沉降罐用可更换牺牲阳极的研制与应用

郭 亮 张新发 吴保玉

1. 中国石油集团川庆钻探工程有限公司工程技术研究院, 陕西 西安 710018; 2. 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室, 陕西 西安 710018

0 前言

中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司第二采油厂沉降罐及加热盘管腐蚀严重。其中木一综合站、悦三转站、中集站等站库的沉降罐加热盘管有效使用寿命仅1年,维护频繁,严重影响站点正常的生产运行[1]。通过联合使用耐高温防腐涂层和牺牲阳极阴极保护技术[2-3],可对加热盘管和罐底板、壁板进行有效保护,沉降罐的维护周期得到了有效延长。

当罐内牺牲阳极消耗完后,需要对其进行更换。普通阳极是直接将铁脚焊接于罐内壁,因此更换过程中存在以下问题:

1)增加腐蚀、安全隐患。使用氧气-乙炔焊枪进行铁脚切割作业时,高温会在焊接处造成热影响区,对罐壁产生损伤[4-5]。

2)投资成本大。牺牲阳极进行更换时,切割作业、阴极保护设计、焊接作业都会无形中增加施工周期、人力投入和投资成本。

3)施工手续繁琐。沉降罐属于一级动火区域,切割和焊接作业均需要办理动火手续方可作业[6]。

可更换牺牲阳极技术可以解决现有技术中更换牺牲阳极时需要动火切割及重新布局的问题,可有效减轻常规牺牲阳极更换作业带来的工作强度及安全隐患,有效保护沉降罐罐体,简化施工过程并可降本增效。

1 可更换牺牲阳极的研制

1.1 结构

可更换牺牲阳极由可更换单元、焊接铁脚和防腐扣盒三部分组成,配套以螺栓和发泡胶,组装完整后的结构见图1。

图1 可更换牺牲阳极组装

可更换单元为一体式结构,由牺牲阳极材料和可更换铁脚铸造组成,阳极材料使用完后,对此部分进行更换。

由于沉降罐内有加热管束、支撑架、油水进出管线等附属设备,且在罐内高低位置不一,因此,若采用将螺栓倒过来焊接(螺栓头向下)在内壁上,再用螺母固定阳极的方法,在施工过程中会和其他设备位置发生冲突。因此,设计出焊接铁脚并在一端设置两处腰型孔,腰型孔和可更换铁脚的螺栓孔位置对应,用于和可更换单元的拆卸式连接[7]。一组可更换牺牲阳极两侧共配备两根焊接铁脚。焊接铁脚上设置腰型孔,安装可更换牺牲阳极时,可上下调节阳极的高低位置。

油田采出水中含有的大量固体悬浮物会自然沉降在罐底,六角螺栓的螺纹会被填满,给后期更换作业带来诸多不便，因此设计出防腐扣盒用于保护螺栓螺纹。防腐扣盒呈圆筒状，由两片相同的半圆环状扣盒组成。上、下端设有长方形定位口,焊接铁脚或可更换铁脚可穿过。每片扣盒的左右两侧设有逐一对应的凹孔或凸起，中部设有注胶口,用于注入发泡胶,防止固体悬浮物进入。

1.2 材料

沉降罐的主要用途为油水混合物的破乳和油水分离沉降[8],可更换牺牲阳极所处沉积水部位腐蚀介质温度较高,且含有大量的盐类(如氯化镁、氯化钠和氯化钙)、硫酸盐还原菌和固体悬浮物等[9-11]。由于温度高于54 ℃时锌基牺牲阳极可能发生极性逆转[12-15],因此所用材料选用铝-锌-铟系合金牺牲阳极。

实验设备:PerkinElmer ICP电感耦合等离子体发射光谱仪。

1.3 其他辅助材料

可更换铁脚和焊接铁脚选用板状铁脚,碳素结构钢制造,铁脚表面清洁无锈,并经喷砂处理[17]。

可拆卸式连接选用螺栓连接,螺栓选用六角螺栓,型号为M 16×65。

防腐扣盒用于保护螺栓螺纹,材质为PVC,和发泡胶配合使用。

可更换单元的型号和参数符合GB/T 4948-2002中表9储罐内用牺牲阳极[17]的相关要求,共分为四种型号,可用于不同规格储罐的内壁防腐施工。

2 可更换牺牲阳极的应用

可更换牺牲阳极在采油二厂马岭南采油作业区南联站1#沉降罐进行了应用。沉降罐容积均为2 000 m3,直径为15.84 m,高度为11.57 m,罐内介质工作温度为0～70 ℃,罐壁内部高度4 m以下区域和罐底内部是沉降罐内腐蚀的保护区域,腐蚀介质为采油污水[19-21]。

2.1 阴极保护设计目标

1)阴极保护有效期:8～10 a。

2)保护电位:-0.85～-1.1 V(相对铜/饱和硫酸铜参比电极)。

2.2 阴极保护设计参数

保护电流密度:30 mA/m2;

保护面积:495.39 m2;

设计寿命:8～10 a;

罐/水保护电位:-0.85 V(CSE);

阳极尺寸规格:[500×(115+135)×130][A×(B 1+B 2)×C];

单只阳极净重量:23 kg;

储罐阳极总需求数量:62支;

图2 储罐罐底阳极分布图

储罐罐壁阳极分布:阳极体中心距罐底1 000 mm处,均匀分布18支,距罐底3 000 mm处,均匀分布14支，小计32支,见图3。

图3 储罐罐壁阳极分布图

2.3 安装步骤

可更换牺牲阳极可用于罐内底板、壁板以及加热管束的防腐,首次安装时,需使用电焊机对焊接铁脚进行焊接安装。安装步骤如下:

1)安装焊接铁脚。根据阴极保护设计方案,阳极呈均匀分布，首先确定安装位置,使用电焊机将焊接铁脚焊接在储罐内表面。焊缝的缝隙全部焊透,确保无虚焊、假焊、砂眼,焊接质量确保达标[23]。

2)安装可更换单元。将可更换单元螺栓孔与焊接铁脚腰型孔进行对接定位，使用六角螺栓完成安装和固定。

3)安装防腐扣盒。将螺栓放置于两片防腐扣盒的空腔内，焊接铁脚或可更换铁脚穿过定位口,注入发泡胶直至溢出即可。

2.4 更换步骤

当可更换牺牲阳极达到设计年限或阳极材料消耗完后,需要对其进行更换。更换步骤为:

1)将防腐扣盒拆除,清理螺纹,拆卸螺栓。

2)将可更换单元拆除,将新的可更换单元按照2.3中安装步骤2)、3)进行更换。

2.5 应用效果

沉降罐防腐施工结束后,使用近参比法对罐内壁保护电位进行测试。测试方法是将饱和硫酸铜参比电极与信号线连接,从罐顶部将电极放入罐底,使用万用表测试。经测试保护电位为-0.955 V,达到SY/T 6536-2012《钢制储罐内表面牺牲阳极保护》要求,电位≤-0.85 V(相对CSE),沉降罐阴极保护效果良好。

3 结论

通过合理设计,研制出可更换牺牲阳极,用于储罐内壁防腐。可更换牺牲阳极的牺牲阳极材料和铁脚均符合国标相关技术要求,更换时无需进行切割和焊接作业,不损伤沉降罐内壁,有效延长沉降罐的使用寿命,消除腐蚀隐患,降低突发失效事故的频次，可有效降低工作强度,减少安全隐患。