時裝置)處于工作狀態。

相關標準對水壓試驗的水質要求一般如下：

(1)充水試驗應采用工業潔凈水，水溫應高于5 ℃；當采用海水時，應采取防腐蝕措施。

(2)應證明試驗用水的適用性，應考慮可能出現的腐蝕。

(3)對陰極保護的需求進行研究，避免電化學腐蝕和減少其他腐蝕。陰極保護會促使陰極的反應，若同時存在H2S，在缺氧(在沉淀物下面)條件下將產生氫氣，從而增加氫致裂紋產生的危險。

(4)設計陰極保護系統時，應考慮避免出現氫脆。

(5)若水質不能滿足要求，應考慮其他采用添加適當緩蝕劑的試驗方法。

(6)若采用海水，注水前宜對海水的pH值、硬度、堿度、氯離子含量、氫硫化物含量、微生物等的情況進行取樣檢測。海水應符合GB 3097或GB/T 23248的規定。

(7)采用海水作為試驗介質時，宜設置陰極保護或其他措施。不銹鋼儲罐不應用海水作為試驗介質。

3 海水試驗方案

由于海水中氯離子含量較高，是一種腐蝕性較強的電解質，大多數金屬在海水中的腐蝕速度比較快，為了減輕內罐和底板在海水中的均勻腐蝕和局部腐蝕，需對內罐和海水進行必要的防腐措施[8]。

3.1 腐蝕原理

內罐材質為9%Ni低溫鋼。 水壓試驗過程中，9%Ni鋼腐蝕一般分為四個區域，即壁板液位以上部分、壁板液位以下部分、液位附近以及焊縫附近。液位以上部分直接與大氣接觸，具有耐腐蝕性，故不予考慮；液位以下部分主要為均勻腐蝕，腐蝕較輕微；液位附件的靠液位以下部分，由于氧濃差的作用，可能會形成氧濃差原電池腐蝕(目前尚不詳)；由于焊縫一般較母體電極電位低，在海水電解質作用下與母體形成原電池，電化學反應如下：

焊縫作為陽極受到嚴重的腐蝕，其腐蝕速度主要與焊縫面積與母材面積之比相關，如表2所示。很顯然，水壓試驗時屬于第1或第2種情況，為“大陰極小陽極”表面，焊縫區域腐蝕較嚴重。 腐蝕速率與陽極陰極面積比關系，如表2所示。

表2 腐蝕速率與陽極陰極面積比關系

海水中含有大量的氯離子，相對于淡水是很強的電解質，在利用海水進行試驗之前需對海水進行采樣，以檢測其成分是否滿足試驗要求，如果不滿足，則采取措施對海水進行處理，如加次氯酸或緩蝕劑等。

3.2 內罐水壓試驗期間腐蝕防護

若用海水作為大型LNG儲罐水壓試驗介質[9]，國內外已建LNG儲罐項目常見保護措施有外加電流陰極保護、犧牲陽極保護陰級保護兩種措施。

3.2.1 外加電流陰極保護

9%Ni鋼在水壓試驗時，液位以下位置最主要的腐蝕為焊縫與母材構成的原電池腐蝕，結果導致焊縫區域腐蝕較嚴重，需對其采取保護措施。根據對海水采樣結果、內罐材質特點等因素，國內部分項目在采用海水水壓試驗時對內罐采取了外加電流的陰極保護措施，組成包括內罐底鋼板外部增加電流保護系統、內罐的壁板外側增加電流保護系統、犧牲陽極保護系統。采用外加電流保護系統，只有當相對Ag/AgCl參考電極的電壓為-0.78 V時，才能夠起到防腐作用，由于9%Ni鋼為高強鋼，電壓應該控制在大于-0.78 V(相對Ag/AgCl參考電極)，如果電壓低于此值，有可能導致9%Ni鋼發生氫脆或氫致應力開裂，所以試驗過程中，時刻做好電壓的控制，避免對內罐造成損害[10]。

3.2.2 犧牲陽極保護陰極保護

國內某些項目，LNG儲罐采用海水水壓試驗中，采取了犧牲陽極的方法進行防腐。在采辦時，要求鋼板廠家對9%Ni鋼板表面涂刷薄的富鋅底漆。壁板和底板焊接完成后，水壓試驗時內罐表面的油漆可以對內罐內表面形成陰極保護作用，所以焊縫不再補漆。而對于點焊在壁板和底板上的附件，則需刷富鋅底漆，以避免連接處遭受電化學腐蝕[11]。

罐內一些泵井、進料等管線和管件為304或316不銹鋼材料。在9%Ni鋼內罐與不銹鋼連接處，需對焊縫涂刷富鋅底漆，以免9%Ni鋼與不銹鋼形成電化學反應的極化電極，從而腐蝕9%Ni鋼形成局部腐蝕。對于罐內的不銹鋼管線和管件，考慮到富鋅底漆可能不足以完全滿足對不銹鋼的陰極保護，所以建議在不銹鋼泵管下方安裝碳鋼鐵塊，并用導線連接接地，形成原電池，對不銹鋼起到保護作用。水壓試驗期間對泵管用盲法蘭盲死，螺栓孔和墊片的外側涂臘，以阻止海水進入墊片，待試驗完成后沖洗干凈[12]。

外加電流保護系統需要安裝直流電源和電極，在試驗過程中需不間斷地監視和調整電壓，否則會對內罐造成損害，而且陰極保護的化學反應會在內罐形成鈣質沉淀物，另外還需購置一套陰極保護系統，成本較高[13]。

對于犧牲陽極保護系統，需要鋼材在工廠內完成底漆施工，現場LNG儲罐水壓試驗前，只是對部分位置涂刷涂層就可以了，這樣可以一舉多得，同時解決焊縫電化學腐蝕、降低海水對內罐材料的腐蝕。

根據國內某LNG儲罐試驗測試數據[14]，對接焊縫在3周水壓試驗的腐蝕量一般小于0.01 mm，且在同樣的情況下對外加電流和犧牲陽極的陰極保護系統進行試驗比較，結果涂刷富鋅底漆的犧牲陽極系統更為理想。

雖然對鋼板涂刷富鋅底漆可以起到一定的防腐作用，但可能在某些位置還是會產生腐蝕。比如后期沖洗過程中，沖洗不干凈，焊縫處潮濕，在焊縫區域本身就會形成C-Fe原電池引起腐蝕；或由于種種原因，水壓試驗時間較預期長，也會增大腐蝕量。因此建議在能夠獲得淡水資源的地方，盡量采用無腐蝕性的淡水進行水壓試驗[15]。

4 淡水試驗方案

由于LNG接收站的儲罐項目一般建設在海邊城市，淡水水源一般可以通過以下三種方式獲得：

(1)租船裝運淡水

建設單位或施工承包商通過租船裝運淡水，以16萬立方米LNG儲罐為例，考慮水路損失，單罐水壓試驗淡水量約10.5～11萬立方米，成本一般較高；但進水速度相對以下兩種方案要快。

(2)利用市政水水管引入淡水

一般LNG接收站站址處于城市邊緣，除非單獨引入淡水管道，一般淡水管流量不是太大，一般單天進水量在最1 000～4 000 m3/d。

(3)LNG接收站項目現場淡水儲罐、市政水補充結合方式

一般LNG接收站項目建設期會建設淡水儲罐(1～2萬立方米不等)，用于作為生產及消防合用水。若采用淡水作為水壓試驗介質，可考慮項目現場淡水儲罐、市政水補充結合方式供水。

考慮到淡水成本較高，以16萬立方米LNG儲罐為例，單罐水壓試驗用水約10.5～11萬立方米，考慮到供水運輸成本，單罐水壓試驗成本高達50～60萬元。因此，若項目同期建設多座LNG儲罐，可考慮第一個儲罐水壓試驗后，淡水再抽注入到另外的儲罐水壓試驗用，以節省用水成本。

5 試驗過程介紹及要求

試驗注水前應完成罐內外排水泵、臨時水箱、臨時管線安裝、泵筒水壓試驗等過程。儲罐水壓試驗中，需在1/4、2/4、3/4、4/4水壓試驗液位進行內罐泄漏檢測和儲罐基礎、底部保溫層的沉降觀測。每次焊縫檢查、環形空間保冷沉降觀測、外罐沉降觀測時間約4 h，儲罐到達水壓試驗高液位按規范GB/T 26978—2021靜置觀測24 h以上，同時考慮API 620—2018[16]要求儲罐進水速率≤1.0 m/h，進水到觀測完成用時一般3 d左右。

上圖1為儲罐靜水壓試驗進水期間圖片。進水期間(1/4、2/4、3/4及滿液位高度)需觀測內罐壁板有沒有明顯漏水、變形情況。隨著注水高度的上升，對于下方已檢查過的要進行來回巡查檢查，若遇變形較大情況須停止注水，待處理完成后繼續注水。

圖1 水壓試驗LNG儲罐內罐進水

圖2為進水過程內罐焊縫檢查圖片。當發現內罐由泄漏或滲水時，應立即放水，并按照規定進行修補泄漏點并檢驗合格后繼續注水。

圖2 進水過程內罐焊縫檢查

內罐壁板滲水目視檢查，由施工人員操作電動吊籃沿著內罐罐壁旋轉一周，檢測人員進行目視檢查工作。需對內罐焊縫的是否滲水、內罐各部位變形情況認真檢查，當充水到設計最高液位后，需保持24 h，內罐無泄漏和滲水、內罐無異常變形則水壓試驗合格[17]。

高水位觀測24 h后，開始排水，儲罐排水速率≤1.5 m/h，10～12 h完成大部分排水(儲罐排水過程中，水位降低過程需配置工人在罐內用浮船完成儲罐清洗)。

若采用海水作為試驗介質，在水壓試驗結束后的排水過程中，需要對內罐壁板、罐內管線及附件進行淡水沖洗。

6 結語

對于大型LNG儲罐，選用淡水或海水作為試驗介質，理論上都是可行的，需根據項目具體情況選擇，若在不考慮成本，且市政水條件允許下，建議優先選擇淡水作為水壓試驗介質，這樣可以對內罐腐蝕影響降低到最小。無論是采用淡水或海水作為試驗介質，在水壓試驗后均需要做好儲罐罐內清洗工作，尤其是焊縫等重要位置，以保證儲罐清潔度和后期腐蝕影響。

若外部條件不允許選擇海水作為試驗介質，無論是外加電流保護系統，還是犧牲陽極保護系統防腐保護方案，試驗表明對內罐某些位置存在著腐蝕，因此需嚴格做好腐蝕方案防護，并控制水壓試驗時間，建議不超過三周時間，以降低對內罐構件的腐蝕影響。