某集氣站分離器積液包內(nèi)防腐技術(shù)研究

成杰，孫芳萍，崔熙，李自力

（1. 西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司，西安 710018

2. 中國(guó)石油大學(xué)（華東）山東省油氣儲(chǔ)運(yùn)安全省級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580）

分離器作為油氣田生產(chǎn)的“心臟”設(shè)施，一旦出現(xiàn)腐蝕穿孔，有可能造成整個(gè)油氣田的停產(chǎn)[1]，而分離器的腐蝕又以下部積液包內(nèi)的腐蝕最為嚴(yán)重。由于天然氣中含有CO2H2S等酸性氣體，在與水共存的條件下將使積液包發(fā)生氫去極化腐蝕[2]，氯離子的存在將加速金屬表面鈍化膜的破壞，從而促進(jìn)局部腐蝕[3]。該集氣站處理的氣體中含有較多的CO2H2S，采出水中氯離子含量高，且高礦化度地層水?dāng)y帶機(jī)械雜質(zhì)，更加快了積液包的腐蝕。通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，積液包的平均腐蝕速率達(dá)到0.215 mm/a，最大甚至達(dá)到2.30 mm/a，腐蝕情況嚴(yán)重。隨著采出氣含水量的不斷上升及設(shè)備運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，腐蝕情況愈發(fā)嚴(yán)重。通過實(shí)驗(yàn)研究設(shè)計(jì)出合理的積液包內(nèi)防腐方案，降低分離器的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

生產(chǎn)分離器一般采用涂層和陰極保護(hù)聯(lián)合的保護(hù)方式來抑制罐體內(nèi)壁的腐蝕[4]。涂層往往是壓力容器內(nèi)部防止腐蝕的第一道屏障[5]，因其防腐效果好施工方便而應(yīng)用廣泛[6]，與常規(guī)防腐涂料相比，重防腐涂料尤其能在苛刻的環(huán)境下使用，且往往保護(hù)期更長(zhǎng)[7]。在陰極保護(hù)技術(shù)中，由于犧牲陽(yáng)極保護(hù)法技術(shù)成熟性能可靠不需外部電源簡(jiǎn)單易行造價(jià)較低[8]，因此在油氣處理容器內(nèi)防腐方面得到了尤為廣泛的應(yīng)用。鋁合金和鋅合金是常見的犧牲陽(yáng)極材料，其中鋁基陽(yáng)極密度低電容量大對(duì)鋼鐵驅(qū)動(dòng)電位適中來源豐富[9-10]，鋅基犧牲陽(yáng)極自腐蝕速率小電流效率高使用壽命長(zhǎng)，其電位接近于鋼鐵的保護(hù)電位，具有自動(dòng)調(diào)節(jié)電流的特性，使用時(shí)沒有過保護(hù)的危險(xiǎn)[11]。

文中首先通過實(shí)驗(yàn)對(duì)THF8110-I 耐濕熱重防腐涂料面漆及帶銹底漆所構(gòu)成的防腐涂層進(jìn)行了全面的性能檢測(cè)，以確定其是否滿足積液包內(nèi)防腐的需要；另一方面對(duì)犧牲陽(yáng)極保護(hù)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)。由于現(xiàn)場(chǎng)積液包材質(zhì)為Q235 普通結(jié)構(gòu)碳素鋼，因此文中在初選犧牲陽(yáng)極材料為鋁陽(yáng)極和鋅陽(yáng)極的基礎(chǔ)上，利用軟件模擬實(shí)現(xiàn)了陽(yáng)極材料的優(yōu)選，并分析了陽(yáng)極布置方式對(duì)陰極保護(hù)效果的影響，最終確定犧牲陽(yáng)極的固定方式，以求達(dá)到最佳的陰極保護(hù)效果。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 防腐涂層性能檢測(cè)

要使防腐涂層達(dá)到理想的防腐效果，必須達(dá)到一定的性能要求。防腐蝕涂層除了應(yīng)具備很好的防腐性能外，還要求與金屬基體能夠緊密接合，在一定的外力和變形機(jī)制下，仍能保持涂層完好，并具有優(yōu)良的抗?jié)B性能，能夠長(zhǎng)期服役于腐蝕性介質(zhì)的浸泡和沖刷環(huán)境中[12]。因此，根據(jù)相關(guān)規(guī)范設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，對(duì)THF8110-I 耐濕熱重防腐涂料面漆及帶銹底漆所構(gòu)成的防腐涂層進(jìn)行了全面的性能檢測(cè)，其中THF8110-I耐濕熱重防腐涂料為無溶劑液體環(huán)氧涂料，以確定其是否滿足現(xiàn)場(chǎng)積液包內(nèi)防腐的需求。

試驗(yàn)涂裝基材與現(xiàn)場(chǎng)積液包材質(zhì)一致，為Q235鋼材。在不同項(xiàng)目的性能測(cè)試中，分別根據(jù)測(cè)定需求設(shè)計(jì)試片尺寸。依據(jù)GB/T 1768—2006《色漆和清漆標(biāo)準(zhǔn)試板》的要求處理試片表面，噴砂除銹至Sa 2.5級(jí)。然后依次刷涂帶銹底漆和THF8110-I 耐濕熱重防腐涂料面漆，涂料的涂刷嚴(yán)格按照SY/T 0319—2012《鋼制儲(chǔ)罐液體涂料內(nèi)防腐層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中的相應(yīng)規(guī)定。然后進(jìn)行以下幾個(gè)方面的性能測(cè)試。

1）外觀檢測(cè)。制作尺寸為200 mm×200 mm×0.35 mm 的試片若干，按規(guī)范涂好底漆和面漆，待試片表面涂層完全固化后，觀察涂層的外觀是否符合要求。

2）耐磨性檢測(cè)。依據(jù)GB/T 1768—2006《色漆和清漆 耐磨性的測(cè)定 旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪法》中的規(guī)定，用Q235 鋼材制備直徑為100 mm 的試片，試片中心設(shè)置直徑為6.25 mm 的小孔，以便將試片安裝在旋轉(zhuǎn)橡膠砂輪磨耗儀上。選擇其中3 塊試片，按規(guī)范涂好底漆和面漆后，依據(jù)養(yǎng)護(hù)條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。待養(yǎng)護(hù)期過后，依照規(guī)范規(guī)定的步驟，測(cè)量每塊試片在給定橡膠砂輪負(fù)重及轉(zhuǎn)數(shù)（該實(shí)驗(yàn)為1000 g/1000 r）下的質(zhì)量損耗，并求其平均值，以該值表征涂層耐磨性能的好壞。

3）硬度檢測(cè)。依據(jù)GB/T 6739—2006《色漆和清漆 鉛筆法測(cè)定漆膜硬度》的規(guī)定，制備尺寸為120 mm×50 mm×0.35 mm 的試片，按規(guī)范涂好底漆和面漆后，依據(jù)養(yǎng)護(hù)條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)期過后，依照規(guī)范規(guī)定的步驟用已知硬度的鉛筆劃刮涂層表面，以沒有使涂層出現(xiàn)3 mm 及以上劃痕的最硬鉛筆硬度表示涂層的硬度。進(jìn)行2 組平行試驗(yàn)，若兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果不一致，應(yīng)重新進(jìn)行試驗(yàn)。

4）附著力檢測(cè)。依據(jù)GB/T 5210—2006《色漆和清漆拉開法附著力試驗(yàn)》，制作尺寸為200 mm×200 mm×0.35 mm 的試片，按規(guī)范涂好底漆和面漆后，依據(jù)養(yǎng)護(hù)條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)期過后，依照規(guī)范規(guī)定的步驟用拉力試驗(yàn)機(jī)測(cè)試涂層的附著力，測(cè)量3 組實(shí)驗(yàn)的平均值，以該值表征涂層的附著性。

5）耐鹽霧性能檢測(cè)。依據(jù)GB/T 1771—2007《色漆和清漆 耐中性鹽霧性能的測(cè)定》的規(guī)定，制備尺寸為150 mm×100 mm×1 mm 的試片若干，按規(guī)范涂好底漆和面漆后，依據(jù)養(yǎng)護(hù)條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。養(yǎng)護(hù)期過后，將3 塊試片投放到中性鹽霧箱，開始計(jì)時(shí)，每48 h 查看涂層的表面狀態(tài)。若涂層出現(xiàn)脫落或氣泡等現(xiàn)象即停止實(shí)驗(yàn)，否則待到500 h 后取出，評(píng)價(jià)其耐鹽霧性能。

6）耐化學(xué)介質(zhì)性能檢測(cè)。按照GB/T 1763—79《漆膜耐化學(xué)試劑測(cè)定法》的規(guī)定，制作尺寸為120 mm×50 mm×3 mm 的試片若干，按規(guī)范涂好底漆和面漆后，依據(jù)養(yǎng)護(hù)條件進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。分別配制10%H2SO4 水溶液10%NaOH 水溶液3.5%NaCl水溶液10%HCl 溶液，待涂層養(yǎng)護(hù)期過后，每種溶液中浸泡3 塊試片并開始計(jì)時(shí)。每周查看一次涂層的表面狀態(tài)，觀察涂層是否有剝落起皺氣泡生銹變色和失光等現(xiàn)象。10%HCl 水溶液中的樣品在30天內(nèi)出現(xiàn)上述現(xiàn)象即停止浸泡，其余三種溶液中的涂層在90 天內(nèi)出現(xiàn)上述現(xiàn)象即停止浸泡，否則整個(gè)觀察期過后取出試片，以評(píng)價(jià)其耐化學(xué)介質(zhì)性能。

1.2 犧牲陽(yáng)極保護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)SY/T 0047—2012《油氣處理容器內(nèi)壁犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)要求以及積液包需保護(hù)面積，最終確定所需犧牲陽(yáng)極的數(shù)量為4 支。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)SY/T 0047—2012 的相關(guān)規(guī)定，提出了5 種犧牲陽(yáng)極的布局方式。如圖1 所示，5種方式下兩端陽(yáng)極到左右兩端面距離均設(shè)為100 mm。利用BEASY 軟件，分別模擬得到陽(yáng)極材料為鋁陽(yáng)極和鋅陽(yáng)極時(shí)5 種布置方式下積液包內(nèi)壁的電位分布情況，分析陰極保護(hù)效果，從而選擇合適的犧牲陽(yáng)極材料。

圖1 不同陽(yáng)極布局方式

更進(jìn)一步地，分析陽(yáng)極布置方式對(duì)積液包內(nèi)壁電位分布的影響，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工藝，從5 種布置方式中選擇最佳的布置方式。BEASY 軟件中建立的積液包腐蝕模型及網(wǎng)格劃分分別如圖2 和圖3 所示。

犧牲陽(yáng)極可以采用焊接或螺栓固定兩種方式：焊接固定方法簡(jiǎn)單，且安裝牢度高，接觸電阻??；螺栓安裝容易更換，更換時(shí)不容易損壞鋼板及表面涂層。兩種固定方式各有優(yōu)勢(shì)，因此在選定犧牲陽(yáng)極的材料及布置方式的基礎(chǔ)上，通過BEASY 軟件模擬得到犧牲陽(yáng)極不同固定方式下積液包內(nèi)壁的電位分布，以選擇合適的固定方式。螺栓連接時(shí)，改變陽(yáng)極與積液包底端的距離，分析該距離值對(duì)陰極保護(hù)效果的影響，以確定合適的距離值。

圖2 積液包腐蝕模型

圖3 積液包腐蝕模型網(wǎng)格劃分

2 結(jié)果與分析

2.1 防腐涂層性能檢測(cè)結(jié)果

依據(jù)1.1 節(jié)所述防腐涂層性能檢測(cè)的步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得到涂層外觀如圖4 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，涂層表面平整連續(xù)光滑，并且沒有出現(xiàn)發(fā)黏脫皮氣泡斑痕等缺陷，符合SY/T 0319—2012 對(duì)涂層外觀的相應(yīng)規(guī)定。因此THF8110-I 耐濕熱重防腐涂料面漆及帶銹底漆所構(gòu)成的涂層的外觀符合技術(shù)要求。

除外觀以外，該防腐涂層其他方面的性能測(cè)試結(jié)果見表1。其中技術(shù)要求一項(xiàng)為SY/T 0319—2012 及SY/T 0457—2010 中的規(guī)定，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)積液包運(yùn)行的特點(diǎn)做了一定的修改和補(bǔ)充。耐磨性測(cè)試中，根據(jù)測(cè)試結(jié)果，在橡膠砂輪負(fù)重1000 g砂輪旋轉(zhuǎn)1000 r后，3 塊試片表面的涂層平均損耗量為66 mg。硬度測(cè)試中，兩組平行試驗(yàn)中硬度為2H 的鉛筆沒有使涂層表面出現(xiàn)3 mm 及以上的劃痕。附著力測(cè)試中，3塊試片表面的涂層與基材之間的附著力平均值為13.1 MPa，該值遠(yuǎn)大于技術(shù)要求中所規(guī)定的的8 MPa。耐鹽霧性能測(cè)試中，經(jīng)過500 h 的觀察期后，3 塊試片表面的防腐涂層依然完整，無脫落或氣泡及其他不良現(xiàn)象出現(xiàn)。耐化學(xué)介質(zhì)性能測(cè)試中，觀察期過后，4 種試劑中的防腐涂層均沒有出現(xiàn)剝落起皺氣泡生銹變色和失光等現(xiàn)象。因此認(rèn)為，THF8110-I 耐濕熱重防腐涂料面漆及帶銹底漆所構(gòu)成的涂層在耐磨性硬度附著力耐鹽霧耐化學(xué)介質(zhì)方面均符合技術(shù)要求，可以作為現(xiàn)場(chǎng)積液包的內(nèi)防腐層使用。

圖4 涂層外觀

表1 防腐涂層性能測(cè)試結(jié)果

2.2 不同陽(yáng)極材料對(duì)電位分布的影響

通過BEASY 軟件模擬得到了犧牲陽(yáng)極分別為鋁陽(yáng)極及鋅陽(yáng)極時(shí)，5 種布置方式下積液包內(nèi)壁的電位分布云圖，如圖5 和圖6 所示。圖中abcde 標(biāo)號(hào)分別與圖1 中5 種犧牲陽(yáng)極的布局方式相對(duì)應(yīng)。

分析圖5 和圖6 可知，當(dāng)犧牲陽(yáng)極為鋁陽(yáng)極時(shí)，分離器積液包內(nèi)壁的保護(hù)電位在-896～-1028 mV 之間；當(dāng)犧牲陽(yáng)極為鋅陽(yáng)極時(shí)，分離器積液包內(nèi)壁的保護(hù)電位在-890～-1019 mV 之間。在同種布局方式下，鋁陽(yáng)極對(duì)積液包形成的的保護(hù)電位總是比鋅陽(yáng)極更負(fù)。以圖1a 所示布置方式為例，當(dāng)陽(yáng)極材料為鋁陽(yáng)極時(shí)，陽(yáng)極中心位置處積液包內(nèi)壁的電位可達(dá)到-1027.4 mV；當(dāng)陽(yáng)極材料為鋅陽(yáng)極時(shí)，陽(yáng)極中心位置處積液包內(nèi)壁的電位只有-1018.3 mV，二者相差9.1 mV。當(dāng)陽(yáng)極材料為鋁陽(yáng)極時(shí)，距離鋁陽(yáng)極位置最遠(yuǎn)處的電位為-896.61 mV；當(dāng)陽(yáng)極材料為鋅陽(yáng)極時(shí)，距離鋅陽(yáng)極位置最遠(yuǎn)處的電位僅為-890.55 mV，二者相差6.06 mV。雖然兩種陽(yáng)極材料均能使積液包內(nèi)壁的電位處于-0.85 V（vs. SCE）～-1.20 V（vs. SCE）的保護(hù)電位范圍之內(nèi)，但顯然鋁陽(yáng)極能對(duì)積液包內(nèi)壁形成更強(qiáng)有力的保護(hù)。根據(jù)GB 50393—2008《鋼制石油儲(chǔ)罐防腐蝕工程技術(shù)規(guī)范》，鋅陽(yáng)極在溫度高于54 ℃的情況下可能發(fā)生極性逆轉(zhuǎn)，此時(shí)不但失去陰極保護(hù)作用，而且會(huì)加速積液包的腐蝕。因此若選用鋅陽(yáng)極，一旦積液包的運(yùn)行溫度過高，其內(nèi)壁的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)大大增加。綜合以上因素，最終選擇的陽(yáng)極材料為鋁陽(yáng)極。

圖5 鋁陽(yáng)極不同排列方式下保護(hù)電位分布

2.3 不同布置方式對(duì)電位分布的影響

分析圖5 和圖6 可知，在犧牲陽(yáng)極相同的情況下，5 種布置方式下積液包的電位分布情況雖然不同，但陰極保護(hù)電位范圍相差很小，不同布置方式下電位范圍之差不大于1 mV。以陽(yáng)極材料為鋁陽(yáng)極為例，圖1abde等.種布置方式下，陽(yáng)極中心位置處積液包的電位均為-1027.4 mV，只有圖1c 布置方式的陽(yáng)極中心位置處積液包的電位為-1027.3 mV，差值僅為0.1 mV。5 種布置方式下，距離鋁陽(yáng)極最遠(yuǎn)處積液包內(nèi)壁的電位也集中在-896～-897 mV 附近，差別不大。其主要原因是：積液包筒體直徑小，而犧牲陽(yáng)極直徑大，因此，犧牲陽(yáng)極空間分布變化對(duì)陰極保護(hù)電位的影響很小。

考慮陽(yáng)極分布的基本原則，陽(yáng)極電流應(yīng)盡可能地在被保護(hù)的鋼結(jié)構(gòu)上均勻分布，同時(shí)還要考慮到特殊區(qū)域的電流需求[13]。在積液包日常運(yùn)行過程中，積液包頂部主要處于氣相，腐蝕相對(duì)較弱，而底部長(zhǎng)期浸泡在含氯化物及硫化氫等腐蝕介質(zhì)的酸性水中，因此底部往往是腐蝕速率最高腐蝕最嚴(yán)重的部位[14]。當(dāng)液面比較低時(shí)，后四種布置方式下至少有1/2 數(shù)量的陽(yáng)極暴露于分離器氣體環(huán)境中，不能發(fā)揮有效作用。如圖5bcde 所示，此時(shí)積液包底部有很大一部分面積處于電位較正的范圍內(nèi)，即后四種布置方式并不能實(shí)現(xiàn)積液包液面波動(dòng)時(shí)對(duì)內(nèi)壁的可靠保護(hù)。圖1a所示排列方式下，四支陽(yáng)極均設(shè)在積液包的底端，如圖5a 所示，積液包底端很大部分面積處在最負(fù)的電位范圍之內(nèi)，無論液位怎樣變化，四個(gè)陽(yáng)極均能發(fā)揮作用，有效保護(hù)積液包內(nèi)壁，減緩腐蝕。因此，在總體的陰極保護(hù)電位范圍相差很小的情況下，最終選擇圖1a 所示的布置方式，即犧牲陽(yáng)極均布于積液包底部。

2.4 不同固定方式對(duì)電位分布的影響

根據(jù)小節(jié)2.2 及2.3 的分析，選用鋁陽(yáng)極在積液包底部均布的方式。在此基礎(chǔ)上，利用BEASY 軟件，對(duì)犧牲陽(yáng)極焊接及螺栓固定兩種固定方式下積液包內(nèi)壁的電位分布進(jìn)行模擬，從而選擇合適的陽(yáng)極固定方式。根據(jù)SY/T 0047—2012 的規(guī)定，螺栓連接時(shí)，犧牲陽(yáng)極與容器壁的距離宜不小于150 mm，當(dāng)犧牲陽(yáng)極與容器壁的距離小于150 mm 時(shí)，犧牲陽(yáng)極靠近容器壁的表面應(yīng)有防腐層。由于該防腐方案設(shè)計(jì)中積液包設(shè)置了防腐層，因此對(duì)于螺栓固定方式，分別模擬犧牲陽(yáng)極距離積液包底端100 mm 和150 mm 兩種情形。 得到積液包內(nèi)壁的電位分布模擬結(jié)果如圖7 所示。

圖6 鋅陽(yáng)極不同排列方式下保護(hù)電位分布

圖7 鋁陽(yáng)極不同固定方式下保護(hù)電位分布

由模擬結(jié)果可知，當(dāng)鋁陽(yáng)極與積液包內(nèi)壁通過焊接方式固定時(shí)，積液包內(nèi)壁的電位范圍為-896～-1028 mV，電位變化幅度較大。采用螺栓連接，陽(yáng)極距離積液包底端 100 mm 時(shí)，電位分布范圍為-902～-1010 mV；陽(yáng)極距離積液包底端150 mm 時(shí)，電位分布范圍為-902～-1008 mV。通過對(duì)比圖7ab及圖7ac 發(fā)現(xiàn)，與焊接方式相比，螺栓固定方式下整個(gè)積液包內(nèi)壁的電位分布更加均勻。進(jìn)一步對(duì)比圖7bc 可發(fā)現(xiàn)，螺栓連接時(shí)，陽(yáng)極距離積液包底端150 mm 時(shí)比距離底端100 mm 時(shí)積液包內(nèi)壁的電位分布更加均勻。由于被保護(hù)結(jié)構(gòu)的電位分布越均勻，其陰極保護(hù)的效果越好[15]，因此，結(jié)合積液包的尺寸，最終選擇犧牲陽(yáng)極用螺栓固定，且陽(yáng)極距離積液包底部為150 mm。

4 結(jié)論

通過防腐涂層性能測(cè)試及BEASY 軟件模擬，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)積液包的運(yùn)行情況，最終確定采取防腐涂層結(jié)合犧牲陽(yáng)極保護(hù)的技術(shù)方案來提高積液包的內(nèi)防腐能力。其中，THF8110-I 耐濕熱重防腐涂料面漆及帶銹底漆所構(gòu)成的涂層在耐磨性硬度附著力耐鹽霧性能耐化學(xué)介質(zhì)性能方面皆符合技術(shù)要求，可以滿足現(xiàn)場(chǎng)積液包內(nèi)防腐的需要。對(duì)于犧牲陽(yáng)極保護(hù)方案，鋁陽(yáng)極比鋅陽(yáng)極對(duì)現(xiàn)場(chǎng)積液包的陰極保護(hù)效果更好。陽(yáng)極布局方式對(duì)積液包內(nèi)壁的電位影響范圍不大，但考慮積液包實(shí)際運(yùn)行狀況，采用四支陽(yáng)極材料在積液包底端均布的方式。采用螺栓連接作為陽(yáng)極與積液包間的固定方式，且陽(yáng)極距離積液包底部150 mm。