煉油廠污水處理設(shè)備管線腐蝕分析及防治措施*

朱立軍，劉尚銘

（玉門油田分公司a.基建設(shè)備處b.煉油與化工總廠，甘肅 玉門 735000）

設(shè)備及管線的腐蝕問題在我國(guó)各大油氣田的開發(fā)、生產(chǎn)以及輸送過程會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年由于相關(guān)管線腐蝕而造成的經(jīng)濟(jì)損失可以占據(jù)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的3%左右，腐蝕問題成為影響安全生產(chǎn)的一個(gè)重大問題[1-3]。尤其在石油天然氣領(lǐng)域，管線的腐蝕會(huì)造成油氣資源的浪費(fèi)，輕則影響油氣田的正常生產(chǎn)運(yùn)行，重則可以導(dǎo)致重大的人員安全傷亡事故等，在造成嚴(yán)重資源浪費(fèi)的同時(shí)，還可能引發(fā)嚴(yán)重的環(huán)境污染等[4-6]。因此，做好腐蝕防護(hù)工作不僅是一項(xiàng)重要的技術(shù)問題，還關(guān)系到安全生產(chǎn)、節(jié)約資源以及環(huán)境保護(hù)等方面。

煉油廠污水處理設(shè)備管線系統(tǒng)的腐蝕問題是各大油氣田最常見的問題之一，污水中的化學(xué)成分十分復(fù)雜，其不僅具有較高的礦化度，還通常含有較多的有機(jī)物質(zhì)、細(xì)菌、溶解氧、腐蝕性氣體以及其他雜質(zhì)等，污水處理設(shè)備管線常年與之接觸，不可避免的會(huì)發(fā)生一定程度的腐蝕現(xiàn)象[7-10]。污水處理設(shè)備管線的腐蝕會(huì)嚴(yán)重影響煉油廠的污水處理工作，還會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成一定程度的污染。因此，本文以西部油田某煉油廠污水處理設(shè)備管線為研究對(duì)象，在分析了該煉油廠污水處理設(shè)備管線腐蝕現(xiàn)狀的基礎(chǔ)之上，開展了管線腐蝕原因分析研究，最后針對(duì)管線的腐蝕問題，提出了相應(yīng)的防腐蝕措施建議，以保障煉油廠污水處理系統(tǒng)的安全、平穩(wěn)運(yùn)行。

1 煉油廠污水處理管線腐蝕現(xiàn)狀

目標(biāo)煉油廠現(xiàn)有污水處理站5座，設(shè)計(jì)處理能力可以達(dá)到3500m3·d-1，污水處理設(shè)備管線的材質(zhì)大多采用碳鋼，少部分使用316L不銹鋼。隨著近年來污水處理量的增大和設(shè)備運(yùn)行年限的增長(zhǎng)，部分污水處理設(shè)備的管線系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的腐蝕穿孔以及失效的現(xiàn)象，影響了煉油廠污水處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)顯示，該煉油廠污水處理系統(tǒng)自建成投入運(yùn)行以來，發(fā)生的管線穿孔失效次數(shù)高達(dá)150次以上，相關(guān)的污水處理設(shè)備也出現(xiàn)過多次的腐蝕失效問題，這給煉油廠污水處理工作造成了極大的不便，不僅帶來了嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，還影響了污水處理系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，急需針對(duì)該煉油廠污水處理設(shè)備管線的腐蝕問題開展相關(guān)研究，找出腐蝕的主要原因，并提出有針對(duì)性的防治措施，為煉油廠污水處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行提供技術(shù)支持和保障。

2 污水處理設(shè)備管線腐蝕原因分析

2.1 污水水質(zhì)分析

污水的水質(zhì)對(duì)設(shè)備管線的腐蝕影響至關(guān)重要，因此，室內(nèi)參照石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 5329-2012《碎屑巖油藏注水水質(zhì)推薦指標(biāo)及分析方法》以及SY/T 5523-2016《油田水分析方法》中的相關(guān)規(guī)定，對(duì)目標(biāo)煉油廠污水處理系統(tǒng)的相關(guān)水樣的水質(zhì)進(jìn)行了全面分析，主要包括離子組成、pH值、懸浮物含量、含油量、硫化物含量、細(xì)菌含量以及溶解氧含量等，測(cè)定結(jié)果見表1、2。

表1 污水離子組成分析結(jié)果（mg·L-1）Tab.1 Analysis results of sewage ion composition

由表1可以看出，目標(biāo)煉油廠污水處理系統(tǒng)中污水的離子組成較為復(fù)雜，含有較多的成垢陰離子（如HC和S）和陽離子（如Ca2+、Mg2+和Fe2++Fe3+），水樣結(jié)垢會(huì)加劇污水處理管線的腐蝕速率；并且污水的總礦化度均較高，3種水樣的礦化度均大于20000mg·L-1，按照油氣田水腐蝕程度的劃分標(biāo)準(zhǔn)，一般認(rèn)為，水樣的礦化度大于20000mg·L-1時(shí)就被稱為重腐蝕水，并且較高的礦化度會(huì)導(dǎo)致污水的導(dǎo)電性能增強(qiáng)，污水處理管線長(zhǎng)期浸泡在此類電解質(zhì)溶液中，會(huì)發(fā)生比較嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致污水處理管線的腐蝕速率增大。

由表2可以看出，目標(biāo)煉油廠污水處理系統(tǒng)中污水的pH值為6左右，屬于弱酸性，污水處理設(shè)備管線在弱酸環(huán)境下極易產(chǎn)生氫去極化的電化學(xué)腐蝕現(xiàn)象，加速碳鋼管線的腐蝕；污水中還含有一定量的硫化物、溶解氧和細(xì)菌，均會(huì)對(duì)污水處理設(shè)備管線的腐蝕產(chǎn)生影響，使腐蝕速率增大，特別是細(xì)菌含量較高，SRB細(xì)菌含量達(dá)到了104個(gè)·mL-1，而FB細(xì)菌含量也高達(dá)103個(gè)·mL-1，這會(huì)對(duì)碳鋼的腐蝕產(chǎn)生極大的影響；此外，污水中的懸浮物含量和含油量也較高，使腐蝕環(huán)境變得更加復(fù)雜，導(dǎo)致腐蝕現(xiàn)象加劇。

表2 污水的其他水質(zhì)指標(biāo)分析結(jié)果Tab.2 Analysis results of other water quality indexes of sewage

2.2 腐蝕產(chǎn)物分析

腐蝕產(chǎn)物通常是金屬管線與腐蝕介質(zhì)（污水）產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后生成的混合物質(zhì)，其成分通常較為復(fù)雜，研究腐蝕產(chǎn)物的組成對(duì)分析腐蝕發(fā)生的原因具有比較重要的意義。目標(biāo)煉油廠污水處理設(shè)備管線的現(xiàn)場(chǎng)腐蝕產(chǎn)物外觀為黑褐色塊狀固體，表面含有一定量的油污。室內(nèi)以目標(biāo)煉油廠污水處理設(shè)備管線的現(xiàn)場(chǎng)腐蝕產(chǎn)物為研究對(duì)象，采用能譜分析手段對(duì)腐蝕產(chǎn)物的元素組成進(jìn)行了分析，結(jié)果見表3。

表3 現(xiàn)場(chǎng)腐蝕產(chǎn)物元素組成分析結(jié)果Tab.3 Analysis results of element composition of on-site corrosion products

由表3可以看出，現(xiàn)場(chǎng)腐蝕產(chǎn)物元素組成中含量最多為Fe、O和C元素，這表明材質(zhì)為碳鋼的污水處理管線發(fā)生了比較嚴(yán)重的腐蝕現(xiàn)象，且腐蝕產(chǎn)物的主要存在形式可能為氧化物。另外，在現(xiàn)場(chǎng)腐蝕產(chǎn)物的元素組成中還有部分Ca元素和Cl元素等污水中的主要元素，說明污水對(duì)管線鋼材的腐蝕較為嚴(yán)重。

2.3 腐蝕速率評(píng)價(jià)

室內(nèi)采用靜態(tài)掛片失重法對(duì)煉油廠污水處理設(shè)備管線的腐蝕速率進(jìn)行了評(píng)價(jià)，腐蝕介質(zhì)為現(xiàn)場(chǎng)污水（1#水樣），掛片采用現(xiàn)場(chǎng)管線鋼材加工而成，材質(zhì)為20#碳鋼，鋼片尺寸為50mm×15mm×2mm，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為15d，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。

由圖1可以看出，1#現(xiàn)場(chǎng)污水樣品對(duì)煉油廠污水處理設(shè)備管線鋼片的腐蝕速率在0.075～0.105mm·a-1之間，平均腐蝕速率為0.092mm·a-1。根據(jù)石油與天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0087.3-2010《鋼質(zhì)管道及儲(chǔ)罐腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) 鋼質(zhì)儲(chǔ)罐腐蝕直接評(píng)價(jià)》中的規(guī)定（見表4），當(dāng)平均腐蝕處于0.025～0.125mm·a-1時(shí)，其腐蝕等級(jí)為中度腐蝕，說明污水對(duì)管線的腐蝕速率相對(duì)較高，需要對(duì)其采取一定的防腐蝕措施。

圖1 掛片腐蝕速率評(píng)價(jià)結(jié)果Fig.1 Evaluation results of coupon corrosion rate

表4 管道和儲(chǔ)罐內(nèi)腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Evaluation standard for internal corrosion of pipeline and storage tank

3 腐蝕防治措施建議

從上述目標(biāo)煉油廠污水處理設(shè)備管線腐蝕原因分析結(jié)果可以看出，污水水質(zhì)對(duì)設(shè)備管線的腐蝕影響較大，結(jié)合該煉油廠污水處理系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際調(diào)研結(jié)果，管線的腐蝕已經(jīng)較為嚴(yán)重，存在比較嚴(yán)重的安全隱患。因此，需要采取一定的防腐蝕措施來減緩污水對(duì)設(shè)備管線的腐蝕程度。本文主要從管線材質(zhì)選擇、改善污水水質(zhì)以及投加緩蝕劑等方面進(jìn)行了研究。

3.1 管線材質(zhì)的選擇

表5為幾種不同類型材質(zhì)管線的性能對(duì)比結(jié)果。

表5 不同材質(zhì)管線的性能對(duì)比Tab.5 Performance comparison of pipelines with different materials

由表5可以看出，20#碳鋼管線雖然價(jià)格較為低廉，但其抗防腐蝕性能較差；316L不銹鋼管線的抗Cl-腐蝕能力較弱，并且其價(jià)格較貴；玻璃鋼管線對(duì)粘接工藝的要求較高，并且粘接點(diǎn)處的處理比較困難；金屬?gòu)?fù)合管和柔性復(fù)合軟管的抗腐蝕性能均較好，但其價(jià)格較貴；而C-PVC工程塑料管線不僅具有良好的防腐蝕性能，并且價(jià)格較為適中。綜合對(duì)比來看，建議目標(biāo)煉油廠污水處理系統(tǒng)可以在低壓運(yùn)行部分選擇C-PVC工程塑料管線，以提高其抗腐蝕性能。

3.2 改善污水水質(zhì)

污水水質(zhì)對(duì)管線的腐蝕影響至關(guān)重要，因此，改善污水的水質(zhì)可以大幅度地降低管線的腐蝕速率。根據(jù)目標(biāo)煉油廠污水水質(zhì)分析結(jié)果，可以從調(diào)節(jié)污水pH值至弱堿性（7～8），降低污水中硫化物和溶解氧含量以及加入殺菌劑（降低污水中的細(xì)菌含量）等方面來改善污水的水質(zhì)，以降低污水對(duì)管線的腐蝕程度。

3.3 投加緩蝕劑

采用投加緩蝕劑來降低污水對(duì)管線的腐蝕損害是最常見的一種防腐蝕手段，緩蝕劑在油氣田中的應(yīng)用非常普遍，其通常具有防腐蝕效果好、成本低、操作簡(jiǎn)單以及適用性較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，本文以目標(biāo)煉油廠污水為腐蝕介質(zhì)，通過投加不同類型的緩蝕劑來考察其對(duì)腐蝕速率的影響，腐蝕實(shí)驗(yàn)條件及所用鋼片均參照2.3節(jié)所述，緩蝕劑的加量均為100mg·L-1，其中緩蝕劑GS-1和GS-2為有機(jī)磷酸胺類緩蝕劑，JN-1和JN-2為季銨鹽類緩蝕劑，TB-1和TB-2為咪唑啉衍生物類緩蝕劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 不同類型緩蝕劑對(duì)鋼片腐蝕速率的影響Fig.2 Effect of different corrosion inhibitors on corrosion rate of steel sheet

由圖2可以看出，污水中加入幾種不同類型的緩蝕劑后，其對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管線鋼材的腐蝕速率均有所降低，兩種咪唑啉衍生物類緩蝕劑的緩蝕效果明顯優(yōu)于有機(jī)磷酸胺類緩蝕劑和季銨鹽類緩蝕劑，其中TB-1的緩蝕效果最好，當(dāng)其加量為100mg·L-1時(shí)，可使鋼片的腐蝕速率降低至0.012mm·a-1，與2.3中評(píng)價(jià)的空白平均腐蝕速率0.092mm·a-1相比，有顯著地降低，說明緩蝕劑的加入能夠有效降低污水對(duì)管線的腐蝕速率，起到良好的緩蝕效果。

4 結(jié)論

（1）煉油廠污水組成較為復(fù)雜，具有礦化度高、pH值低、懸浮物以及有機(jī)物質(zhì)含量高的特點(diǎn)，并且含有一定量的硫化物、溶解氧和細(xì)菌，對(duì)管線的腐蝕影響較大。

（2）現(xiàn)場(chǎng)管線中的腐蝕產(chǎn)物呈黑褐色，且主要以Fe、O和C元素為主，腐蝕產(chǎn)物的主要存在形式可能為氧化物，管線腐蝕較為嚴(yán)重。

（3）靜態(tài)掛片腐蝕速率評(píng)價(jià)結(jié)果表明，目標(biāo)煉油廠污水對(duì)現(xiàn)場(chǎng)管線鋼材的平均腐蝕速率為0.092mm·a-1，腐蝕等級(jí)為中度腐蝕。

（4）根據(jù)目標(biāo)煉油廠污水處理設(shè)備管線腐蝕原因分析，建議采用C-PVC工程塑料管線來降低污水對(duì)其的腐蝕速率；也可以從調(diào)節(jié)污水pH值、降低污水中硫化物和溶解氧含量以及加入殺菌劑等方式來改善污水的水質(zhì)，以降低污水對(duì)管線的腐蝕程度；還可以通過加入緩蝕劑的方式來提高管線的防腐蝕性能，推薦在目標(biāo)煉油廠污水中加入100mg·L-1的咪唑啉衍生物類緩蝕劑TB-1來降低污水對(duì)管線的腐蝕速率。