管道內(nèi)補(bǔ)口保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

趙思捷 大慶油田采油二廠

管道內(nèi)補(bǔ)口保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)

趙思捷 大慶油田采油二廠

隨著油田三元復(fù)合驅(qū)及高礦化度水驅(qū)區(qū)塊的開發(fā)，管道內(nèi)腐蝕問題特別是管道焊接熱影響區(qū)域的腐蝕較為突出。為此，設(shè)計(jì)一種管道內(nèi)補(bǔ)口保護(hù)裝置，該裝置應(yīng)用電化學(xué)保護(hù)原理，均勻極化保護(hù)電位，達(dá)到控制腐蝕的目的。測(cè)試了補(bǔ)口保護(hù)裝置的運(yùn)行數(shù)據(jù)，結(jié)合計(jì)算公式進(jìn)行參數(shù)推導(dǎo)。針對(duì)不同的流動(dòng)介質(zhì)及不同的管道內(nèi)徑，規(guī)定其保護(hù)年限后可以通過計(jì)算合理配置保護(hù)裝置電極體的質(zhì)量。

管道防腐；管道內(nèi)補(bǔ)口；保護(hù)裝置；數(shù)據(jù)測(cè)試

針對(duì)內(nèi)涂層管道焊接熱影響區(qū)域內(nèi)防腐補(bǔ)口問題，目前有相應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)方法即內(nèi)補(bǔ)口機(jī)涂敷法。但是在東北高緯度工況環(huán)境下，內(nèi)補(bǔ)口施工及檢驗(yàn)實(shí)際操作可行性較低。本文介紹一種內(nèi)補(bǔ)口保護(hù)裝置，該裝置應(yīng)用電化學(xué)保護(hù)原理，均勻極化保護(hù)電位，達(dá)到控制腐蝕的目的。

1 裝置設(shè)計(jì)

1.1 工作原理

裝置的主體結(jié)構(gòu)采用鋁合金材質(zhì)，與管道焊接后即完成電化學(xué)連接，當(dāng)介質(zhì)電阻率滿足要求并在管道中流動(dòng)時(shí)，管道內(nèi)補(bǔ)口部位電位極化，達(dá)到防腐要求[1]。

1.2 結(jié)構(gòu)

管道內(nèi)補(bǔ)口保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)見圖1。裝置由以下三部分組成：

圖1 管道內(nèi)補(bǔ)口保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)

（1）柱狀合金體（多電極組合體，簡(jiǎn)稱電極體）。它是裝置的主要部分，由帶鋼芯的合金電極排列組成，環(huán)狀定位裝置、導(dǎo)電穩(wěn)定環(huán)之間用氣體保護(hù)焊接。

（2）環(huán)狀定位裝置。其作用是通過滿焊焊接連接管道補(bǔ)口部位，完成電極與管道的電連接。

（3）導(dǎo)電穩(wěn)定環(huán)。其作用是穩(wěn)定電極體，提高導(dǎo)電效率。

1.3 技術(shù)要求

將裝置安裝在管道內(nèi)補(bǔ)口位置，在流動(dòng)的介質(zhì)中，電極體為補(bǔ)口處管壁提供穩(wěn)定均勻的保護(hù)電位。對(duì)于穩(wěn)定流動(dòng)的介質(zhì)，為確保合金電極壽命及其均勻溶解，該保護(hù)裝置中的Zn成分應(yīng)在2.7%± 0.5%，其它微量成分In、Sn含量也應(yīng)作適當(dāng)調(diào)整[2]。

2 數(shù)據(jù)及參數(shù)

2.1 測(cè)試數(shù)據(jù)

模擬環(huán)道測(cè)試，保護(hù)裝置焊接后在流動(dòng)的介質(zhì)中極化48 h，保護(hù)電位分布見表1、表2。

表1 人造海水管道保護(hù)電位分布

表2 清水、三元液管道保護(hù)電位分布

由表1、表2可見，人造海水管道5 m之內(nèi)電位（甘汞電極）在0.78 V以上，達(dá)到保護(hù)要求；清水、三元液管道0.3 m之內(nèi)電位（甘汞電極）在0.78 V以上，達(dá)到保護(hù)要求。

2.2 參數(shù)推導(dǎo)

借助上述保護(hù)距離測(cè)試數(shù)據(jù)，在相同規(guī)格管道內(nèi)且同一規(guī)格的保護(hù)裝置，對(duì)于上述3種不同介質(zhì)，其補(bǔ)口裝置凈質(zhì)量W亦不同

式中ω為電極消耗率（kg/A·a）；I為保護(hù)電流（A）。

若電極壽命按30年計(jì)，計(jì)算出對(duì)應(yīng)的質(zhì)量參數(shù)：W1（清水管道電極凈質(zhì)量）為1.16 kg；W2（人造海水管道電極凈質(zhì)量）為10.5 kg；W3（三元液管道電極凈質(zhì)量）為1.05 kg。

保護(hù)電流密度40 mA/m2；電阻率：清水150 Ω·cm，海水20 Ω·cm，三元液150 Ω·cm；管內(nèi)保護(hù)電流I1=90 mA（人造海水介質(zhì)有效保護(hù)距離為5 m）；I2=10 mA（清水介質(zhì)有效保護(hù)距離為0.3 m）；I3=9 mA（三元液介質(zhì)有效保護(hù)距離為0.3 m）。

單支電極接水電阻[3]

式中RA為電極電阻（Ω）；L為電極長(zhǎng)度（cm）；ρ為管內(nèi)水電阻率（Ω·cm）；r為電極當(dāng)量半徑（cm）；A為電極截面積（cm2）。

單支電極輸出電流

式中U為陽極驅(qū)動(dòng)電位（V），取0.2 V。

在試驗(yàn)管道工況條件下，對(duì)三元水溶液及清水單支電極能夠提供足夠的保護(hù)電流，保護(hù)時(shí)間為2.5年；對(duì)于人造海水兩支電極能夠提供足夠的保護(hù)電流，保護(hù)時(shí)間為0.5年。清水及三元液補(bǔ)口裝置（電極）質(zhì)量見表3。

表3 清水及三元液補(bǔ)口裝置（電極）質(zhì)量

3 結(jié)論

（1）管道內(nèi)電化學(xué)腐蝕控制技術(shù)目前屬于初步探索階段，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)僅是參照鋼質(zhì)水罐內(nèi)壁陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示油田內(nèi)清水及三元液管道補(bǔ)口保護(hù)距離在0.3 m內(nèi)，補(bǔ)口保護(hù)裝置可滿足要求。

（2）針對(duì)不同的流動(dòng)介質(zhì)、不同的管道內(nèi)徑，規(guī)定其保護(hù)年限后可通過計(jì)算合理配置保護(hù)裝置電極體的質(zhì)量。

[1]胡士信．陰極保護(hù)工程手冊(cè)[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999：63-78.

[2]胡士信．埋地鋼質(zhì)管道陰極保護(hù)技術(shù)規(guī)范：GB/T21448—2008[S]．北京：石油工業(yè)出版社，2008：22.

[3]張經(jīng)磊．海水管道內(nèi)壁陰極保護(hù)——犧牲陽極法[J]．海洋科學(xué)，1984（5）：62-63.

（欄目主持 樊韶華）

表2 工業(yè)性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)空白和加藥后腐蝕速率

由表1、表2可見，采用防腐措施評(píng)價(jià)裝置測(cè)得的腐蝕速率與現(xiàn)場(chǎng)管道掛片測(cè)得的數(shù)據(jù)比較接近，說明在防腐措施評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置上進(jìn)行的藥劑篩選結(jié)果真實(shí)可靠。

3 結(jié)論

（1）試驗(yàn)裝置與現(xiàn)場(chǎng)工藝連接方便，不影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行。

（2）在試驗(yàn)裝置上進(jìn)行藥劑篩選試驗(yàn)，具有條件可控，節(jié)約藥劑費(fèi)用，數(shù)據(jù)真實(shí)可靠等優(yōu)點(diǎn)。試驗(yàn)裝置還可以進(jìn)行材質(zhì)、涂層的優(yōu)化篩選，適用于多種防腐措施的現(xiàn)場(chǎng)評(píng)價(jià)。

參考文獻(xiàn)

[1]榮幼澧．用氧化-還原電位監(jiān)督機(jī)爐腐蝕[J]．華東電力，2000，（6）：56-57.

[2]孫彥吉．海拉爾油田注水管道內(nèi)腐蝕原因分析及對(duì)策[J]．腐蝕與防護(hù)，2013，（2）：180-182.

[3]王麗霞，李廷剛，王全鑫，等.油田注水系統(tǒng)地面管網(wǎng)腐蝕研究[J]．科學(xué)技術(shù)與工程，2009，19（7）：1 873-1 877.

（0459）5903786、jiaqing@petrochina.com.cn

收稿日期2015-04-17

（欄目主持 樊韶華）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.9.049

2015-04-17

賈慶：高級(jí)工程師，碩士，畢業(yè)于大慶石油學(xué)院油田應(yīng)用化學(xué)專業(yè)，主要從事油田防腐防垢技術(shù)研究工作。