油田鋼質常壓儲罐氣相緩蝕劑霧化技術研究與應用*

龍媛媛1，劉晶姝1，李開源，李 薛1，楊為剛

(1.中國石油化工股份有限公司勝利油田技術檢測中心,山東 東營 257000；2.中國石油化工股份有限公司勝利油田檢測評價研究有限公司,山東 東營 257000)

勝利油田共有鋼質常壓儲罐980臺，其中運行時間超過10 a的儲罐占59.7%，儲罐氣相區的腐蝕介質主要為O2，CO2和H2S，其腐蝕性極強。隨著儲罐服役時間的延長，內防腐層的防護性能逐漸下降，甚至出現局部鼓泡和脫落現象，導致罐頂及罐頂層圈板部位頻繁穿孔，降低了儲罐的承壓強度，引起CO2和H2S等有毒有害氣體泄漏，嚴重危害儲罐的安全運行及從業人員的人身安全[1-2]。目前勝利油田已有約4 000口含H2S的采出井，且H2S的含量逐年升高，隨著CO2驅油技術的實施，采出井中的CO2含量也將急劇增加，儲罐氣相區的腐蝕將更加嚴重[3]。因此，氣相區的有效防護是延長儲罐使用壽命，確保儲罐安全運行的關鍵，目前常采用涂層與緩蝕劑相結合的方法來對儲罐進行防護，而傳統的液相緩蝕劑則無法應用到儲罐氣相區，因此有必要研究氣相緩蝕劑。

氣相緩蝕劑又稱為揮發性緩蝕劑，在常溫下能自動揮發出具有緩蝕作用的氣體擴散到金屬表面，從而抑制金屬的腐蝕，氣相緩蝕劑不必直接接觸金屬表面，就能使金屬制品的內腔、管道、溝槽和縫隙等內外表面部位得到保護[4]。近年來氣相緩蝕劑在各種工業設備、鋼筋混凝土和機電產品等領域都有著廣泛的應用，遍布石化、電力、電子、建筑和造船等各個行業，但氣相緩蝕劑在原油儲罐氣相區的應用卻鮮有報道[5]。雖然氣相緩蝕劑具有一定的揮發性，但是由于儲罐氣相區空間較大，僅僅依靠氣相緩蝕劑自身的揮發能力并不能滿足其對整個儲罐頂部的防護要求，因此需要開發常壓儲罐氣相緩蝕劑霧化技術來實現對儲罐氣相區的有效防護。

針對油田鋼質常壓儲罐氣相區的防護，開發了氣相緩蝕劑霧化技術，采用氣相緩蝕劑霧化裝置對優選的氣相緩蝕劑氨基乙酸溶液進行霧化，通過霧化噴環將其加注到儲罐氣相區，實現對儲罐氣相區的有效防護。

1 氣相緩蝕劑霧化技術研究

1.1 氣相緩蝕劑優選

根據儲罐實際工況條件下的濕氣腐蝕環境，其腐蝕介質主要為O2，CO2和H2S，且含量較高，模擬了4種氣相環境，采用高溫高壓反應釜進行腐蝕掛片試驗，對碳酸環己胺、氨基乙酸、苯甲酸銨和1-羥基苯并三氮唑共4種氣相緩蝕劑的緩蝕效果進行評價，試片材質為Q345R鋼，試驗條件為：溫度50 ℃，壓力0.15 MPa，試驗周期7 d，緩蝕劑質量濃度100 mg/L，反應釜內加入某聯合站外輸污水，其加入量約為釜體容積的四分之一，再通入相應壓力的腐蝕性氣體。試驗結果見表1。

表1 氣相緩蝕劑的緩蝕性能評價結果

由表1可以看出：不同的氣相緩蝕劑在不同的氣相環境中的緩蝕效果各不相同，在H2S含量較高的氣相環境中，碳酸環己胺的緩蝕率較高；在O2或CO2含量較高的氣相環境中，苯甲酸銨的緩蝕率較高；在各種氣相環境中，1-羥基苯并三氮唑的緩蝕效果均較差，而氨基乙酸則具有良好的緩蝕性能，其緩蝕率均大于90%。因此，優選氨基乙酸作為氣相緩蝕劑進行霧化工藝優化試驗。

1.2 氣相緩蝕劑霧化裝置設計

為實現氣相緩蝕劑的均勻霧化以及對整個儲罐氣相區的全面覆蓋，設計了一種新型的氣相緩蝕劑霧化裝置，如圖1所示。氣相緩蝕劑霧化裝置采用分體式結構，可單獨置于罐外，主要由超聲霧化控制器、增壓泵電源控制箱和霧化噴環三部分組成。增壓后的氣相緩蝕劑溶液在超聲霧化控制器中霧化，通過聚氯乙烯(PVC)管，經霧化噴環從儲罐的透光孔通入儲罐氣相區中。霧化噴環結構如圖2所示。從圖2可以看出，霧化噴環直徑為45 cm，略小于儲罐的透光孔直徑；霧化噴環均勻布置有8個霧化噴嘴。其霧化半徑為1.8 m，霧滴粒徑小于20 μm，且噴霧量可調，能保證霧化覆蓋率及均勻性。

圖1 氣相緩蝕劑霧化裝置

圖2 霧化噴環結構示意

1.3 氣相緩蝕劑霧化工藝優化試驗

1.3.1 最佳噴霧質量濃度選定試驗

模擬儲罐實際工況條件下的濕氣腐蝕環境，采用電化學極化曲線測試法來選定最佳噴霧質量濃度。試片材質為Q345R鋼。試驗條件：溫度50 ℃，壓力0.15 MPa(O2分壓為0.05 MPa，CO2分壓為0.05 MPa，H2S分壓為0.05 MPa)；氣相緩蝕劑氨基乙酸溶液經超聲霧化控制器霧化后通入電解池，噴霧質量濃度分別為50，100，150，200和300 mg/L，噴霧持續時間為10 min，以保證試片表面形成均勻的緩蝕劑保護膜；往電解池內加入某聯合站外輸污水，其加入量約為電解池容積的四分之一，將電解池置于玻璃恒溫水浴鍋中。試驗結果見表2。

表2 不同噴霧質量濃度的試驗結果

由表2可知：當噴霧質量濃度為100 mg/L時，緩蝕率達到88.30%，已滿足儲罐氣相區的防護要求，再繼續增加噴霧質量濃度，緩蝕率增速變緩，綜合考慮防腐蝕效果與經濟性，確定氣相緩蝕劑的最佳噴霧質量濃度為100 mg/L。

1.3.2 最佳噴霧時間間隔選定試驗

由于氣相緩蝕劑霧化工藝在金屬表面形成的緩蝕劑保護膜作用時間有限，因此需要在一定的噴霧時間間隔下進行持續噴霧。采用高溫高壓反應釜進行腐蝕掛片試驗來確定最佳噴霧時間間隔。試片材質為Q345R鋼。試驗條件：溫度 50 ℃，壓力0.15 MPa(O2分壓為0.05 MPa，CO2分壓為0.05 MPa，H2S分壓為0.05 MPa)；反應釜內加入某聯合站外輸污水，其加入量約為釜體容積的四分之一；氨基乙酸溶液經超聲霧化控制器霧化后通入反應釜內，噴霧質量濃度為100 mg/L，噴霧持續時間為10 min，保證試片表面形成一層均勻的緩蝕劑保護膜，設置12 h，24 h和48 h等不同的噴霧時間間隔，試驗周期為8 d。試驗結果見表3。

表3 不同噴霧時間間隔的試驗結果

由表3可知：當噴霧時間間隔為12 h時，試片表面凝結過多的水，容易加重濕氣環境下的腐蝕，因此對應的緩蝕率最低；當噴霧時間間隔為48 h時，由于無法保證氣相緩蝕劑在試片表面成膜的連續性，因此其緩蝕率也較低；當噴霧時間間隔為24 h時，既能保證氣相緩蝕劑在試片表面成膜的連續性，又不會使試片表面凝結過多的水，緩蝕劑起到了較好的緩蝕效果，其緩蝕率大于90%，因此確定氣相緩蝕劑最佳噴霧時間間隔為24 h。

2 氣相緩蝕劑霧化技術應用

在勝利油田某聯合站的一臺5 000 m3原油沉降罐上應用了常壓儲罐氣相緩蝕劑霧化技術，增壓后的氨基乙酸溶液在超聲霧化控制器中霧化，經霧化噴環從儲罐的透光孔通入儲罐氣相區，噴霧質量濃度為100 mg/L，噴霧時間間隔為24 h，每次噴霧持續時間為1 h。在儲罐氣相區懸掛試片，試片材質為Q345R鋼，試驗溫度為 52 ℃，腐蝕性介質含量見表4，試驗周期為一個月，試驗后對試片進行處理和稱量，計算試片的腐蝕速率和緩蝕劑的緩蝕率，氣相緩蝕劑霧化技術應用前后的對比試驗結果見表5。

表4 儲罐氣相區腐蝕性介質

表5 氣相緩蝕劑霧化技術應用效果

由表4和表5可見：現場儲罐氣相區中同時含有較高含量的O2，CO2和H2S，其腐蝕主要受凝結水與O2，CO2以及H2S協同腐蝕作用的影響，未采用氣相緩蝕劑霧化技術前，試片的腐蝕速率高達0.145 6 mm/a，采用氣相緩蝕劑霧化技術后，試片的腐蝕速率降至0.012 8 mm/a，緩蝕率達到91.21%，緩蝕性能優異且霧化覆蓋范圍也能滿足5 000 m3儲罐的防護要求。

3 結 論

(1)油田鋼質常壓儲罐氣相區腐蝕嚴重，罐頂及罐頂層圈板頻繁穿孔，這主要受凝結水與O2，CO2和H2S協同腐蝕作用的影響。

(2)優選了氨基乙酸氣相緩蝕劑，設計了一種新型的氣相緩蝕劑霧化裝置，并通過氣相緩蝕劑霧化工藝優化試驗，確定了最佳噴霧質量濃度為100 mg/L，最佳噴霧時間間隔為24 h。

(3)未采用氣相緩蝕劑霧化技術前，儲罐氣相區腐蝕較為嚴重；采用氣相緩蝕劑霧化技術后，儲罐氣相區腐蝕程度明顯減輕，起到了較好的防護效果，緩蝕率達到91.21%，實現了鋼質常壓儲罐氣相區的有效防護，充分抑制了罐頂及罐頂層圈板的腐蝕，延長了儲罐的使用壽命，保障了安全生產及人身安全。