海上浮式儲油裝置生產(chǎn)水艙陽極腐蝕速率分析

金向東

(中海油能源發(fā)展湛江采油服務(wù)文昌分公司，廣東 湛江 524057)

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海上浮式儲油裝置生產(chǎn)水艙陽極腐蝕速率分析

金向東

(中海油能源發(fā)展湛江采油服務(wù)文昌分公司，廣東 湛江 524057)

按照《犧牲陽極電化學(xué)性能試驗方法》(GB/T 17848—1999)分析不同溫度、不同pH下不同犧牲陽極在海上浮式儲油裝置生產(chǎn)水艙中生產(chǎn)水的電流效率，結(jié)果表明不同犧牲陽極的電流效率不同，降低生產(chǎn)水溫度和調(diào)整pH值可以提高犧牲陽極的電流效率，從而達(dá)到延長犧牲陽極使用壽命的目的。

腐蝕速率；生產(chǎn)水溫；pH值；陽極材料

海上浮式儲油裝置生產(chǎn)水艙和污油水艙犧牲陽極消耗太快，需要頻繁更換犧牲陽極才能有效地保護船體結(jié)構(gòu)[1-3]。按照海上浮式儲油裝置ODP設(shè)計要求，該犧牲陽極的使用壽命為13年，實際生產(chǎn)運行不到3年，生產(chǎn)水艙和污油艙艙底陽極消耗殆盡。2011年在油田不停產(chǎn)狀態(tài)下完成陽極更換，由于油田后期含水量上升和新平臺的介入，難以實現(xiàn)在線更換，如果再次更換犧牲陽極，油田就要壓產(chǎn)甚至停產(chǎn)。為了延長犧牲陽極的使用壽命，需要從生產(chǎn)水艙涂層、生產(chǎn)水的腐蝕性和犧牲陽極3方面著手。首先應(yīng)選擇性能優(yōu)異的涂層，完好的涂層只需要很小的保護電流，從而有利于延長陽極壽命[4-6]；其次，應(yīng)設(shè)法降低生產(chǎn)水對船體結(jié)構(gòu)鋼材的腐蝕速率，此時也只需犧牲陽極提供較低的保護電流就可以達(dá)到保護鋼材的目的；最后是提高犧牲陽極的電流效率，讓犧牲陽極盡可能多地生成保護電流而不被溶液消耗掉[7-12]。涂層的性能和施工質(zhì)量在生產(chǎn)水艙制造時就已固定，在使用過程中難以對其進行控制。電流效率是衡量犧牲陽極消耗的關(guān)鍵指標(biāo)，因此考慮通過實驗研究不同材料犧牲陽極、生產(chǎn)水溫度和pH值對犧牲陽極電流效率的影響，并對海上浮式儲油裝置生產(chǎn)水艙腐蝕問題提出解決方案。

1 實驗

1.1 實驗原料

從市場上篩選5種電流效率較高的犧牲陽極A1、A2、B1、B2和C，其主要成分用電子能譜儀測定，每個犧牲陽極測定11個點，取平均值，見表1。

表1 5種犧牲陽極主要成分

對海上浮式儲油裝置生產(chǎn)水艙取樣，其離子組成按《油氣田水分析方法》(SY/T 5523—2000)[13]進行分析，成分見表2。

表2 油田生產(chǎn)水離子組成說明 mg/L

主要化學(xué)試劑有氫氧化鈉固體、五水硫酸銅、無水乙醇、二甲苯、98%濃硫酸、37.5%濃鹽酸及65%濃硝酸，均為廣州化學(xué)試劑廠生產(chǎn)的分析純試劑。松香石蠟為工業(yè)品，自市場購買。

1.2 實驗儀器

上海一恒科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的DHG-9240A鼓風(fēng)干燥箱；美國FEI公司制造Quanta 650掃描電子顯微鏡(SEM)；永勝公司生產(chǎn)0～200 mA和0～50 mA直流電流表；美國Gamry Instruments 公司Reference600。

1.3 實驗裝置

1.3.1 陽極、陰極和銅電量計

犧牲陽極按《犧牲陽極電化學(xué)性能試驗方法》(GB/T 17848—1999)要求加工，隨后進行清洗，恒重，最后采用松香石蠟密封犧牲陽極兩端。

陰極按《犧牲陽極電化學(xué)性能試驗方法》(GB/T 17848—1999)要求制作，其材質(zhì)為不銹鋼，外形尺寸見圖1。

圖1 陰極結(jié)構(gòu)示意

銅電量計按《犧牲陽極電化學(xué)性能試驗方法》(GB/T 17848—1999)之附錄A要求制作。

1.4 實驗方法

參照《犧牲陽極電化學(xué)性能試驗方法》(GBT 17848—1999)測定96 h不同犧牲犧牲陽極在不同溫度和不同pH值的生產(chǎn)水中的電流效率。其中陽極位于陰極的中間部位、離液面和底部高度15～20 cm。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同犧牲陽極對電流效率的影響

犧牲陽極的電流效率是其實際供電量與理論供電量的百分比。電流效率越高，實際用于保護的電流分量就越大，被溶液消耗的犧牲陽極的分量就越少。不同犧牲陽極的組成有所不同，其電流效率也會隨之產(chǎn)生差異。鋁合金犧牲陽極的單位重量陽極材料發(fā)電量大[10,12]，約為鋅陽極的3倍，鎂陽極的2倍[14-19]，而且含氯離子的溶液中，發(fā)出電流的自調(diào)節(jié)能力強。因此3次平行測定5種鋁合金犧牲陽極在海上浮式儲油裝置原始條件(48 ℃、pH 6.9)生產(chǎn)水中的電流效率，平均結(jié)果見表3。

表3 不同犧牲陽極的電流效率

通常犧牲陽極中Fe是有害的，因此是犧牲陽極中的限制元素。而鎂的電極電位遠(yuǎn)低于金屬鋁。但從表3可知，含鐵的犧牲陽極A1和含鎂的犧牲陽極B2的電流效率較高，該結(jié)果出乎意料。這可能是由于生產(chǎn)水與通常用于評價犧牲陽極的海水存在較大的差異所致。犧牲陽極C的電流效率最低，僅為57%，這說明如果選用犧牲陽極C對在海上浮式儲油裝置生產(chǎn)水艙進行保護，有相當(dāng)一部分沒有用于保護，而是被溶液給消耗了。因此，對于海上浮式儲油裝置生產(chǎn)水艙，應(yīng)選用犧牲陽極A1或犧牲陽極B2，而不應(yīng)選用犧牲陽極C。

2.2 水溫對犧牲陽極電流效率的影響

海上浮式儲油裝置生產(chǎn)水系統(tǒng)水溫會對犧牲陽極消耗速度產(chǎn)生影響[20]，因此需要測定不同溫度下犧牲陽極的電流效率。將海上浮式儲油裝置生產(chǎn)水分別控制在48、42、33、28和23 ℃，按《犧牲陽極電化學(xué)性能試驗方法》(GBT 17848—1999)平行3次測定犧牲陽極C的電流效率，平均結(jié)果見圖2。

圖2 溫度對犧牲陽極電流效率的影響

由圖3可知，即使是電流效率最低的犧牲陽極C，其電流效率隨溫度的下降會迅速增加。在油田產(chǎn)出水溫度48 ℃時，電流效率僅為57%，當(dāng)溫度降至23 ℃時，電流效率提高到83%。

降低污水溫度不僅可以提高犧牲陽極的電流效率，減少犧牲陽極不必要的消耗。同時，降低溫度可以減緩污水對船舶結(jié)構(gòu)鋼材的腐蝕速率[21]，此時較低的保護電流就能達(dá)到對船舶結(jié)構(gòu)鋼材的保護作用，這對延長犧牲陽極的使用壽命極為有利。

2.3 pH值對犧牲陽極的電流效率的影響

用1% HCl和NaOH溶液分別將生產(chǎn)水的pH值調(diào)整至9.0、8.5、8.0、6.9、6.0，測定48 ℃犧牲陽極C在不同pH值的海上浮式儲油裝置生產(chǎn)水中的電流效率，結(jié)果見圖3。

圖3 犧牲陽極的電流效率隨pH值的變化

從圖3可知，在pH值6～9的范圍內(nèi)，電流效率在pH值為6.9時最低，僅為57%。降低或增加pH值，其電流效率都會增加。在pH值為6時，電流效率達(dá)到了73%；在pH值為8.5時，電流效率也達(dá)到了74%。

雖然降低污水pH值可以提高犧牲陽極的電流效率，這有利于延長犧牲陽極的使用壽命，但降低污水pH值會增加船舶結(jié)構(gòu)鋼材H+的去極化腐蝕速率。此時，為了防止鋼材的腐蝕，需要使用更大的保護電流才能避免鋼材被腐蝕，這樣會縮短犧牲陽極的使用壽命。而增加污水pH值既可以降低鋼材的腐蝕速率。此時只需犧牲陽極提供較小的保護電流就可以達(dá)到保護效果，又可以提高犧牲陽極的電流效率。這對延長犧牲陽極的使用壽命特別有利。但增加溶液pH值會導(dǎo)致整個水系統(tǒng)結(jié)垢，需要對整個污水流程通盤考慮，采取必要措施，以避免在水系統(tǒng)中結(jié)垢。

3 結(jié)論

1)降低生產(chǎn)水溫度可以顯著提高犧牲陽極的電流效率。采用換熱器至少可以將生產(chǎn)水溫降至30 ℃，電流效率約為75%，較48 ℃的57%增加了18%。為達(dá)此目的，只需在生產(chǎn)水進生產(chǎn)水艙總管增加一臺換熱器即可降低陽極的腐蝕速率，工程難度較小。

2)海上浮式儲油裝置所用犧牲陽極(C樣)的電流效率最低，在生產(chǎn)水原始條件(48 ℃、pH值為6.9)下僅為57%，而其他廠家2個犧牲陽極樣品(B樣)的電流效率相差不大，約為70%，其大批量的銷售價格為35元/kg，與目前所用犧牲陽極價格相當(dāng)，顯然，采用B樣犧牲陽極更為經(jīng)濟。

3)調(diào)整生產(chǎn)水的pH值可以有效改變犧牲陽極的電流效率。但增加溶液pH值會導(dǎo)致生產(chǎn)水結(jié)垢，需要對整個流程整改以避免生產(chǎn)水在流程中結(jié)垢。由于生產(chǎn)水要經(jīng)過處理達(dá)標(biāo)排海，pH值增加對處理設(shè)施造成的影響難以估量，所以不建議采用此方法。

4)犧牲陽極更換前需要對生產(chǎn)水艙洗艙，可以降低洗艙的頻率；避免犧牲陽極更換過程中存在潛在風(fēng)險，如人員滑倒摔傷、密?？臻g作業(yè)人員窒息、燃?xì)馓筋^報警引起生產(chǎn)關(guān)停、腳手架材料和工具等墜落碰撞艙壁產(chǎn)生火花引起爆炸、高空作業(yè)等。

5)2個生產(chǎn)水艙和2個污油艙共367塊犧牲陽極，從現(xiàn)場陽極消耗情況來看，陽極消耗最快的是艙底陽極，其次是艙底2 m處的陽極，11.7 m處平臺上陽極也存在消耗，但消耗量低，其他陽極基本無消耗情況。如果每次只更換底層及2 m處陽極150塊左右，陽極材料費15萬元，施工費約為100萬元，洗艙費用10萬元，共125萬元。

6)試驗需要大量的生產(chǎn)水做實驗，測得的數(shù)據(jù)相對較少，若能做小模型設(shè)備到現(xiàn)場多次重復(fù)實驗，應(yīng)該可以獲得更可靠的結(jié)果。

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Study on the Corrosion Rate of the Water Tank in the Offshore Floating Oil Storage Device

JIN Xiang-dong

(OPSC Wenchang Branch, CNOOC Energy Technology & Services Ltd., Zhanjiang Guangdong 524057, China)

According to the Electrochemical Performance Test Method of the Anode (GB/T 17848-1999), the current efficiency of the production water in the water tank of the offshore oil storage tanks with different temperatures and different pH at different sacrificial anodes was studied. The results show that the current efficiency of different sacrificial anodes is different, reducing the production water temperature can effectively improve the current efficiency of the sacrificial anode, so as to achieve the purpose of extending the service life of the anode.

corrosion rate; water temperature; pH value; anode material

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.05.033

2016-01-05

金向東(1973—)，男，學(xué)士，高級工程師

U674.38;U672.7

A

1671-7953(2016)05-0131-04

修回日期：2016-02-17

研究方向:海上油氣田開發(fā)工程項目管理

E-mail:jinxd@cnooc.com.cn