集氣站污水處理裝置腐蝕規(guī)律及防護措施研究*

劉亞鋒

(陜西威能檢驗咨詢有限公司，陜西西安 710075)

隨著我國各大油氣田逐漸進入高含水開發(fā)階段，油井和氣井的采出液中含水量大幅增加，給油氣集輸處理工作帶來了更多的困難[1-3]。集氣站主要承擔對氣井采出的天然氣進行收集、降壓、計量、預處理以及加熱等處理工作。從氣井采出的天然氣通常含有一定量的凝析油、水以及其他固相雜質等，對于部分含水率較高的氣井，集氣站中會收集大量的污水，該類污水中含有較多的鹽類物質、固相雜質、化學藥劑以及細菌等微生物，需要對其進行處理后才能回收利用或者外排[4]。集氣站污水處理裝置因長期接觸污水，會對金屬設備產(chǎn)生一定的腐蝕，影響設備的使用壽命和污水處理效率，因此，研究污水對水處理裝置的腐蝕規(guī)律，并提出腐蝕防護措施建議，對提高集氣站污水處理裝置的運行效率具有較重要的意義。

根據(jù)前期資料調研及分析結果，污水對處理設備及管道的腐蝕影響因素主要包括污水礦化度、pH值、溶解氧含量、二氧化碳含量、硫化氫含量以及細菌含量等。西部某集氣站平均日產(chǎn)水約500 m3，污水處理裝置已接近滿負荷運行，隨著污水產(chǎn)出量的持續(xù)增加，污水對處理裝置的腐蝕風險越來越大。筆者以目標集氣站儲水罐中的污水為研究對象，通過室內試驗，考察了不同影響因素對儲水罐Q235鋼材腐蝕速率的影響，并提出涂覆環(huán)氧樹脂涂層以及添加緩蝕劑等防腐蝕措施建議，為該集氣站污水處理裝置的高效運行提供一定的技術支持和參考。

1 試驗部分

1.1 主要試驗材料及儀器

試驗用污水取自集氣站污水處理流程中的儲水罐，具體離子組成見表1；試驗用鋼片材質為Q235鋼；濃鹽酸、氫氧化鈉、硫化鈉，均為分析純，國藥集團化學試劑有限公司；高純二氧化碳氣體(φ≥99.999%)、高純氧氣(φ≥99.999%)，成都宏錦化工有限責任公司；高性能緩蝕劑HS-1(有效質量分數(shù)為85.5%)，實驗室自制；環(huán)氧樹脂涂層(w≥80%)，河北晟財環(huán)保設備有限公司。

表1 污水試樣離子組成

GWF-1型腐蝕掛片反應釜裝置的主要設備包括高溫高壓反應釜、熱電偶、溫度顯示裝置、安全閥門、高壓閥門管件以及鋁合金支架等，海安縣石油科研儀器有限公司。

1.2 試驗方法

室內采用靜態(tài)掛片失重法對集氣站污水處理裝置中儲水罐鋼材的腐蝕速率進行評價，將鋼片統(tǒng)一加工成尺寸為50 mm×25 mm×2 mm的掛片，腐蝕速率的計算方法參照JB/T 7901—1999《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》，腐蝕試驗時間均為72 h，試驗用腐蝕介質均為集氣站污水處理現(xiàn)場污水(其中考察溶解氧、二氧化碳以及硫化物對腐蝕速率的影響時，通過引入氧氣、二氧化碳或者硫化鈉來配制相應的污水)。腐蝕防護措施研究中防腐涂層的制備方法參照GB/T 1727—2021《漆膜一般制備法》進行。

2 結果與討論

2.1 污水處理裝置腐蝕影響因素研究

2.1.1 污水礦化度的影響

在污水pH值為7.0，溶解氧質量濃度為0.1 mg/L，二氧化碳質量濃度為5 mg/L，硫化物質量濃度為20 mg/L，試驗溫度為25 ℃試驗條件下，考察了污水礦化度對腐蝕速率的影響，結果見圖1。

圖1 污水礦化度對腐蝕速率的影響

由圖1可見：隨著污水礦化度的不斷升高，腐蝕速率逐漸增大，當污水的礦化度由5 029 mg/L升至51 027 mg/L時，腐蝕速率由0.338 mm/a增至1.874 mm/a。這是由于礦化度的升高會使污水溶液的電導率增大，加快了電荷的運移速率，使電化學反應加劇，有利于腐蝕反應的進行；另外，礦化度較高時污水容易結垢，易對金屬鋼材表面產(chǎn)生局部結垢腐蝕，進一步加劇了腐蝕反應進程。

2.1.2 污水pH值的影響

在污水礦化度為32 051 mg/L，溶解氧質量濃度為0.1 mg/L，二氧化碳質量濃度為5 mg/L，硫化物質量濃度為20 mg/L，試驗溫度為25 ℃的條件下，考察了污水pH值對腐蝕速率的影響，污水的pH值使用鹽酸或氫氧化鈉進行調節(jié)，結果見圖2。

圖2 污水pH值對腐蝕速率的影響

由圖2可見：隨著污水pH值的不斷升高，腐蝕速率呈逐漸減小的趨勢。當污水pH值為3時，腐蝕速率高達2.337 mm/a，當污水pH值升至10時，腐蝕速率則降低至0.369 mm/a。這是由于溶液的pH值越低時，其中的氫離子含量較多，導致腐蝕介質的還原性較強，腐蝕速率增大；當水溶液的pH值越高時，其中的氫離子含量就越少，腐蝕速率隨之下降。

2.1.3 溶解氧質量濃度的影響

在污水礦化度為32 051 mg/L，污水pH值為7.0，二氧化碳質量濃度為5 mg/L，硫化物質量濃度為20 mg/L，試驗溫度為25 ℃的條件下，考察了污水中溶解氧質量濃度對腐蝕速率的影響，結果見圖3。

圖3 溶解氧含量對腐蝕速率的影響

由圖3可見：隨著污水中溶解氧質量濃度的不斷升高，腐蝕速率逐漸增大。當污水中溶解氧質量濃度為0.4 mg/L時，腐蝕速率可由不含溶解氧時的0.915 mm/a增至1.979 mm/a。這是由于污水中存在溶解氧時，容易對金屬鋼材表面的電化學腐蝕起到較強的促進作用，并且溶解氧含量越高，腐蝕促進作用就越強。

2.1.4 二氧化碳質量濃度的影響

在污水礦化度為32 051 mg/L，污水pH值為7.0，溶解氧質量濃度為0.1 mg/L，硫化物質量濃度為20 mg/L，試驗溫度為25 ℃的條件下，考察了污水中二氧化碳質量濃度對腐蝕速率的影響，結果見圖4。

圖4 二氧化碳含量對腐蝕速率的影響

由圖4可見：隨著污水中二氧化碳質量濃度的不斷升高，腐蝕速率呈逐漸增大的趨勢。當二氧化碳質量濃度由0升至20 mg/L時，腐蝕速率可由0.419 mm/a增至2.084 mm/a，增幅較明顯。這是由于污水中的部分二氧化碳會以碳酸的形式存在，不僅會降低污水的pH值，還會促進金屬材料表面的電化學腐蝕反應，進而使腐蝕速率有所升高。

2.1.5 硫化物質量濃度的影響

在污水礦化度為32 051 mg/L，污水pH值為7.0，溶解氧質量濃度為0.1 mg/L，二氧化碳質量濃度為5 mg/L，試驗溫度為25 ℃的條件下，考察了污水中硫化物質量濃度對腐蝕速率的影響，結果見圖5。

圖5 硫化物質量濃度對腐蝕速率的影響

由圖5可見：隨著污水中硫化物質量濃度的不斷升高，腐蝕速率逐漸增大。當硫化物含量由0升至20 mg/L時，腐蝕速率由0.319 mm/a增至2.039 mm/a。這是由于硫離子在水中水解易生成硫氫根離子和硫化氫，能與金屬中的鐵離子反應生成硫化鐵腐蝕產(chǎn)物，而污水中硫化物的含量越高，生成的硫化鐵腐蝕產(chǎn)物就越多，腐蝕速率就越大。

2.1.6 溫度的影響

在污水礦化度為32 051 mg/L，污水pH值為7.0，溶解氧質量濃度為0.1 mg/L，二氧化碳質量濃度為5 mg/L，硫化物質量濃度為20 mg/L的條件下，考察了試驗溫度對腐蝕速率的影響，結果見圖6。

圖6 試驗溫度對腐蝕速率的影響

由圖6可見：隨著試驗溫度的不斷升高，污水對儲水罐Q235鋼材的腐蝕速率逐漸增大。當試驗溫度由20 ℃升至50 ℃時，腐蝕速率由1.201 mm/a增至2.519 mm/a。這是由于當溫度升高時，污水中離子的擴散速率會隨之加快，從而使金屬鋼材在污水中的腐蝕速率升高。

2.2 腐蝕防護措施研究

2.2.1 防腐涂層效果評價

按照1.2節(jié)中的方法，在Q235鋼材表面涂覆不同厚度的環(huán)氧樹脂涂層，以考察其在污水中的防腐效果。在污水礦化度為32 05 mg/L，污水pH值為7.0，溶解氧質量濃度為0.1 mg/L，二氧化碳質量濃度為5 mg/L，硫化物質量濃度為20 mg/L，試驗溫度為25 ℃的條件下，試驗結果見圖7。

圖7 涂層厚度對防腐效果的影響

由圖7可見：隨著環(huán)氧樹脂涂層厚度的逐漸增大，污水對Q235鋼材的腐蝕速率迅速減小。當涂層的厚度達到151 μm時，腐蝕速率減小至0.117 mm/a；而當涂層厚度達到507 μm以上時，腐蝕速率則減小至0。試驗結果表明：環(huán)氧樹脂涂層對Q235鋼材的防腐效果較好，涂層厚度優(yōu)選500 μm。

2.2.2 添加緩蝕劑效果評價

在試驗用污水中添加不同質量濃度的高性能緩蝕劑HS-1，考察其對Q235鋼材的防腐蝕效果，試驗條件同2.2.1節(jié)，試驗結果見圖8。

圖8 緩蝕劑HS-1質量濃度對防腐效果的影響

由圖8可見：隨著污水中緩蝕劑HS-1質量濃度的不斷增大，污水對Q235鋼材的腐蝕速率逐漸減小。當緩蝕劑HS-1的質量濃度達到100 mg/L時，腐蝕速率降至0.016 mm/a，與空白污水相比，腐蝕速率降低了98.58%。試驗結果表明：高性能緩蝕劑HS-1對Q235鋼材的防腐效果較好，在污水中添加HS-1能夠有效降低污水儲罐的腐蝕速率，緩蝕劑HS-1的添加量優(yōu)選100 mg/L。

3 結論

1)污水處理裝置腐蝕影響因素評價結果表明：當污水礦化度越高，溶解氧質量濃度越高，二氧化碳質量濃度越高，硫化物質量濃度越高，溫度越高時，污水對儲水罐Q235鋼材的腐蝕速率就越大，而污水pH值越高，腐蝕速率則越小。

2)腐蝕防護措施研究結果表明：在儲水罐Q235鋼材表面涂覆環(huán)氧樹脂涂層能夠有效降低污水對鋼材的腐蝕速率，涂層厚度優(yōu)選500 μm左右。此外，在污水中添加高性能緩蝕劑HS-1也可以有效降低污水對Q235鋼材的腐蝕速率，緩蝕劑HS-1的添加量優(yōu)選100 mg/L。