沉降罐用可更換犧牲陽極的研制與應(yīng)用

郭 亮 張新發(fā) 吳保玉

1. 中國石油集團(tuán)川慶鉆探工程有限公司工程技術(shù)研究院, 陜西 西安 710018; 2. 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710018

0 前言

中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司第二采油廠沉降罐及加熱盤管腐蝕嚴(yán)重。其中木一綜合站、悅?cè)D(zhuǎn)站、中集站等站庫的沉降罐加熱盤管有效使用壽命僅1年,維護(hù)頻繁,嚴(yán)重影響站點(diǎn)正常的生產(chǎn)運(yùn)行[1]。通過聯(lián)合使用耐高溫防腐涂層和犧牲陽極陰極保護(hù)技術(shù)[2-3],可對加熱盤管和罐底板、壁板進(jìn)行有效保護(hù),沉降罐的維護(hù)周期得到了有效延長。

當(dāng)罐內(nèi)犧牲陽極消耗完后,需要對其進(jìn)行更換。普通陽極是直接將鐵腳焊接于罐內(nèi)壁,因此更換過程中存在以下問題:

1)增加腐蝕、安全隱患。使用氧氣-乙炔焊槍進(jìn)行鐵腳切割作業(yè)時(shí),高溫會(huì)在焊接處造成熱影響區(qū),對罐壁產(chǎn)生損傷[4-5]。

2)投資成本大。犧牲陽極進(jìn)行更換時(shí),切割作業(yè)、陰極保護(hù)設(shè)計(jì)、焊接作業(yè)都會(huì)無形中增加施工周期、人力投入和投資成本。

3)施工手續(xù)繁瑣。沉降罐屬于一級動(dòng)火區(qū)域,切割和焊接作業(yè)均需要辦理動(dòng)火手續(xù)方可作業(yè)[6]。

可更換犧牲陽極技術(shù)可以解決現(xiàn)有技術(shù)中更換犧牲陽極時(shí)需要?jiǎng)踊鹎懈罴爸匦虏季值膯栴},可有效減輕常規(guī)犧牲陽極更換作業(yè)帶來的工作強(qiáng)度及安全隱患,有效保護(hù)沉降罐罐體,簡化施工過程并可降本增效。

1 可更換犧牲陽極的研制

1.1 結(jié)構(gòu)

可更換犧牲陽極由可更換單元、焊接鐵腳和防腐扣盒三部分組成,配套以螺栓和發(fā)泡膠,組裝完整后的結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 可更換犧牲陽極組裝

可更換單元為一體式結(jié)構(gòu),由犧牲陽極材料和可更換鐵腳鑄造組成,陽極材料使用完后,對此部分進(jìn)行更換。

由于沉降罐內(nèi)有加熱管束、支撐架、油水進(jìn)出管線等附屬設(shè)備,且在罐內(nèi)高低位置不一,因此,若采用將螺栓倒過來焊接(螺栓頭向下)在內(nèi)壁上,再用螺母固定陽極的方法,在施工過程中會(huì)和其他設(shè)備位置發(fā)生沖突。因此,設(shè)計(jì)出焊接鐵腳并在一端設(shè)置兩處腰型孔,腰型孔和可更換鐵腳的螺栓孔位置對應(yīng),用于和可更換單元的拆卸式連接[7]。一組可更換犧牲陽極兩側(cè)共配備兩根焊接鐵腳。焊接鐵腳上設(shè)置腰型孔,安裝可更換犧牲陽極時(shí),可上下調(diào)節(jié)陽極的高低位置。

油田采出水中含有的大量固體懸浮物會(huì)自然沉降在罐底,六角螺栓的螺紋會(huì)被填滿,給后期更換作業(yè)帶來諸多不便，因此設(shè)計(jì)出防腐扣盒用于保護(hù)螺栓螺紋。防腐扣盒呈圓筒狀，由兩片相同的半圓環(huán)狀扣盒組成。上、下端設(shè)有長方形定位口,焊接鐵腳或可更換鐵腳可穿過。每片扣盒的左右兩側(cè)設(shè)有逐一對應(yīng)的凹孔或凸起，中部設(shè)有注膠口,用于注入發(fā)泡膠,防止固體懸浮物進(jìn)入。

1.2 材料

沉降罐的主要用途為油水混合物的破乳和油水分離沉降[8],可更換犧牲陽極所處沉積水部位腐蝕介質(zhì)溫度較高,且含有大量的鹽類(如氯化鎂、氯化鈉和氯化鈣)、硫酸鹽還原菌和固體懸浮物等[9-11]。由于溫度高于54 ℃時(shí)鋅基犧牲陽極可能發(fā)生極性逆轉(zhuǎn)[12-15],因此所用材料選用鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:PerkinElmer ICP電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀。

1.3 其他輔助材料

可更換鐵腳和焊接鐵腳選用板狀鐵腳,碳素結(jié)構(gòu)鋼制造,鐵腳表面清潔無銹,并經(jīng)噴砂處理[17]。

可拆卸式連接選用螺栓連接,螺栓選用六角螺栓,型號為M 16×65。

防腐扣盒用于保護(hù)螺栓螺紋,材質(zhì)為PVC,和發(fā)泡膠配合使用。

可更換單元的型號和參數(shù)符合GB/T 4948-2002中表9儲(chǔ)罐內(nèi)用犧牲陽極[17]的相關(guān)要求,共分為四種型號,可用于不同規(guī)格儲(chǔ)罐的內(nèi)壁防腐施工。

2 可更換犧牲陽極的應(yīng)用

可更換犧牲陽極在采油二廠馬嶺南采油作業(yè)區(qū)南聯(lián)站1#沉降罐進(jìn)行了應(yīng)用。沉降罐容積均為2 000 m3,直徑為15.84 m,高度為11.57 m,罐內(nèi)介質(zhì)工作溫度為0～70 ℃,罐壁內(nèi)部高度4 m以下區(qū)域和罐底內(nèi)部是沉降罐內(nèi)腐蝕的保護(hù)區(qū)域,腐蝕介質(zhì)為采油污水[19-21]。

2.1 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)目標(biāo)

1)陰極保護(hù)有效期:8～10 a。

2)保護(hù)電位:-0.85～-1.1 V(相對銅/飽和硫酸銅參比電極)。

2.2 陰極保護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)

保護(hù)電流密度:30 mA/m2;

保護(hù)面積:495.39 m2;

設(shè)計(jì)壽命:8～10 a;

罐/水保護(hù)電位:-0.85 V(CSE);

陽極尺寸規(guī)格:[500×(115+135)×130][A×(B 1+B 2)×C];

單只陽極凈重量:23 kg;

儲(chǔ)罐陽極總需求數(shù)量:62支;

圖2 儲(chǔ)罐罐底陽極分布圖

儲(chǔ)罐罐壁陽極分布:陽極體中心距罐底1 000 mm處,均勻分布18支,距罐底3 000 mm處,均勻分布14支，小計(jì)32支,見圖3。

圖3 儲(chǔ)罐罐壁陽極分布圖

2.3 安裝步驟

可更換犧牲陽極可用于罐內(nèi)底板、壁板以及加熱管束的防腐,首次安裝時(shí),需使用電焊機(jī)對焊接鐵腳進(jìn)行焊接安裝。安裝步驟如下:

1)安裝焊接鐵腳。根據(jù)陰極保護(hù)設(shè)計(jì)方案,陽極呈均勻分布，首先確定安裝位置,使用電焊機(jī)將焊接鐵腳焊接在儲(chǔ)罐內(nèi)表面。焊縫的縫隙全部焊透,確保無虛焊、假焊、砂眼,焊接質(zhì)量確保達(dá)標(biāo)[23]。

2)安裝可更換單元。將可更換單元螺栓孔與焊接鐵腳腰型孔進(jìn)行對接定位，使用六角螺栓完成安裝和固定。

3)安裝防腐扣盒。將螺栓放置于兩片防腐扣盒的空腔內(nèi)，焊接鐵腳或可更換鐵腳穿過定位口,注入發(fā)泡膠直至溢出即可。

2.4 更換步驟

當(dāng)可更換犧牲陽極達(dá)到設(shè)計(jì)年限或陽極材料消耗完后,需要對其進(jìn)行更換。更換步驟為:

1)將防腐扣盒拆除,清理螺紋,拆卸螺栓。

2)將可更換單元拆除,將新的可更換單元按照2.3中安裝步驟2)、3)進(jìn)行更換。

2.5 應(yīng)用效果

沉降罐防腐施工結(jié)束后,使用近參比法對罐內(nèi)壁保護(hù)電位進(jìn)行測試。測試方法是將飽和硫酸銅參比電極與信號線連接,從罐頂部將電極放入罐底,使用萬用表測試。經(jīng)測試保護(hù)電位為-0.955 V,達(dá)到SY/T 6536-2012《鋼制儲(chǔ)罐內(nèi)表面犧牲陽極保護(hù)》要求,電位≤-0.85 V(相對CSE),沉降罐陰極保護(hù)效果良好。

3 結(jié)論

通過合理設(shè)計(jì),研制出可更換犧牲陽極,用于儲(chǔ)罐內(nèi)壁防腐。可更換犧牲陽極的犧牲陽極材料和鐵腳均符合國標(biāo)相關(guān)技術(shù)要求,更換時(shí)無需進(jìn)行切割和焊接作業(yè),不損傷沉降罐內(nèi)壁,有效延長沉降罐的使用壽命,消除腐蝕隱患,降低突發(fā)失效事故的頻次，可有效降低工作強(qiáng)度,減少安全隱患。