高溫Al基犧牲陽極與涂層聯合保護的盤管防腐技術

陳懷兵, 張新發, 郭 亮

(1中石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 2低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室)

加熱盤管是儲罐中重要的附件之一，位于罐底水層位置，其擔負的重要作用是通過加熱給原油加溫、保溫，保證原油的正常脫水[1]。造成盤管無法運行的主要原因是腐蝕引起的破漏，包括對管體外壁、內壁以及法蘭連接處的腐蝕。其中，外壁腐蝕最為嚴重，由于外壁直接接觸富含細菌、溶解氧、H2S、CO2、Cl-等各種腐蝕性化學物質的污水，極易發生腐蝕，導致加熱盤管的運行周期難以與儲罐大修周期同步，儲罐的大修周期一般為5～7年，加熱盤管常常1～2年就頻頻穿孔，有的甚至半年就需要更換。近年來，長慶油田儲罐維護內容中盤管維護比例最高，費用占比30%以上[2]。

1 加熱盤管腐蝕機理

2)溶解氧的影響。油田污水中含有溶解氧將加劇腐蝕[9]，氧的電極電位高，具有較強的氧化勢和陰極去極化能力，促進金屬的腐蝕，腐蝕產物主要為Fe2O3和Fe(OH)3，腐蝕形貌主要為局部腐蝕和點蝕。

3)H2S與CO2的影響。H2S、CO2通常引起電化學腐蝕，管道泄漏穿孔事故的發生是由于點蝕和均勻腐蝕共同引起[10]。H2S溶于水呈酸性，增加水的腐蝕性，H2S與鋼鐵作用生成FeS；同時，硫化氫可向金屬內部滲透形成氫脆破壞。CO2溶解在水中，生成碳酸，會降低pH值，加劇腐蝕，腐蝕產物主要是FeCO3。

表1 沉降罐水質分析

5)溫度的影響。溫度升高，電化學腐蝕加劇，在50℃～70℃區間碳鋼局部腐蝕最為突出，腐蝕速率出現一個極大值；管壁溫度達到90℃左右時腐蝕速率再次出現極大值。另外，經盤管加熱后罐內溫度環境(50℃～70℃)適宜SRB的繁殖生長，促進了細菌腐蝕。

6)其他因素的影響。腐蝕產物、懸浮物、乳化物、機械雜質、泥沙、細菌代謝產物以及油膜等吸附于管壁后形成污垢，在污垢堆積處發生嚴重的垢下腐蝕，并且污垢有助于細菌生長，強化了細菌腐蝕。

總體而論，加熱盤管的腐蝕破壞是在中高溫環境下電化學腐蝕與細菌腐蝕共同作用的結果，短時間即可造成管體穿孔、破漏，設備停擺。

2 現有防腐工藝

長慶油田儲罐加熱盤管防腐主要采用環氧富鋅涂層防腐工藝，一般是在完成盤管制作、安裝、噴砂、除銹等工序后進行現場噴涂，隨著采出水腐蝕因子增多、腐蝕加劇，這種工藝已不能滿足加熱盤管防腐的要求，暴露出一些問題：

1)耐溫性較差。加熱盤管內通蒸汽或高溫熱水，在高溫強腐蝕環境下，極易在短時間內老化、龜裂或脫落。

2)抗滲性較差。涂層將金屬與介質隔開以起到保護金屬的作用，但由于涂料固化時易產生氣泡等缺陷[13]，腐蝕性離子及水分子易穿過涂層達到金屬表面，造成金屬與防護層之間形成較小的縫隙，導致膜下腐蝕。

3)施工易出現缺陷。施工過程易出現針孔缺陷，造成金屬裸露形成小陽極、涂層部分成為大陰極而產生局部腐蝕電池形成點蝕，加速腐蝕，進而使漆膜破壞得更為嚴重。

4)涂層附著力較差。經加熱盤管加熱后，水層溫度一般處于50℃～70℃之間，涂層長期在強腐蝕性的水層中浸泡，涂層極易出現漆膜鼓泡、破裂、剝離等現場，導致大面積涂層脫落，盤管金屬本體暴露，形成腐蝕穿孔，從現場清理的盤管看，基本不存在完整的漆膜。

3 犧牲陽極-涂層聯合保護方法

采用犧牲陽極與涂層聯合保護是儲罐加熱盤管的長效綜合防護方法之一。使用涂層有利于減少犧牲陽極材料的用量，延長陽極壽命；當涂層出現缺陷或發生脫落時，犧牲陽極為其提供保護電流，使發生缺陷和脫落處成為陰極，從而減緩腐蝕，聯合保護只需較小的電流就可將被保護的盤管極化至保護電位；此外，采用絕緣法蘭、絕緣墊片等將加熱盤管與罐底、罐壁進行絕緣隔離，將加熱盤管作為獨立系統進行保護，發揮犧牲陽極的最大作用大大延長使用周期。這種聯合保護具有如下優點：

1)降低陰極保護的電流密度，縮短陰極極化時間。

2)改善電流的分布，擴大保護范圍。

3)延長防腐層的使用壽命。

3.1 犧牲陽極研發

目前Al-Zn-In系合金是研究最多、應用最廣的一類鋁合金犧牲陽極材料，再添加鎘、錫、硅、鎂等元素構成四元或五元合金，可進一步改善鋁陽極的性能[14]。由于盤管內通水蒸氣或熱水且外部腐蝕環境惡劣，選擇以Al-Zn-In-Mg-Ti合金為基礎，添加合金元素Bi并優化合金設計，開發出適應于儲罐加熱盤管環境的新型耐高溫犧牲陽極材料Al-Zn-In-Mg-Ti-Bi[15]。對合金陽極進行極化曲線檢測，見圖1，60℃/90℃時極化曲線極化曲率較小、電極反應阻力也較小，未發生鈍化，反應容易進行。

圖1 Al-Zn-In-Mg-Ti-Bi犧牲陽極60℃/90℃的極化曲線

采用國家標準GB/T 17848-1999的采取加速試驗法測定陽極Al-Zn-In-Mg-Ti-Bi的電流效率。在設定試驗周期內，通入恒定電流進行極化，通過調節可調電阻使陽極電流密度保持在表2的規定值，測量工作電位，計算實際電容量和電流效率，結果見表3。

表2 Al-Zn-In-Mg-Ti-Bi犧牲陽極電流密度值

表3 Al-Zn-In-Mg-Ti-Bi犧牲陽極電化學性能

3.2 防腐涂層的選擇

涂層選用GTC-2涂層，由改性樹脂、固化劑、特殊材料組成的高性能特種環氧涂料，依據標準GB/T 50393-2008《鋼制石油儲罐防腐蝕工程技術規范》，測定GTC-2涂層的多項指標，檢測試驗結果見表4。GTC-2涂層對具基材有超強的滲透和包裹作用，依靠極性基團與界面金屬原子反應形成極為牢固的化學鍵，增強了涂層與基材的附著力，漆膜堅固、耐磨損，提高了涂層的整體耐腐蝕性能；此外，還具有良好的耐高溫性能、熱傳導性能及良好的涂裝性能。

3.3 加熱盤管室內腐蝕試驗

室內采用與現場同材質的管材按比例制作加熱盤管，加熱盤管表面涂裝GTC-2涂層，焊裝Al-Zn-In-Mg-Ti-Bi陽極棒，模擬的加熱盤管浸沒于現場采出水中(聯合站1水樣)。內部采用經電熱器加熱的自來水進行循環，環境水溶液溫度為45℃～70℃，試驗時間150 d。檢測離陽極不同距離處的極化電位，實驗結果見表5。

表4 GTC-2 涂層性能檢測結果

表5 極化電位測試結果

試驗結果表明：Al-Zn-In-Mg-Ti-Bi犧牲陽極略有消耗但溶解均勻，腐蝕產物自動脫落。涂裝GTC-2的盤管管材表面覆蓋有腐蝕產物，清理產物后管材表面光潔，管體未見明顯腐蝕，表面平整，無脫落和鼓泡現象；Al-Zn-In-Mg-Ti-Bi犧牲陽極與GTC-2的聯合保護起到了良好作用。

4 現場試驗及應用

截至目前，該技術在長慶油田隴東、靖安、姬塬等含水高、腐蝕嚴重的區域進行現場試驗和應用超過20余具罐，主要罐體規格為1 000～5 000 m3。嚴格按照設計方案和施工標準要求進行防腐施工，待整個儲罐防腐施工完成后對加熱盤管保護電位進行近參比法測量以評價其保護效果，測試裝置見圖2。測試結果顯示保護電位均≤-0.85 V。對于同樣的儲罐，采用常規涂料防護的加熱盤管一般2年左右甚至更短時間即破漏，導致清罐、停產；采用聯合保護技術后，新技術使用至少可以延長盤管使用壽命一倍以上，部分站點延長3倍，見表6。

圖2 近參比法測試裝置

表6 加熱盤管保護電位測試及運行狀況

5 結論與建議

2)耐高溫Al-Zn-In-Mg-Ti-Bi犧牲陽極與GTC-2涂層的聯合保護防腐技術適應于高含水、高腐蝕性的的環境，具有優良的綜合防腐性能，聯合保護技術可將加熱盤管壽命提高至少1倍以上，部分站點延長3倍。

3)建議在高含水、高腐蝕性的隴東、靜安、姬塬等油區進一步推廣此防腐工藝試驗，并且將此工藝技術擴至儲罐整體防腐，實現對儲罐、加熱盤管的共同保護。