適用于海洋平臺(tái)抗硫化氫腐蝕儀表的應(yīng)用研究

摘 要：硫化氫（H2S）是油氣田開發(fā)比較常見的氣體，這種含有特殊化學(xué)性質(zhì)的氣體是一種潛在危險(xiǎn)，若不及時(shí)處理則會(huì)引發(fā)更多的采油、采氣生產(chǎn)事故。腐蝕是硫化氫氣體最顯著的化學(xué)性質(zhì)，也是對(duì)油氣田生產(chǎn)造成危害的主要因素，特別是對(duì)金屬儀表的腐蝕危害。文章首先介紹了海洋平臺(tái)開發(fā)的作用，在此基礎(chǔ)上分析了硫化氫氣體的腐蝕性質(zhì)，對(duì)適用于海洋平臺(tái)抗硫化氫腐蝕的儀表進(jìn)行了應(yīng)用研究，最后提出了海洋平臺(tái)抗硫化氫儀表使用的注意事項(xiàng)，希望對(duì)后續(xù)研究有所幫助。

關(guān)鍵詞：海洋平臺(tái)；抗硫化氫；腐蝕儀表；應(yīng)用研究

1 海洋平臺(tái)開發(fā)的作用

中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)進(jìn)入了全新的發(fā)展時(shí)代，能源在產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)優(yōu)化升級(jí)中的作用更加顯著，這標(biāo)志著人類社會(huì)正式走向能源開發(fā)與利用時(shí)期。最近一年（2011年）的能源報(bào)告顯示，我國海上石油與天然氣開采的總產(chǎn)值收益持續(xù)上升，新型能源的利用價(jià)值得到肯定，這為我國能源開發(fā)與利用工程提供了科學(xué)的指導(dǎo)。

2 硫化氫氣體的腐蝕性質(zhì)

2.2 腐蝕原理

從腐蝕原理分析，硫化氫腐蝕金屬儀表本質(zhì)上是化學(xué)、物理性質(zhì)的變化，金屬材質(zhì)與外界環(huán)境之間產(chǎn)生的物理反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)，最終造成金屬材質(zhì)表面出現(xiàn)氧化、腐蝕等現(xiàn)象，影響了金屬儀表的使用功能。海洋平臺(tái)中金屬儀表或器材的腐蝕機(jī)理如下：

①式：H2S的酸性特點(diǎn)，經(jīng)過此方程式反應(yīng)后，產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的酸物質(zhì)，這是一個(gè)初步的化學(xué)反應(yīng)。

②式：以鐵金屬為例，H2S在H2O溶液下，產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)，對(duì)腐蝕性作用具有顯著的表達(dá)過程。

③式：陽極變化流程

④式：陰極變化流程

⑤式：鐵金屬被腐蝕過程的化學(xué)反應(yīng)，此化學(xué)式產(chǎn)生了硫化鐵等物質(zhì)，在金屬表面形成氧化膜，阻礙了金屬離子的通過，使金屬表面的腐蝕現(xiàn)象加劇。

3 適用于海洋平臺(tái)抗硫化氫腐蝕儀表的應(yīng)用研究

伴隨著海洋石油、天然氣資源開發(fā)量的持續(xù)增多，與海洋能源工程相配套設(shè)施的應(yīng)用范圍更加廣闊，各種大小開發(fā)設(shè)備均發(fā)揮出了其利用價(jià)值，推動(dòng)了自然能源開采量的上升。調(diào)節(jié)閥是海洋平臺(tái)作業(yè)中不可缺少的儀表設(shè)備，如圖2，其能夠?qū)λ心茉撮_采系統(tǒng)實(shí)施自動(dòng)化調(diào)控，建立了現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)體系，加快了石油工程開采控制的自動(dòng)化發(fā)展。調(diào)節(jié)閥功能原理：對(duì)控制單元輸出的控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)控，主要負(fù)責(zé)工業(yè)設(shè)備中的流量、壓力、溫度、液位等諸多參數(shù)的調(diào)控，減小了操作人員手工監(jiān)測與控制的難度。鑒于調(diào)節(jié)閥對(duì)海洋平臺(tái)操作的應(yīng)用功能，本次以調(diào)節(jié)閥為主導(dǎo)設(shè)備，經(jīng)過詳細(xì)地抗腐蝕性試驗(yàn)操作，研制了其抗硫化氫腐蝕的相關(guān)措施。具體如下：

3.1 抗腐蝕試驗(yàn)

（1）基本方法

本次選用的實(shí)驗(yàn)材料為金屬630材料，這種材料的抗硫化氫腐蝕開裂試驗(yàn)依據(jù)GB4157-2006進(jìn)行，嚴(yán)格按照國際材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如圖3。本組試驗(yàn)的基本方法：在常溫常壓下，將承受拉伸應(yīng)力的試樣浸在經(jīng)酸化并以硫化氫飽和的氯化鈉水溶液中，為獲得硫化氫腐蝕開裂數(shù)據(jù)，將外加應(yīng)力加到屈服強(qiáng)度的70%、75%、80%、85%、90%、95%、100%，測定試樣的斷裂時(shí)間，直到720h試樣不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力為止。

（2）設(shè)備選用

（2）操作流程

海洋平臺(tái)資源開發(fā)量大，每天都有固定的石油、天然氣生產(chǎn)指標(biāo)，為了加快試驗(yàn)對(duì)抗硫化氫儀表的使用指導(dǎo)，現(xiàn)場試驗(yàn)要考慮操作流程的規(guī)范性。本次采用ASTM-630的試驗(yàn)流程：①將清洗的試樣放進(jìn)試驗(yàn)容器內(nèi)，并接好必要的密封裝置，用惰性氣體凈化容器。試驗(yàn)容器凈化后，小心加載，不得超過既定的加載水平。②立即將脫除空氣的溶液注入試驗(yàn)容器，以100～300ml/min流速通入硫化氫10～15min，使溶液為硫化氫所飽和，并記錄試驗(yàn)開始時(shí)間。③為了獲得更加準(zhǔn)確的化學(xué)數(shù)據(jù)，試驗(yàn)中可通過反復(fù)試驗(yàn)的方式，掌握更多數(shù)據(jù)以取中間值作為參考，多次試驗(yàn)可降低數(shù)據(jù)的失誤率。

3.2 基于抗腐蝕試驗(yàn)的儀表應(yīng)用處理

（1）固溶處理

調(diào)節(jié)閥是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的常用設(shè)備，用其對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)下的溫度、壓力、冷卻液等進(jìn)行條件，加快了工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)功能的升級(jí)改造。根據(jù)上述ASTM-630試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)節(jié)閥在使用期間應(yīng)進(jìn)行固溶處理，這是一種特殊的熱處理工藝方案，對(duì)增強(qiáng)調(diào)節(jié)閥抗腐蝕功能具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。固溶處理工藝原理：對(duì)某種材料或金屬工件實(shí)施加溫處理，達(dá)到某一個(gè)溫度之后維持相應(yīng)的時(shí)間周期，這樣可以加快材料的全面溶解。溫度接近臨界值時(shí)，迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槔鋮s處理，回轉(zhuǎn)到室內(nèi)正常溫度，便可得到了需要的固溶體。根據(jù)630材料成分，固溶化溫度分別采1000℃、1040℃和1080℃，保溫1h進(jìn)行處理，并對(duì)熱處理后的試樣進(jìn)行顯微組織觀察及硬度測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過1000℃固溶化處理后得到的組織含鐵素體過多，組織不均勻，1040℃固溶化處理后的組織主要為板條狀馬氏體和微量殘余奧氏體，1080℃固溶化處理后的組織殘余奧氏體含量過高，晶粒粗化，硬度偏低。因此，630材料在硫化氫環(huán)境下使用，選擇固溶化加熱溫度為1040±10℃。

（2）時(shí)效處理

除了固溶處理方法外，海洋平臺(tái)調(diào)節(jié)閥也可采取時(shí)效處理方式，這對(duì)于改變調(diào)節(jié)閥金屬材質(zhì)特性具有較高的改造價(jià)值。時(shí)效處理工藝原理：對(duì)某種材料或金屬工件實(shí)施變形處理，這也是在特定溫度值條件下才能產(chǎn)生的效果，通過塑性變形方式改變金屬材料的性能。一般情況，可利用高溫改變金屬的化學(xué)地質(zhì)，經(jīng)鍛造、鑄造加工后實(shí)現(xiàn)變形。本次630材料固溶化處理以后，進(jìn)行時(shí)效處理。通過時(shí)效硬化處理可以消除馬氏體的應(yīng)力，增加韌性、塑性和耐腐蝕性，而且通過析出金屬間化合物增加材料的高溫強(qiáng)度和硬度。時(shí)效加熱溫度根據(jù)材料的使用溫度、性能要求和金屬析出溫度等因素確定。分別采用480℃、550℃和620℃，保溫4h進(jìn)行處理，并對(duì)熱處理后的試樣進(jìn)行測試。隨著時(shí)效溫度的升高，材料的強(qiáng)度下降，塑性上升、沖擊韌性提高。考慮材料耐硫化氫腐蝕等因素，選擇時(shí)效溫度和時(shí)間為620±10℃，保溫4h，空冷。

4 海洋平臺(tái)抗硫化氫儀表使用的注意事項(xiàng)

海洋能源工程是我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重點(diǎn)工作，主要解決了地表能源開采的儲(chǔ)量危機(jī)，將更多開展供轉(zhuǎn)移至海洋資源，這就實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)能源供應(yīng)鏈的可持續(xù)發(fā)展。因油氣田開采時(shí)產(chǎn)生了硫化氫氣體，其具備的毒性、酸性、腐蝕性等特點(diǎn)，對(duì)參與海洋資源開采的人員、設(shè)備均造成很大的危害。為了更好地利用海洋能源，企業(yè)從事開發(fā)項(xiàng)目應(yīng)考慮先進(jìn)儀表的使用，針對(duì)可能出現(xiàn)的金屬腐蝕儀表實(shí)施固溶處理、時(shí)效處理，通過改變金屬材料的綜合性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了儀表的抗腐蝕、抗損壞功能。此外，實(shí)際開采生產(chǎn)環(huán)節(jié)里，要注重調(diào)節(jié)閥儀表裝置的更新與檢修，定期檢查是否有腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，提前做好儀表更換或維修工作，避免腐蝕對(duì)儀表功能造成的不利影響。

結(jié)束語

石油和天然氣是經(jīng)濟(jì)發(fā)展中不可缺少的物質(zhì)能源，推廣化石燃料可以降低市場能源的供應(yīng)危機(jī)，并且減少了工業(yè)燃料使用后引起的污染問題。調(diào)節(jié)閥作為工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的主要儀表裝置，應(yīng)對(duì)其可能出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象進(jìn)行分析，掌握金屬材質(zhì)的腐蝕原理及性質(zhì)變化，擬定切實(shí)可靠的抗腐蝕措施。本次根據(jù)ASTM-630材質(zhì)實(shí)現(xiàn)，提出了固溶處理及時(shí)效處理兩大方式，顯著增強(qiáng)了調(diào)節(jié)閥的抗腐蝕性能。

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作者簡介：楊功（1982），男，本科，工程師。主要從事海洋石油儀表專業(yè)工程設(shè)計(jì)工作。

劉錦偉（1975），男，本科，高級(jí)工程師。中海油能源發(fā)展股份有限公司油田建設(shè)工程設(shè)計(jì)研發(fā)中心電儀室經(jīng)理。