适用于海洋平台抗硫化氢腐蚀仪表的应用研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)中海油能源发展油田建设工程设计研发中心 作者:杨功

  硫化氢(H2S)是油气田开发比较常见的气体,这种含有特殊化学性质的气体是一种潜在危险,若不及时处理则会引发更 多的采油、采气生产事故。腐蚀是硫化氢气体最显著的化学性质,也是对油气田生产造成危害的主要因素,特别是对金属仪表的 腐蚀危害。文章首先介绍了海洋平台开发的作用,在此基础上分析了硫化氢气体的腐蚀性质,对适用于海洋平台抗硫化氢腐蚀 的仪表进行了应用研究,最后提出了海洋平台抗硫化氢仪表使用的注意事项,希望对后续研究有所帮助。

1、海洋平台开发的作用

  中国社会经济进入了全新的发展时代,能源在产业经济优化升级中的作用更加显著,这标志着人类社会正式走向能源开发与利用时期。最近一年(2011年)的能源报告显示,我国海上石油与天然气开采的总产值收益持续上升,新型能源的利用价值得到肯定,这为我国能源开发与利用工程提供了科学的指导。

表1 2011年石油能源数据

适用于海洋平台抗硫化氢腐蚀仪表的应用研究

  从能源报告显示,我国能源存储量、消费量、生产量之间的比例差异显著,尽管石油存储量庞大,但由于计划经济体制影响下,每年开发的石油用量相对较小。从市场需求比例来说,市场消费量超出实际产量的数额,这说明了能源市场的供需失衡,企业还需大量石油能源作为燃油、汽油等燃料使用。因此,创建海洋资源开发平台对解决国内能源应用危机有着很大的帮助,也是产业经济现代化发展的必然要求。

2、硫化氢气体的腐蚀性质

  伴随着能源科技水平的全面提升,海洋油气资源开发模式得到了全面推广,先进科技融入能源开采作业创造了丰厚的经济收益。其中,以信息科技为支撑的海洋地质勘测系统正广泛使用,这种勘测系统减小了海洋资源的勘察定位,提高了能源开发的针对性,使国内石油资源开采量持续上升2.44%,逐渐与市场需求量指标相互靠近。海洋开采环节了市场上的能源危机,开辟了石油、天然气等能源供应的多元化模式。但同时,现场开采作业中发现了海洋资源开发出现的一些问题,主要是开采生产中产生一系列的化学气体,往往给生产人员及设备造成了不利影响,如图1。

适用于海洋平台抗硫化氢腐蚀仪表的应用研究

图1 硫化氢的危害性

  2.1、化学性质

  硫化氢是海洋油气田开发常有的气体,硫化氢具有腐蚀性、毒性、污染性等诸多危害,对油气田作业人员及开采设备是很大的危害,处理不当会影响到整个油气田工程作业的有序进行。硫化氢的腐蚀性来源于其酸性特点,结合铁金属的腐蚀变化,其化学式如下:

  2NaOH+H2S=Na2S+2H2O ①

  H2S=>H+HS=>H+S++2- ②

  Fe=>Fe+2e ③

  2H+2e=>H2Fe与H2S ④

  xFe+yH2S=>FexSy+2yH2+2+++2 ⑤

  2.2、腐蚀原理

  从腐蚀原理分析,硫化氢腐蚀金属仪表本质上是化学、物理性质的变化,金属材质与外界环境之间产生的物理反应、化学反应,最终造成金属材质表面出现氧化、腐蚀等现象,影响了金属仪表的使用功能。海洋平台中金属仪表或器材的腐蚀机理如下:

  ①式:H2S的酸性特点,经过此方程式反应后,产生对应的酸物质,这是一个初步的化学反应。

  ②式:以铁金属为例,H2S在H2O溶液下,产生的电化学反应,对腐蚀性作用具有显著的表达过程。

  ③式:阳极变化流程

  ④式:阴极变化流程

  ⑤式:铁金属被腐蚀过程的化学反应,此化学式产生了硫化铁等物质,在金属表面形成氧化膜,阻碍了金属离子的通过,使金属表面的腐蚀现象加剧。

3、适用于海洋平台抗硫化氢腐蚀仪表的应用研究

  伴随着海洋石油、天然气资源开发量的持续增多,与海洋能源工程相配套设施的应用范围更加广阔,各种大小开发设备均发挥出了其利用价值,推动了自然能源开采量的上升。调节阀是海洋平台作业中不可缺少的仪表设备,如图2,其能够对所有能源开采系统实施自动化调控,建立了现代化工业生产体系,加快了石油工程开采控制的自动化发展。

适用于海洋平台抗硫化氢腐蚀仪表的应用研究

图2 调节阀图示

  调节阀功能原理:对控制单元输出的控制信号进行调控,主要负责工业设备中的流量、压力、温度、液位等诸多参数的调控,减小了操作人员手工监测与控制的难度。鉴于调节阀对海洋平台操作的应用功能,本次以调节阀为主导设备,经过详细地抗腐蚀性试验操作,研制了其抗硫化氢腐蚀的相关措施。具体如下:

  3.1、抗腐蚀试验

  (1)基本方法

  本次选用的实验材料为金属630材料,这种材料的抗硫化氢腐蚀开裂试验依据GB4157-2006进行,严格按照国际材料试验协会的标准规定,如图3。本组试验的基本方法:在常温常压下,将承受拉伸应力的试样浸在经酸化并以硫化氢饱和的氯化钠水溶液中,为获得硫化氢腐蚀开裂数据,将外加应力加到屈服强度的70%、75%、80%、85%、90%、95%、100%,测定试样的断裂时间,直到720h试样不发生断裂的最大应力为止。

适用于海洋平台抗硫化氢腐蚀仪表的应用研究

图3 试验流程

  (2)设备选用

  由于抗腐蚀试验属于比较特殊的反应现象,特别是在试验过程中会产生一系列的特殊气体,若处理不当会危害到试验人员及仪器,抗腐蚀试验需在相对稳定的条件下执行,以保证所得反应结果达到预期的要求。试验容器采用标准腐蚀试验箱。试验用试剂硫化氢、氯化钠、冰乙酸和醋酸钠等均采用化学纯等级的化学药品,用蒸馏水配制。将50g氯化钠和5g冰乙酸溶解于945g水中,初始酸度值应为pH2.6~2.8,pH可能增加,但不超过pH4。试验溶液的温度应保持在24±3℃。

  (2)操作流程

  海洋平台资源开发量大,每天都有固定的石油、天然气生产指标,为了加快试验对抗硫化氢仪表的使用指导,现场试验要考虑操作流程的规范性。本次采用ASTM-630的试验流程:①将清洗的试样放进试验容器内,并接好必要的密封装置,用惰性气体净化容器。试验容器净化后,小心加载,不得超过既定的加载水平。②立即将脱除空气的溶液注入试验容器,以100~300ml/min流速通入硫化氢10~15min,使溶液为硫化氢所饱和,并记录试验开始时间。③为了获得更加准确的化学数据,

  试验中可通过反复试验的方式,掌握更多数据以取中间值作为参考,多次试验可降低数据的失误率。

  3.2、基于抗腐蚀试验的仪表应用处理

  (1)固溶处理

  调节阀是现代工业生产系统的常用设备,用其对系统工作状态下的温度、压力、冷却液等进行条件,加快了工业自动化系统功能的升级改造。根据上述ASTM-630试验结果,调节阀在使用期间应进行固溶处理,这是一种特殊的热处理工艺方案,对增强调节阀抗腐蚀功能具有显著的应用价值。固溶处理工艺原理:对某种材料或金属工件实施加温处理,达到某一个温度之后维持相应的时间周期,这样可以加快材料的全面溶解。温度接近临界值时,迅速转变为冷却处理,回转到室内正常温度,便可得到了需要的固溶体。根据630材料成分,固溶化温度分别采1000℃、1040℃和1080℃,保温1h进行处理,并对热处理后的试样进行显微组织观察及硬度测试。试验结果表明,经过1000℃固溶化处理后得到的组织含铁素体过多,组织不均匀,1040℃固溶化处理后的组织主要为板条状马氏体和微量残余奥氏体,1080℃固溶化处理后的组织残余奥氏体含量过高,晶粒粗化,硬度偏低。因此,630材料在硫化氢环境下使用,选择固溶化加热温度为1040±10℃。

  (2)时效处理

  除了固溶处理方法外,海洋平台调节阀也可采取时效处理方式,这对于改变调节阀金属材质特性具有较高的改造价值。时效处理工艺原理:对某种材料或金属工件实施变形处理,这也是在特定温度值条件下才能产生的效果,通过塑性变形方式改变金属材料的性能。一般情况,可利用高温改变金属的化学地质,经锻造、铸造加工后实现变形。本次630材料固溶化处理以后,进行时效处理。通过时效硬化处理可以消除马氏体的应力,增加韧性、塑性和耐腐蚀性,而且通过析出金属间化合物增加材料的高温强度和硬度。时效加热温度根据材料的使用温度、性能要求和金属析出温度等因素确定。分别采用480℃、550℃和620℃,保温4h进行处理,并对热处理后的试样进行测试。随着时效温度的升高,材料的强度下降,塑性上升、冲击韧性提高。考虑材料耐硫化氢腐蚀等因素,选择时效温度和时间为620±10℃,保温4h,空冷。

4、海洋平台抗硫化氢仪表使用的注意事项

  海洋能源工程是我国经济建设的重点工作,主要解决了地表能源开采的储量危机,将更多开展供转移至海洋资源,这就实现了国内能源供应链的可持续发展。因油气田开采时产生了硫化氢气体,其具备的毒性、酸性、腐蚀性等特点,对参与海洋资源开采的人员、设备均造成很大的危害。为了更好地利用海洋能源,企业从事开发项目应考虑先进仪表的使用,针对可能出现的金属腐蚀仪表实施固溶处理、时效处理,通过改变金属材料的综合性质,实现了仪表的抗腐蚀、抗损坏功能。此外,实际开采生产环节里,要注重调节阀仪表装置的更新与检修,定期检查是否有腐蚀现象的发生,提前做好仪表更换或维修工作,避免腐蚀对仪表功能造成的不利影响。

5、结束语

  石油和天然气是经济发展中不可缺少的物质能源,推广化石燃料可以降低市场能源的供应危机,并且减少了工业燃料使用后引起的污染问题。调节阀作为工业生产系统的主要仪表装置,应对其可能出现的腐蚀现象进行分析,掌握金属材质的腐蚀原理及性质变化,拟定切实可靠的抗腐蚀措施。本次根据ASTM-630材质实现,提出了固溶处理及时效处理两大方式,显著增强了调节阀的抗腐蚀性能。

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