油田钢质常压储罐气相缓蚀剂雾化技术研究与应用*

2021-03-02龙媛媛1刘晶姝1李开源薛1杨为刚

石油化工腐蚀与防护 2021年1期

龙媛媛1，刘晶姝1，李开源，李薛1，杨为刚

(1.中国石油化工股份有限公司胜利油田技术检测中心,山东东营 257000；2.中国石油化工股份有限公司胜利油田检测评价研究有限公司,山东东营 257000)

胜利油田共有钢质常压储罐980台，其中运行时间超过10 a的储罐占59.7%，储罐气相区的腐蚀介质主要为O2，CO2和H2S，其腐蚀性极强。随着储罐服役时间的延长，内防腐层的防护性能逐渐下降，甚至出现局部鼓泡和脱落现象，导致罐顶及罐顶层圈板部位频繁穿孔，降低了储罐的承压强度，引起CO2和H2S等有毒有害气体泄漏，严重危害储罐的安全运行及从业人员的人身安全[1-2]。目前胜利油田已有约4 000口含H2S的采出井，且H2S的含量逐年升高，随着CO2驱油技术的实施，采出井中的CO2含量也将急剧增加，储罐气相区的腐蚀将更加严重[3]。因此，气相区的有效防护是延长储罐使用寿命，确保储罐安全运行的关键，目前常采用涂层与缓蚀剂相结合的方法来对储罐进行防护，而传统的液相缓蚀剂则无法应用到储罐气相区，因此有必要研究气相缓蚀剂。

气相缓蚀剂又称为挥发性缓蚀剂，在常温下能自动挥发出具有缓蚀作用的气体扩散到金属表面，从而抑制金属的腐蚀，气相缓蚀剂不必直接接触金属表面，就能使金属制品的内腔、管道、沟槽和缝隙等内外表面部位得到保护[4]。近年来气相缓蚀剂在各种工业设备、钢筋混凝土和机电产品等领域都有着广泛的应用，遍布石化、电力、电子、建筑和造船等各个行业，但气相缓蚀剂在原油储罐气相区的应用却鲜有报道[5]。虽然气相缓蚀剂具有一定的挥发性，但是由于储罐气相区空间较大，仅仅依靠气相缓蚀剂自身的挥发能力并不能满足其对整个储罐顶部的防护要求，因此需要开发常压储罐气相缓蚀剂雾化技术来实现对储罐气相区的有效防护。

针对油田钢质常压储罐气相区的防护，开发了气相缓蚀剂雾化技术，采用气相缓蚀剂雾化装置对优选的气相缓蚀剂氨基乙酸溶液进行雾化，通过雾化喷环将其加注到储罐气相区，实现对储罐气相区的有效防护。

1 气相缓蚀剂雾化技术研究

1.1 气相缓蚀剂优选

根据储罐实际工况条件下的湿气腐蚀环境，其腐蚀介质主要为O2，CO2和H2S，且含量较高，模拟了4种气相环境，采用高温高压反应釜进行腐蚀挂片试验，对碳酸环己胺、氨基乙酸、苯甲酸铵和1-羟基苯并三氮唑共4种气相缓蚀剂的缓蚀效果进行评价，试片材质为Q345R钢，试验条件为：温度50 ℃，压力0.15 MPa，试验周期7 d，缓蚀剂质量浓度100 mg/L，反应釜内加入某联合站外输污水，其加入量约为釜体容积的四分之一，再通入相应压力的腐蚀性气体。试验结果见表1。

表1 气相缓蚀剂的缓蚀性能评价结果

由表1可以看出：不同的气相缓蚀剂在不同的气相环境中的缓蚀效果各不相同，在H2S含量较高的气相环境中，碳酸环己胺的缓蚀率较高；在O2或CO2含量较高的气相环境中，苯甲酸铵的缓蚀率较高；在各种气相环境中，1-羟基苯并三氮唑的缓蚀效果均较差，而氨基乙酸则具有良好的缓蚀性能，其缓蚀率均大于90%。因此，优选氨基乙酸作为气相缓蚀剂进行雾化工艺优化试验。

1.2 气相缓蚀剂雾化装置设计

为实现气相缓蚀剂的均匀雾化以及对整个储罐气相区的全面覆盖，设计了一种新型的气相缓蚀剂雾化装置，如图1所示。气相缓蚀剂雾化装置采用分体式结构，可单独置于罐外，主要由超声雾化控制器、增压泵电源控制箱和雾化喷环三部分组成。增压后的气相缓蚀剂溶液在超声雾化控制器中雾化，通过聚氯乙烯(PVC)管，经雾化喷环从储罐的透光孔通入储罐气相区中。雾化喷环结构如图2所示。从图2可以看出，雾化喷环直径为45 cm，略小于储罐的透光孔直径；雾化喷环均匀布置有8个雾化喷嘴。其雾化半径为1.8 m，雾滴粒径小于20 μm，且喷雾量可调，能保证雾化覆盖率及均匀性。

图1 气相缓蚀剂雾化装置

图2 雾化喷环结构示意

1.3 气相缓蚀剂雾化工艺优化试验

1.3.1 最佳喷雾质量浓度选定试验

模拟储罐实际工况条件下的湿气腐蚀环境，采用电化学极化曲线测试法来选定最佳喷雾质量浓度。试片材质为Q345R钢。试验条件：温度50 ℃，压力0.15 MPa(O2分压为0.05 MPa，CO2分压为0.05 MPa，H2S分压为0.05 MPa)；气相缓蚀剂氨基乙酸溶液经超声雾化控制器雾化后通入电解池，喷雾质量浓度分别为50，100，150，200和300 mg/L，喷雾持续时间为10 min，以保证试片表面形成均匀的缓蚀剂保护膜；往电解池内加入某联合站外输污水，其加入量约为电解池容积的四分之一，将电解池置于玻璃恒温水浴锅中。试验结果见表2。

表2 不同喷雾质量浓度的试验结果

由表2可知：当喷雾质量浓度为100 mg/L时，缓蚀率达到88.30%，已满足储罐气相区的防护要求，再继续增加喷雾质量浓度，缓蚀率增速变缓，综合考虑防腐蚀效果与经济性，确定气相缓蚀剂的最佳喷雾质量浓度为100 mg/L。

1.3.2 最佳喷雾时间间隔选定试验

由于气相缓蚀剂雾化工艺在金属表面形成的缓蚀剂保护膜作用时间有限，因此需要在一定的喷雾时间间隔下进行持续喷雾。采用高温高压反应釜进行腐蚀挂片试验来确定最佳喷雾时间间隔。试片材质为Q345R钢。试验条件：温度 50 ℃，压力0.15 MPa(O2分压为0.05 MPa，CO2分压为0.05 MPa，H2S分压为0.05 MPa)；反应釜内加入某联合站外输污水，其加入量约为釜体容积的四分之一；氨基乙酸溶液经超声雾化控制器雾化后通入反应釜内，喷雾质量浓度为100 mg/L，喷雾持续时间为10 min，保证试片表面形成一层均匀的缓蚀剂保护膜，设置12 h，24 h和48 h等不同的喷雾时间间隔，试验周期为8 d。试验结果见表3。

表3 不同喷雾时间间隔的试验结果

由表3可知：当喷雾时间间隔为12 h时，试片表面凝结过多的水，容易加重湿气环境下的腐蚀，因此对应的缓蚀率最低；当喷雾时间间隔为48 h时，由于无法保证气相缓蚀剂在试片表面成膜的连续性，因此其缓蚀率也较低；当喷雾时间间隔为24 h时，既能保证气相缓蚀剂在试片表面成膜的连续性，又不会使试片表面凝结过多的水，缓蚀剂起到了较好的缓蚀效果，其缓蚀率大于90%，因此确定气相缓蚀剂最佳喷雾时间间隔为24 h。

2 气相缓蚀剂雾化技术应用

在胜利油田某联合站的一台5 000 m3原油沉降罐上应用了常压储罐气相缓蚀剂雾化技术，增压后的氨基乙酸溶液在超声雾化控制器中雾化，经雾化喷环从储罐的透光孔通入储罐气相区，喷雾质量浓度为100 mg/L，喷雾时间间隔为24 h，每次喷雾持续时间为1 h。在储罐气相区悬挂试片，试片材质为Q345R钢，试验温度为 52 ℃，腐蚀性介质含量见表4，试验周期为一个月，试验后对试片进行处理和称量，计算试片的腐蚀速率和缓蚀剂的缓蚀率，气相缓蚀剂雾化技术应用前后的对比试验结果见表5。

表4 储罐气相区腐蚀性介质

表5 气相缓蚀剂雾化技术应用效果

由表4和表5可见：现场储罐气相区中同时含有较高含量的O2，CO2和H2S，其腐蚀主要受凝结水与O2，CO2以及H2S协同腐蚀作用的影响，未采用气相缓蚀剂雾化技术前，试片的腐蚀速率高达0.145 6 mm/a，采用气相缓蚀剂雾化技术后，试片的腐蚀速率降至0.012 8 mm/a，缓蚀率达到91.21%，缓蚀性能优异且雾化覆盖范围也能满足5 000 m3储罐的防护要求。