沉降罐用可更換犧牲陽極的研制與應用

郭 亮 張新發 吳保玉

1. 中國石油集團川慶鉆探工程有限公司工程技術研究院, 陜西 西安 710018; 2. 低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室, 陜西 西安 710018

0 前言

中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司第二采油廠沉降罐及加熱盤管腐蝕嚴重。其中木一綜合站、悅三轉站、中集站等站庫的沉降罐加熱盤管有效使用壽命僅1年,維護頻繁,嚴重影響站點正常的生產運行[1]。通過聯合使用耐高溫防腐涂層和犧牲陽極陰極保護技術[2-3],可對加熱盤管和罐底板、壁板進行有效保護,沉降罐的維護周期得到了有效延長。

當罐內犧牲陽極消耗完后,需要對其進行更換。普通陽極是直接將鐵腳焊接于罐內壁,因此更換過程中存在以下問題:

1)增加腐蝕、安全隱患。使用氧氣-乙炔焊槍進行鐵腳切割作業時,高溫會在焊接處造成熱影響區,對罐壁產生損傷[4-5]。

2)投資成本大。犧牲陽極進行更換時,切割作業、陰極保護設計、焊接作業都會無形中增加施工周期、人力投入和投資成本。

3)施工手續繁瑣。沉降罐屬于一級動火區域,切割和焊接作業均需要辦理動火手續方可作業[6]。

可更換犧牲陽極技術可以解決現有技術中更換犧牲陽極時需要動火切割及重新布局的問題,可有效減輕常規犧牲陽極更換作業帶來的工作強度及安全隱患,有效保護沉降罐罐體,簡化施工過程并可降本增效。

1 可更換犧牲陽極的研制

1.1 結構

可更換犧牲陽極由可更換單元、焊接鐵腳和防腐扣盒三部分組成,配套以螺栓和發泡膠,組裝完整后的結構見圖1。

圖1 可更換犧牲陽極組裝

可更換單元為一體式結構,由犧牲陽極材料和可更換鐵腳鑄造組成,陽極材料使用完后,對此部分進行更換。

由于沉降罐內有加熱管束、支撐架、油水進出管線等附屬設備,且在罐內高低位置不一,因此,若采用將螺栓倒過來焊接(螺栓頭向下)在內壁上,再用螺母固定陽極的方法,在施工過程中會和其他設備位置發生沖突。因此,設計出焊接鐵腳并在一端設置兩處腰型孔,腰型孔和可更換鐵腳的螺栓孔位置對應,用于和可更換單元的拆卸式連接[7]。一組可更換犧牲陽極兩側共配備兩根焊接鐵腳。焊接鐵腳上設置腰型孔,安裝可更換犧牲陽極時,可上下調節陽極的高低位置。

油田采出水中含有的大量固體懸浮物會自然沉降在罐底,六角螺栓的螺紋會被填滿,給后期更換作業帶來諸多不便，因此設計出防腐扣盒用于保護螺栓螺紋。防腐扣盒呈圓筒狀，由兩片相同的半圓環狀扣盒組成。上、下端設有長方形定位口,焊接鐵腳或可更換鐵腳可穿過。每片扣盒的左右兩側設有逐一對應的凹孔或凸起，中部設有注膠口,用于注入發泡膠,防止固體懸浮物進入。

1.2 材料

沉降罐的主要用途為油水混合物的破乳和油水分離沉降[8],可更換犧牲陽極所處沉積水部位腐蝕介質溫度較高,且含有大量的鹽類(如氯化鎂、氯化鈉和氯化鈣)、硫酸鹽還原菌和固體懸浮物等[9-11]。由于溫度高于54 ℃時鋅基犧牲陽極可能發生極性逆轉[12-15],因此所用材料選用鋁-鋅-銦系合金犧牲陽極。

實驗設備:PerkinElmer ICP電感耦合等離子體發射光譜儀。

1.3 其他輔助材料

可更換鐵腳和焊接鐵腳選用板狀鐵腳,碳素結構鋼制造,鐵腳表面清潔無銹,并經噴砂處理[17]。

可拆卸式連接選用螺栓連接,螺栓選用六角螺栓,型號為M 16×65。

防腐扣盒用于保護螺栓螺紋,材質為PVC,和發泡膠配合使用。

可更換單元的型號和參數符合GB/T 4948-2002中表9儲罐內用犧牲陽極[17]的相關要求,共分為四種型號,可用于不同規格儲罐的內壁防腐施工。

2 可更換犧牲陽極的應用

可更換犧牲陽極在采油二廠馬嶺南采油作業區南聯站1#沉降罐進行了應用。沉降罐容積均為2 000 m3,直徑為15.84 m,高度為11.57 m,罐內介質工作溫度為0～70 ℃,罐壁內部高度4 m以下區域和罐底內部是沉降罐內腐蝕的保護區域,腐蝕介質為采油污水[19-21]。

2.1 陰極保護設計目標

1)陰極保護有效期:8～10 a。

2)保護電位:-0.85～-1.1 V(相對銅/飽和硫酸銅參比電極)。

2.2 陰極保護設計參數

保護電流密度:30 mA/m2;

保護面積:495.39 m2;

設計壽命:8～10 a;

罐/水保護電位:-0.85 V(CSE);

陽極尺寸規格:[500×(115+135)×130][A×(B 1+B 2)×C];

單只陽極凈重量:23 kg;

儲罐陽極總需求數量:62支;

圖2 儲罐罐底陽極分布圖

儲罐罐壁陽極分布:陽極體中心距罐底1 000 mm處,均勻分布18支,距罐底3 000 mm處,均勻分布14支，小計32支,見圖3。

圖3 儲罐罐壁陽極分布圖

2.3 安裝步驟

可更換犧牲陽極可用于罐內底板、壁板以及加熱管束的防腐,首次安裝時,需使用電焊機對焊接鐵腳進行焊接安裝。安裝步驟如下:

1)安裝焊接鐵腳。根據陰極保護設計方案,陽極呈均勻分布，首先確定安裝位置,使用電焊機將焊接鐵腳焊接在儲罐內表面。焊縫的縫隙全部焊透,確保無虛焊、假焊、砂眼,焊接質量確保達標[23]。

2)安裝可更換單元。將可更換單元螺栓孔與焊接鐵腳腰型孔進行對接定位，使用六角螺栓完成安裝和固定。

3)安裝防腐扣盒。將螺栓放置于兩片防腐扣盒的空腔內，焊接鐵腳或可更換鐵腳穿過定位口,注入發泡膠直至溢出即可。

2.4 更換步驟

當可更換犧牲陽極達到設計年限或陽極材料消耗完后,需要對其進行更換。更換步驟為:

1)將防腐扣盒拆除,清理螺紋,拆卸螺栓。

2)將可更換單元拆除,將新的可更換單元按照2.3中安裝步驟2)、3)進行更換。

2.5 應用效果

沉降罐防腐施工結束后,使用近參比法對罐內壁保護電位進行測試。測試方法是將飽和硫酸銅參比電極與信號線連接,從罐頂部將電極放入罐底,使用萬用表測試。經測試保護電位為-0.955 V,達到SY/T 6536-2012《鋼制儲罐內表面犧牲陽極保護》要求,電位≤-0.85 V(相對CSE),沉降罐陰極保護效果良好。

3 結論

通過合理設計,研制出可更換犧牲陽極,用于儲罐內壁防腐。可更換犧牲陽極的犧牲陽極材料和鐵腳均符合國標相關技術要求,更換時無需進行切割和焊接作業,不損傷沉降罐內壁,有效延長沉降罐的使用壽命,消除腐蝕隱患,降低突發失效事故的頻次，可有效降低工作強度,減少安全隱患。