油气设施腐蚀的控制措施

由于石油管的腐蚀对石油工业造成了重大的损失,人们开发了许多防腐蚀措施来防止或减弱石油管的腐蚀。根据美国腐蚀工程师协会(NACE)管道腐蚀完整性培训课程的建议,通常归为六种主要的腐蚀控制方法,即材料选择、保护涂层、阴极保护、电绝缘、环境控制、防腐设计。这些控制方法通常要联合使用以达到预期的协同作用水平。例如,使用保护性涂层以尽量减少阴极保护的电流需求;在阴极保护中作为牺牲阳极的锌,用于保护性涂层的添加剂;钝化型缓蚀剂和耐蚀合金一起使用;在使用化学处理的管道内定期使用清管器以控制管道内部环境。

(1)材料选择

腐蚀控制的材料选择是一项复杂的经济和技术决策,其中要考虑油气工程整个寿命周期内的成本、施工实践和操作程序。针对特定的应用场合选择特定的材料很重要,选择合适的加工方法(如焊接或涂镀)也很重要。正确选择对长期腐蚀控制和维持资本支出与运营支出之间的最佳平衡至关重要,这将最大限度地提高管道的完整性和运行安全。腐蚀裕量的使用是对选材中经济考虑和技术考虑之间相互作用的最简单示例。

一般的,预期寿命较长的管道通常倾向于选择较昂贵的耐蚀合金(CRA),这大大降低了运营成本。庞大的管道系统则倾向于使用较便宜的材料但运营成本会很高,其中包括使用额外的腐蚀控制方法如化学处理、涂层、阴极保护。

针对特定应用的耐腐蚀材料选择取决于预期的服役条件。例如,金属材料在H S介质存在开裂敏感性,选材取决于温度、H S分压、原位pH值、氯离子含量、元素硫、温度、应力以及与液态水相接触的时长等诸多因素。这都是油气工业腐蚀控制选材经常面临的工作。

(2)保护涂层

很多情况下,最实用、最直接的腐蚀控制方法就是用合适的保护涂层涂覆管道表面。涂层是腐蚀控制的第一道防线。用于腐蚀控制的涂层可主要分为牺牲性涂层、缓蚀性涂层、导电性涂层、阻隔性涂层等。既包括金属镀层或包覆层、堆焊层,又包括非金属的涂层、衬里等。

(3)阴极保护

阴极保护对通过腐蚀控制维护管道完整性是十分重要的。阴极保护(CP)控制腐蚀,首先通过消除被腐蚀金属结构的阳极和阴极之间的电位差,其次通过在阴极保护系统的阳极和被腐蚀金属结构之间形成一个负电位差从而使被腐蚀结构成为新的电化学电池的阴极。本质上,阴极保护是通过使表面变为阴极从而控制金属腐蚀的技术。

(4)电气绝缘

当管道结构容易受到电偶腐蚀或交直流干扰电流腐蚀的影响时,腐蚀控制的切实可行方法是确保结构的电气隔离。管线系统设计应避免在直接接触或穿过同一电解质的位置使用异种金属。在使用异种金属的情况下,需要采用电气隔离手段来阻断金属电连续性以防止或显著降低电偶腐蚀。

杂散电流并非同一结构的阳极和阴极之间的电偶腐蚀电流。流经正常电路之外的电通路的电流可归为杂散电流,包括静态电流或动态电流,交流电流或直流电流。杂散电流造成大多数金属的严重腐蚀。杂散电流腐蚀可能是由系统造成,如电力系统、铁路系统、电接地、邻近埋地管道阴极保护系统、采矿作业、焊接作业等。如果不加以控制,杂散电流可能会很快地破坏结构或者造成潜在的灾难性后果。

(5)环境控制

石油天然气勘探和生产系统中的环境尽管具有腐蚀性,但仍可以通过环境或介质调节控制腐蚀。环境控制变量包括压力、温度、流体动力学、管道应力状态等管道内部和外部环境条件。如脱水和除氧等处理的目的就是通过改变介质腐蚀性环境进而影响腐蚀,还包括化学处理、调整环境的导电性、调节pH,或者确保环境与潜在的腐蚀因素“隔绝”等方式。地床和回填也是改变埋地管道环境的例子,可以保护管道涂层并且最大限度地减少潜在的安装应力。

使用缓蚀剂、除氧剂和杀菌剂等化学处理也是在石油天然气开发生产中重要的环境控制方法。为了有效地控制微生物腐蚀,杀菌剂一般针对微生物的原始来源而非整个系统。应确定所有液体的来源以检测细菌的存在并确定是否有可能出现腐蚀。化学药剂可按批次使用或连续使用,要根据类型选择应用方法。

水作为连续液体相存在才会引起严重的腐蚀。水蒸气自身因其不是电解质而不造成腐蚀,但在蒸汽相形成凝结水的地方,假如存在其他环境条件就可能发生腐蚀。因此去除天然气中的水蒸气是通过环境控制实现腐蚀控制的一种可行方法。

清管也是改变管道内部环境的有效方法,清管一般采用清管器清除管道中积水、残渣、污泥和其他固体沉淀物。管道的内腐蚀通常与水有关,天然气和凝析油管道容易受冷凝水积液和因操作扰动造成携带水分的影响,导致管道内部出现积水。同时管道内部累积的水和固体沉积也可能引起垢下腐蚀并且创造一个对局部腐蚀有利的环境,包括微生物腐蚀,因此及时对管道进行清管作业也是重要的环境控制方法。

管道的制造、运输、安装和作业所产生的应力与恶劣的环境结合能够引起应力腐蚀或环境敏感断裂。通过科学选材、合理设计和优化焊接方法以减少残余应力,是控制硫化物应力腐蚀开裂的重要途径。还应通过消除可能积聚氯化物的缝隙,来避免发生氯化物应力腐蚀开裂。因此,环境应力控制和减弱环境敏感断裂的敏感环境条件,也是环境控制的重要手段之一。

(6)防腐蚀设计

设计是控制腐蚀的一种基本途径。有效利用设计达到最大效果的实例包括工艺布置设计、涂层设计、腐蚀监测设计、化学处理方法设计、有效清管作业设计,分水器、滴水槽、盲管段、截止管段的管道设计,以及流体动力学设计。通过设计也可以实现沉积物控制、除氧和微生物控制。

在管道设计中,应避免出现缝隙和不准确对接,因为这可能造成缝隙腐蚀。在一些设计中如搭接接头设计,缝隙是固有的,应当对其进行妥善密封。为完全避免留下缝隙,可以使用弹性垫圈或使用寿命较长的密封剂。为避免湿气进入缝隙也要求进行合理设计。假如湿气积累不可避免,设计要力求为缝隙提供完备的排水体系。设施的有效排水对防止流体滞留在缝隙内至关重要,必须对此类区域进行定期检查和彻底清洁。

在任何生产现场都不可避免会存在盲管段、截止管线、排水管道和滴水槽。这些管段的特点是其停滞或间歇流动的状况,在这种状况下腐蚀会蔓延但却不容易被发现,从而危及管道完整性。避免流体停滞的恰当设计再加上监测可以改变这种状况。另一种选择就是通过设计盲管段和滴水槽以便更容易地对其进行检查和清洁。

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