高礦化水環(huán)境下除油器內(nèi)強制電流陰極保護技術(shù)應(yīng)用

宋 剛，高秋英，曾文廣，劉 強，劉 強

(1. 中國石油化工集團公司生產(chǎn)經(jīng)營管理部，北京 100728；2. 中國石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆 烏魯木齊 830011；3. 中國石油化工集團公司碳酸鹽巖縫洞型油藏提高采收率重點實驗室，新疆 烏魯木齊 830011；4. 安科工程技術(shù)研究院(北京)有限公司，北京 102209)

0 前 言

塔河油田產(chǎn)出水礦化度可達230 000 mg/L，含氯140 000 mg/L，易于結(jié)垢、結(jié)鹽，造成碳鋼設(shè)備腐蝕，污水處理系統(tǒng)具有低pH值(5.5～6.1)、含H2S、CO2及曝氧的特點，現(xiàn)場掛片監(jiān)測來水平均腐蝕速率和點腐蝕速率均達到NACE RP 0775-2005規(guī)定的嚴重水平[1]。近幾年，壓力容器的腐蝕呈現(xiàn)逐年上升趨勢，約80%腐蝕主要集中在壓力容器的內(nèi)壁本體。除油器是油田開發(fā)油氣水集輸處理工藝中重要的壓力設(shè)備之一，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且處理的介質(zhì)腐蝕性強，工況苛刻。除油器本體頻繁發(fā)生腐蝕穿孔致使設(shè)備功能無法正常發(fā)揮，干擾了生產(chǎn)的平穩(wěn)運行，并導(dǎo)致每年除油器檢維修成本費用的大幅度增加，同時帶來安全和環(huán)保隱患。

針對除油器內(nèi)腐蝕問題，可供選擇的成熟技術(shù)通常有3種：(1)內(nèi)涂層防護技術(shù)，但涂料在高氯離子環(huán)境下防腐效果較差，且內(nèi)構(gòu)件結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，施工難度大，施工質(zhì)量難以保證[2]；(2)緩蝕劑防護技術(shù)，除油器內(nèi)部流體流態(tài)及流速變化大，無法達到理想的防護效果[3]；(3)犧牲陽極防護技術(shù)，除油器各部位會因距離犧牲陽極位置的遠近不同導(dǎo)致保護電流分布不均勻，個別位置存在死角，保護不到位。同時，陽極材料消耗大更換頻繁，更換過程難度較大，陽極塊成本較高、經(jīng)濟性較差[4]。因此有必要優(yōu)選一種可從本質(zhì)上控制污水處理系統(tǒng)除油器腐蝕的技術(shù)，減少設(shè)計使用年限內(nèi)腐蝕穿孔對生產(chǎn)和安全帶來的不利影響，有效延長除油器運行服役期限。

強制電流陰極保護技術(shù)通過施加直流電源提供保護電流，用于改變周圍環(huán)境的電位，使得需要保護的設(shè)備的電位一直處在低于周圍環(huán)境的狀態(tài)下，強行抑制設(shè)備表面的腐蝕電化學反應(yīng)，來實現(xiàn)對陰極的保護[5]，具有在苛刻復(fù)雜環(huán)境中適應(yīng)性強、能夠靈活控制陰極保護電流從而實現(xiàn)精準控制、保護范圍大、可在不影響生產(chǎn)平穩(wěn)運行的前提下進行長期有效保護的優(yōu)點，在塔河油田復(fù)雜腐蝕環(huán)境和特殊工況要求下具有明顯的適用性，并已取得了明顯的經(jīng)濟與社會效益。

1 除油器內(nèi)部陰極保護設(shè)計

1.1 強制電流陰極保護系統(tǒng)組成

強制電流陰極保護系統(tǒng)主要包括直流輸出電源設(shè)備——帶液晶視窗的防爆控制箱的恒電位儀、輔助陽極、參比電極、陽極電纜、陰極電纜、防爆接線箱。

1.2 強制電流基本參數(shù)確定

將接地系統(tǒng)納入保護范圍的前提下，根據(jù)除油器內(nèi)壁面積所設(shè)計的保護電流密度為20～50 mA/m2；陰極保護電流按照下式進行計算[6]：

(1)

式中：I為總保護電流數(shù)值，A；F為電流裕量，取1.2；Si為被保護表面積數(shù)值，m2；Ji為被保護結(jié)構(gòu)所需電流密度，A/m2。

以塔河油田某除油器為例，其材質(zhì)為Q345R，處理污水具有高礦化度(2.1×105mg/L)、高Cl-(1.3×105mg/L)、低pH值(5.5～6.1)、含H2S、CO2及的特點。將電壓表接地極連接在Ag/AgCl參比電極上，將電壓表的正極與被除油器連接，最后將電壓表調(diào)至2 V的量程上讀取除油器本體自然電位為-1.20～-0.55 V，根據(jù)實踐經(jīng)驗，保護電位比自然電位負0.20～0.30 V，由此得出除油器的保護電位為-1.50～-0.85 V(相對于Ag/AgCl參比電極)。

1.3 輔助陽極選擇

塔河油田污水處理系統(tǒng)除油器處理介質(zhì)苛刻，傳統(tǒng)的輔助陽極消耗速度快，達不到設(shè)計要求的服役年限。貴金屬氧化物輔助陽極可根據(jù)介質(zhì)環(huán)境調(diào)整陽極表面氧化物成分，增強環(huán)境適應(yīng)性，擁有耐酸性能、消耗率非常低和輸出電流電壓穩(wěn)定等優(yōu)點，因此選用貴金屬氧化物輔助陽極。

根據(jù)除油器各個倉室來計算保護面積：

(1)緩沖隔板與進水緩沖倉面積：S1=S封頭+S隔板+S筒體

(2)粗?；瘋}面積：S2=S筒體+S隔板+S油水圈+S支架

(3)除油段與沉降倉面積：S3=S筒體+S隔板+S擋板+S支架

(4)出水緩沖倉內(nèi)外側(cè)面積：S4=S出水緩沖倉

(5)出水緩沖倉與外殼殼體處面積：S5=S封頭+S隔板+S筒體

整個除油器需要保護的面積：S=S1+S2+S3+S4+S5

(2)

按照除油器保護面積，考慮強制電流陰極保護電流的均勻分布和保護效果，同時兼顧現(xiàn)場施工便捷等因素。

輔助陽極質(zhì)量計算：

(3)

式中：Wa為輔助陽極總質(zhì)量，kg；Ta為輔助陽極設(shè)計壽命，a；ωa為輔助陽極消耗率，kg/(A·a)；I為保護電流，A；K為輔助陽極利用系數(shù)，取0.70～0.85。

輔助陽極塊數(shù)量通過Wa/G計算得出，其中G表示每塊輔助陽極塊的質(zhì)量。

根據(jù)各倉室的功能、內(nèi)構(gòu)件不同，在保證保護電流的前提下設(shè)置安裝位置、安裝方式有所不同，詳細見圖1～圖4。為避免因水流沖刷產(chǎn)生大幅擺動損傷輔助陽極，在支架上墊有經(jīng)過防水處理的木方，并用6 m2BV電線將輔助陽極焊接陽極支架上。

1.4 恒電位儀選取

水環(huán)境中接水電阻：

R=(ρ/2L)(ln4L/r-1)

(4)

其中：R為單只陽極接水電阻，Ω；ρ是介質(zhì)電阻率，Ω·m；L為陽極長度，m；r為陽極等效半徑，m 。

(5)

其中：Rc為陽極組接水電阻，Ω；n是管狀貴金屬氧化物陽極數(shù)；δ為系數(shù)，取1.12。

陰極保護回路電阻：

R總=Rc+R導(dǎo)線+R界面

(6)

其中：Rc為陽極組接水電阻，Ω；R導(dǎo)線為導(dǎo)線自身電阻，Ω；R界面為陽極組與導(dǎo)線連接界面處電阻，Ω。

恒電位儀負荷P=I2·R，根據(jù)計算結(jié)果選用最大輸出電流和最大輸出電壓的恒電位儀[7]。

1.5 施工安裝設(shè)計要求

除油器內(nèi)壁焊接支架，將輔助陽極和參比電極捆扎在支架上；陰極電纜、陽極電纜、參比電纜及零位電纜需穿越除油器內(nèi)壁隔板的穿線孔，所有穿線孔在穿線后均用環(huán)氧樹脂封堵；將加藥管線與除油器罐體連接處改造為三通，將陽極電纜和參比電纜引出除油器接至恒電位儀，三通處需加絕緣法蘭并用環(huán)氧樹脂密封，實現(xiàn)接口連接的密封和絕緣[8]。

1.6 調(diào)試工作

對陰極、陽極、參比電極進行檢查，主要檢查罐體的通電點以及接線情況等，在保證這些都準確無誤之后，進行送電調(diào)試工作。在初期的調(diào)試工作中，首先進行低電壓的送電，這主要是由于大型的除油器處理介質(zhì)礦化度高，罐體的內(nèi)部導(dǎo)電性能是非常強的，罐體就是一個強大的導(dǎo)體，所以需要等除油器內(nèi)壁被充分地極化之后，才能夠產(chǎn)生絕緣的功能，才可以在罐壁表面上形成一個具有絕緣性質(zhì)的鈍化膜，這樣電流在通過內(nèi)壁時強度就會大大地降低并且可以將其穩(wěn)定在一定的范圍之內(nèi)，至少可以穩(wěn)定幾天的時間，使得電位逐漸地達到規(guī)定值之后，輸出的電流與電壓也會隨之穩(wěn)定，表明調(diào)試工作成功。

2 現(xiàn)場應(yīng)用效果探討

2.1 技術(shù)必要性分析

污水處理系統(tǒng)3號高效聚結(jié)除油器在強腐蝕性介質(zhì)環(huán)境下投產(chǎn)不到2 a就頻繁發(fā)生腐蝕穿孔，內(nèi)構(gòu)件被腐蝕，被迫停用，除油器腐蝕穿孔后采用更換內(nèi)構(gòu)件處理，影響現(xiàn)場污水處理系統(tǒng)運行同時還產(chǎn)生高額費用，僅更換除油器內(nèi)構(gòu)件費用高達63萬元，搶維修和治污費等各類經(jīng)濟損失高達193.85萬元。另一方面除油器腐蝕穿孔后，除油效率不高，僅靠過濾器處理后的污水水質(zhì)不能穩(wěn)定達標，還污染后端過濾器的濾料，處理水質(zhì)不能穩(wěn)定達標導(dǎo)致注水井注水壓力上升、吸水能力下降，水井酸化解堵等措施工作量增加，造成采油成本增大[9]。

2017年在聯(lián)合站污水處理系統(tǒng)3號除油器進行了強制電流陰極保護技術(shù)安裝施工，經(jīng)過近20 d調(diào)試，達到設(shè)計保護電流及保護電位，投入正常運行。

2.2 強制電流參數(shù)計算

強制電流保護參數(shù)確定：

(1)3號除油器最大保護電流量5.9 AI=J·S=50×10-3×(1.52π×2×1.2+3π×9.6)≈5.9(A)。

(3)保護電位 -0.85～-1.50 V之間(相對于Ag/AgCl參比電極)。

(4)單支陽極接水電阻0.9 Ω，R=(ρ/2L)(ln4L/r-1)=50/(2×75)(ln4×75/8.2-1)≈0.9 Ω。

(6)陰極保護回路電阻1.5 Ω，R總=Rc+R導(dǎo)線+R界面≈1.5 Ω。

(7)恒電位儀負荷P=I2·R≈55 W，根據(jù)計算結(jié)果選用最大輸出電流10 A，最大輸出電壓20 V的恒電位儀。

按照3號除油器規(guī)格、尺寸和內(nèi)壁面積，通過式(2)計算出內(nèi)壁面積為376.8 m2，設(shè)定每塊輔助陽極塊重量為8.2 kg，得到塊數(shù)為10，設(shè)計輔助陽極10支，輔助陽極支架共10套，完成陰極保護所需主要材料清單見表1?？紤]強制電流陰極保護電流的均勻分布、保護效果，同時兼顧現(xiàn)場施工便捷等因素，安裝位置分別是進水緩沖倉1套，粗?；瘋}2套(內(nèi)有濾料)，除油段2套，沉降倉2套，錐形反應(yīng)筒內(nèi)1套，出水緩沖倉2套，具體見圖5。

表1 3號除油器強制電流陰極保護材料清單

2.3 效果評價

截止2021年2月底，安裝強制電流陰極保護裝置的3號除油器穩(wěn)定運行達上千d，運行期間未發(fā)生腐蝕穿孔現(xiàn)象；同期投產(chǎn)的另一臺除油器，其內(nèi)防護措施采用的是環(huán)氧涂層，未采用強制電流陰極保護技術(shù)，投產(chǎn)不到半年發(fā)生了10余次刺漏穿孔，導(dǎo)致系統(tǒng)不能平穩(wěn)運行，除油效率下降，后端過濾器濾料污染嚴重。在此期間處理水質(zhì)不達標，嚴重影響注水生產(chǎn)，最終過濾器投產(chǎn)1年時間后，被迫停產(chǎn)檢修更換濾料，給站場安全清潔生產(chǎn)帶來極大風險，同時還增加了搶維修工作量和費用。

綜上，有效實現(xiàn)除油器腐蝕防護，有效控制了壓力容器腐蝕造成的腐蝕穿孔和內(nèi)構(gòu)件腐蝕，降低了穿孔刺漏導(dǎo)致站場內(nèi)環(huán)境污染和生產(chǎn)安全風險，保證了污水處理系統(tǒng)正常運行，降低了站場管理操作難度，其節(jié)能降耗、降本的社會效益顯著。從投入產(chǎn)出比看，該項技術(shù)的成功實施發(fā)揮了除油器的最大潛能，提高了一號聯(lián)污水處理系統(tǒng)的運行效率，消除了水質(zhì)處理不達標的安全隱患，為企業(yè)安全生產(chǎn)、節(jié)能降耗發(fā)揮了重要作用，具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。

3 結(jié)論與建議

(1)除油器作為油田產(chǎn)出水處理工藝中重要的壓力設(shè)備之一，在塔河油田高礦化度、低pH值、易于結(jié)垢、結(jié)鹽的復(fù)雜腐蝕環(huán)境下，除油器本體內(nèi)壁及內(nèi)構(gòu)件頻繁發(fā)生的腐蝕穿孔，致使設(shè)備功能無法正常發(fā)揮，帶來安全和環(huán)保隱患，嚴重影響現(xiàn)場正常的生產(chǎn)運行。

(2)通過實際勘測及理論計算，設(shè)置了3號除油器內(nèi)強制電流陰極保護參數(shù)，并選取貴金屬氧化物輔助陽極為現(xiàn)場應(yīng)用材料，現(xiàn)場安裝并實施，運行效果良好，有效控制了除油器內(nèi)壁腐蝕。

(3)與同期投產(chǎn)，相同介質(zhì)環(huán)境和工況、但是未采用強制電流陰極保護技術(shù)的除油器運行情況對比，該技術(shù)具有相對較好的防腐優(yōu)勢，運行期間控制腐蝕效果明顯，經(jīng)濟效益顯著，同時處理水質(zhì)達到回注要求，保障了現(xiàn)場注水生產(chǎn)，也為塔河油田站內(nèi)設(shè)備電化學防腐技術(shù)推廣的應(yīng)用提供了參考。