【《某油气田开发工程的腐蚀与防护方案设计案例》8400字】

3目录TOC\o"1-3"\h\u5740某油气田开发工程的腐蚀与防护方案设计案例 127441.1平台防腐概述 1258861.2平台钢结构涂层防腐设计 265231.2.1海洋油气集输防腐涂料介绍 2136751.2设备内部阴极保护 6275041.2.1阴极保护方式 6197261.2.2设计中需考虑的因素 6311361.2.3牺牲阳极 7108411.2.4腐蚀监测 8135201.3平台钢结构阴极保护设计 8163101.3.1阴极保护范围 8244731.3.2阴极保护法 8163541.3.3方法对比 866891.3.4牺牲阳极保护法设计 9105661.3.5阳极铸造 12134731.3.6阴极保护监测系统的发展与应用 131.1平台防腐概述平台防腐设计分为钢结构外防腐、工艺设施内防腐、腐蚀监测等内容。主要措施有增加涂层、阴极保护、缓蚀剂注入等。防腐范围包括平台的下部导管架及附属结构，上部组块钢结构、设备设施以及管线等。平台下部结构浸没于盐度高、电阻率低的海水中，外部遭受海水腐蚀，上部组块设施处于湿度大、盐度高的海洋大气中，外部遭受海洋大气腐蚀。管线、容器等设施内部根据其不同的输送介质、操作条件等，也存在不同程度腐蚀的可能。本项目采出物流含有一定量的CO2，工艺系统内部主要遭受湿CO2腐蚀。大气区钢结构长期位于海洋大气环境中，通常采用高性能防腐涂料进行防腐。飞溅区钢结构受波浪的冲刷，干湿交替，有些海域冬季还会受到冰的磨蚀和撞击，该区域通常采用耐磨耐冲刷的防腐涂料进行防腐，同时增加钢材壁厚，即考虑一定的腐蚀裕量，阴极保护对飞溅区也有一定的保护作用。全浸区包括海水和海泥中的结构，该区域的腐蚀与海水的盐度、温度、酸度、含氧量和海生物等有关，通常需要多种方法结合使用。内防腐是指平台上设备和管道内部。根据介质的性质进行有效的腐蚀监测。因此，平台防腐不仅需要考虑海洋环境条件导致的外部腐蚀，还需要考虑平台设施的内部腐蚀。1.2平台钢结构涂层防腐设计通常划分三个腐蚀区域：大气、飞溅和全浸区。针对各区域的腐蚀特点分别采取相应的防腐措施，具体可分为涂层防腐和阴极保护防腐。大气区：飞溅区以上，暴露在光照、雨水、雾气的部分。金属配件组合成套时应用密封焊接，避免产生易和大气产生腐蚀的组合结构。使用性能高的防腐材料和涂层。飞溅区：会受到海风、波浪和潮汐影响的区域，干湿轮换交替非容易造成腐蚀。我们需要增加这个区域设备设施的壁厚、多层涂层保护与阴极保护联合等方法。全浸区：飞溅区下、海水中、海水下的所有构件，阴极保护最佳。1.2.1海洋油气集输防腐涂料介绍（1）特点1）由于施工在海上进行，有诸多限制，大多数涂料都是常温固化型，更有甚者被要求在-15℃以下就能够固化然后在物体表面形成保护膜。2）涂层较厚，大多数属于高固体分或厚浆型，对施工性能如防流挂、防开裂、消泡和流平等要求较高。3）产品性能对底材的表面处理水平依赖性很强，表面处理要求比较严格。4）施工方法仅有刷涂、辊涂和喷涂，一般要求无气喷涂。（2）性能要求1）开罐性能。贮存稳定性、流变稳定性及冷热循环稳定性等要好，开罐后不分层、无沉淀（或松散沉淀，容易搅起）。2）技术性能。满足环境要求，包括耐化学介质、盐水、盐雾、耐湿热、耐油、耐大气老化等。3）施工性能。适合于不同的方法和环境，干燥速度快，性能好。（3）涂料分类1）按涂料的配套和施工要求分类。①车间底漆：预处理钢材表面的暂时性保护，有效期一般为半年，膜厚20m左右。②防腐底漆：按性能分屏蔽型、钝化型、阴极保护型。③中间漆：增强底漆附着力，也能起到屏蔽的作用。④面漆：起装饰、保护和特种功能作用。2）按成膜物质分类。环氧树脂系列产品：有高固体分、水性环氧和无溶剂环氧等系列产品，可用于底漆、中间漆和面漆。氯化聚烯烃涂料：包括底漆和面漆。3）海洋工程防腐涂料的发展趋势。高性能和环境友好型涂料是未来发展方向。提高涂料的防腐性能和环保、职业健康及安全指标主要侧重于以下几个方面：①更加合理的长效保护。海上维修困难，需要保证涂料的使用年限很长；②高固体分和厚膜化涂装是提高防腐性能的有效途径，同时减少对环境的危害，但存在的流挂、流平、消泡及附着问题还有待改进；③开发新材料、技术来匹配不同腐蚀环境。同时开发和应用低污染高性能的防锈填料；④改进防腐涂料性能测试和评价的方法，缩短涂料的研究周期；⑤提高装饰性和功能性的要求，向多功能特种涂料方向发展。（4）涂层系统选择考虑因素1）安全环保：满足相关法律法规的要求；2）环境：包括气候、温度、介质等；3）腐蚀区，应分别考虑；4）施工性能：易用常规设备涂敷和维修；5）材料性能：耐老化、抗冲击等；6）设计寿命；7）材料及施工费用。（5）涂层系统如表1.1为海上平台结构及设施常用的涂层系统，目前世界上有海洋工程资质的油漆厂商均有相应的配套产品，随着涂料技术的发展，一些新的品种如氟碳漆等在海洋工程中也有应用。表1.1平台结构及设施常用涂层系统所涂敷的部位涂敷道数涂层材料干膜厚度/μm飞溅区结构及设施第一道环氧底漆100第二道环氧玻璃鳞片500第三道环氧玻璃鳞片400大气区钢结构、房间墙体、管线、容器等的外表面（＜120℃）第一道环氧富锌底漆50～75第二道环氧云铁漆200第三道聚氨酯漆60保温管线、容器等的外表面（＜120℃）第一道酚醛环氧涂料150第二道酚醛环氧涂料150工作甲板或直升机甲板第一道环氧富锌底漆50～75第二道耐磨环氧涂料200第三道耐磨环氧涂料200第四道聚氨酯漆50保温管线、容器等外表面（＜400℃）第一道无机硅酸锌50～75第二道硅酮铝50生产水、污水、海水等容器的内表面（＜120℃）第一道酚醛环氧涂料100第二道酚醛环氧涂料100第三道酚醛环氧涂料100淡水罐内表面第一道环氧涂料100第二道环氧涂料100第三道环氧涂料100栏杆、扶手等镀锌件第一道环氧涂料100第二道聚氨酯漆60容器或设备的内表面第一道环氧导静电涂料底漆150第二道环氧导静电涂料面漆150（7）表面处理此步为涂装施工的关键，直接影响涂层的防腐性能及寿命。1）钢材表面处理等级。常用的标准有GB8923《涂装前钢材表面锈蚀等级和除锈等级》SY/T0407《涂装前钢材表面预处理规范》美国钢结构委员会（SSPC）《表面处理规范》ISO8501-1《涂料和相关产品施工前钢基处理一表面处理的目视评定：第一部分》瑞典标准Sl055900等。[21]国际通用表面处理标准对比见表1.2。表1.2表面处理标准对比表面处理等级SSPCSPSIS055900NACEISO8501溶剂清洗SP1手动工具清理SP2St2St2动力工具清理SP3St3St3燃烧清理SP4F1喷砂处理白金属SP5Sa3No.1Sa3喷砂处理商用级SP6Sa2No.3Sa2喷砂处理清扫级SP7Sa1No.4Sa1化学清洁SP8喷砂处理近白金属SP10Sa2.5No.2Sa2.5机动清洁裸金属SP11湿喷砂No.5表面粗糙度的确定：金属表面有一定的粗糙度有利于增强涂层的黏结力。根据所选择的涂层系统决定金属表面的粗糙程度，并征求涂料生产厂家的意见。2）喷砂设备及磨料要求。常用的喷砂清理方法有离心叶轮式清理和空气喷砂清理。离心叶轮式适用于制造厂，清理机对焊件进行金属磨料处理，相较于现场处理来说他们处理同一个尺寸的工件离心式的费用要更便宜。大件、形状不规则的必须用空气喷砂清理。参照SY/T0407-97《涂装前钢材表面预处理规范》进行离心式喷砂清理。现场清理、装配工工作时，用空气、平台维修等使用自动清理机不便于操作的，用空气喷砂是最佳的。清理设备的空气管路上必须使用油/水分离器，且装配有便于日常维护维修的过滤器。分多个批次，进行至少一轮的测试。为设备供应空气的压力在喷嘴处至少为，690kPa（100psi）。压缩机应装配有适当的安全操作装置。生产需要保证一定的表面粗糙度，喷砂清理选用清洁的、各种等级的磨料（见SY/T0407-97《涂装前钢材表面预处理规范》），磨料中水溶氯化物含量不大于125ppm，水溶硫酸盐含量不大于200ppm，不含黏土、石灰石、贝壳、过小或过大的颗粒、有机物质和其他有毒有害的物质。为防止磨料在处理时对环境造成不必要的污染，应根据SY/T0407-97《涂装前钢材表面预处理规范》选用一些特定化学药剂除去所有油类污染物。定期用粗糙度试片在清理机上以经典速度进行处理，验证是否在合适的粗糙度范围里。用于表面处理的安全设备应包括但不限于如下内容：①经过权威认证的空气喷射防护罩，固定牢靠且不挡操作视线；②能调压的、并且用活性炭过滤处理后用于操作呼吸使用的压缩气源；③操控人员自行控制的事故自动刹车遥控阀；④操作者防护服、手套等；⑤操作者安全带；⑥合适的脚手架；⑦合适的照明。1.2设备内部阴极保护1.2.1阴极保护方式海上油气田的开采和集输过程中有大量的生产污水和生活污水，其中含有油、氯离子等，会对设备内壁产生一定的危害。是一种有效对内壁进行保护的措施。分为牺牲阳极、强制电流。牺牲阳极法安装简便，易于维护，为海洋平台设备内部常用的阴极保护方式。设备内部采用涂层和阴极保护联合的方式，比如开、闭排罐容器内壁同时需安装牺牲阳极。1.2.2设计中需考虑的因素（1）内部空间内部空间小，表面不规则，要布置阳极，让保护电流均匀分布在内壁。（2）涂层应结合内涂层的质量，确定保护电流密度。（3）介质介质的pH、电阻率和含氧量等对阴极保护有很大影响，如果含有二氧化碳或硫化氢酸性气体，其对牺牲阳极本身也有一定腐蚀。（4）温度是对牺牲阳极性能影最大的参数，高温下必须考虑的问题是：镁的消耗率和锌的极性逆转。（5）不同材质的连接对于不同材料的装置要考虑电偶腐蚀的影响，如有时碳钢设备与不锈钢等材质的管道相连接。（6）电绝缘平台上很多都是电气设备，无法实现完全的电绝缘，用阴极来保护电流的流失。（7）密闭性设备内部是相对的密闭空间，在此环境下的阴极保护所产生的氧气和氢气有引起爆炸的危险，尤其是强制电流的保护方式，设计时应充分考虑。1.2.3牺牲阳极（1）材料牺牲阳极材料有铝、镁、锌合金，根据介质的成分、电阻率和温度等来选用。铝合金用于电阻率＜1000cm的环境中。它的电容量大，比同质量的镁、锌的使用寿命长。温度对铝合金阳极的性能有很大影响，当温度高于49℃时，阳极电流效率低。GB/T4948《铝-锌-铟系合金牺牲阳极》中给出了铝合金阳极的详细成分，设计时可参考选用。镁合金一般用于电阻率高于100Ω·cm的环境中，其阳极的电流效率较低，且其驱动电位较高，电流发出量大，使用寿命较短。锌合金阳极受温度影响较大，通常当温度达到54℃时，锌极性发生180°逆转加速材料的腐蚀速度，设计时要谨慎采用。（2）类型设备内壁用牺牲阳极有长条形、圆盘形及条形等，根据设备形状和内部空间来选用，目前市场上有各种形状的成品阳极。（3）电化学性能阳极电容量是重要的设计参数，直接影响所用阳极的重量和数量。因受到设备空间和介质成分、温度等的影响，阳极的实际电容量往往低于理论值。各种阳极的电容量取值如下表1.3所示。表1.3阳极材料电容量取值阳极材料电容量/（A·h·kg-1）常用值/（A·h·kg-1）铝合金400～20001300镁合金1000～11001000锌合金700～800800（4）阳极安装布置牺牲阳极通过铁脚与设备内壁进行焊接，可安装在底部和侧面。要使保护电流均匀分布，尽量避免设备内部构件所产生的屏蔽作用。阳极与设备内壁相对面要进行涂装，采用环境涂料，厚度为250μm。（5）牺牲阳极设计步骤1）计算保护面积：根据尺寸计算设备内部浸液面积，包括内部附属结构设施。2）确定密度：看材料的腐蚀严重程度，一般裸钢的保护电流密度为50～400mA/m2，常用的为100mA/m2。1.2.4腐蚀监测在工艺管线中安装腐蚀挂片和探头，实时监控介质的腐蚀状况。挂片的材质要跟管线材质相同，安装一段时间需取出测量重量损失，可确定腐蚀速率，来反映管线的腐蚀情况。腐蚀探头通过自身体积的微小变化侧面反映介质的腐蚀情况，其与数据采集传输设备和专用的处理软件相结合，能够对腐蚀环境连续测量，即时反映腐蚀情况。监测数据有指导缓蚀剂注入的意义。腐蚀监测系统在海洋平台上普遍应用，应合理设计挂片和探头的数量以及安装位置，使其能够全面反映平台的内腐蚀状况。一般在缓蚀剂注入口的前后位置安装腐蚀挂片和探头，以便反映缓蚀剂加入后的防腐效果；同时在每口生产井的出口管线以及管汇总管等其他工艺系统的关键位置安装挂片和探头。1.3平台钢结构阴极保护设计1.3.1阴极保护范围保护范围包括全浸、飞溅、海泥区中的钢结构和设施，比如导管架、导管、护管、桩和相连设施等。1.3.2阴极保护法（1）强制电流法：用外部电流直接给被保护金属通电，这样金属的极性就发生了变化，从易腐蚀的阳极转变为阴极，从而实现保护。（2）牺牲阳极法：用更活泼的金属和被保护金属连成一个系统。活泼的金属先溶解，让保护金属极化，实现保护。1.3.3方法对比强制电流法和牺牲阳极法优缺点见表1.4所示。表1.4阴极保护法优缺点对比方法强制电流法牺牲阳极法优点电流连续可调不用外部电源保护范围大对邻近构筑物干扰小不受环境的电阻率限制易于管理和维护工程越大越经济工程越小越经济保护装置寿命长保护电流分布均匀、利用率高缺点维护、管理工作量大高电阻环境不宜使用需要外部电源保护电源不可调邻近金属构筑物会受干扰涂层质量要好消耗有色金属综合考虑涂层状况、环境、规模的大小和效益等因素。外加电流保护需要长期的直流电源和调控设备，需配备管理和维修人员，对于海洋钢结构如采用外加电流保护，技术要求高、施工难度大。牺牲阳极能够长期保护、安全、管理简便，适用于海洋环境。不便于维修的海上设施其环境电阻率较小，可充分发挥牺牲阳极，所以采用牺牲阳极的保护方法。1.3.4牺牲阳极保护法设计（1）保护电流密度：分为初、中、末期。①初期电流密度：一般大于平均电流密度和末期电流密度，其大小取决于导管架初期极化的需求，取值合理能使导管架快速极化，达到稳定状态。②平均（中期）电流密度：指阴极保护系统经初期极化后处于稳定的保护状态时的电流密度，用于计算牺牲阳极的质量，在稳定的保护状态时，阴极和阳极电位差较小，因此其数值要小于初期和末期电流密度。③末期电流密度：取决于导管架表面保护层的破坏程度，在阴极保护末期，导管架的保护层会因某种原因发生破损，导管架需要再极化。因此，末期电流密度一般小于初期电流密度，但又大于平均电流密度。取值受到所保护钢结构表面状况和环境影响。钢结构表面状况包括涂层、腐蚀产物、沉积物等；环境因素包括水盐度、溶解氧、悬浮沙、海生物、海水温度、电阻率、流速等。海上环境多变，有时无法计算和测量，我们需要参照相应标准，结合经验来确定电流密度。DNV-RP-B401-2005按水深、海域给出了钢结构在海水中的初、末保护电流密度及参考取值，[22]见表1.5和1.6。表1.5初期、末期保护电流密度的参考值水深H/m初期和末期保护电流密度/（mA·m-2）热带亚热带温带北极初期末期初期末期初期末期初期末期0～305010017011020013025017030＜H≤10020801409017011020013010＜H≤3004090160110190140220170＞300180130200150220170220170表1.6平均保护电流密度的参考值水深H/m平均保护电流密度/（mA·m-2）热带（＞20℃）亚热带（12～20℃）温带（7～12℃）北极（＜7℃）0～3070801001203＜H≤1006070801001＜H≤300708090110＞30090100110110DNV推荐海泥中钢结构的电流密度为20mA/m2。（2）保护电流：保护电流密度×被保护的面积。通常情况下，导管架飞溅区会有保护涂层，海水和海泥中的保护电流密度也不相同，因此在计算导管架面积时应对飞溅区、海水区和海泥区分别计算，计算应包括井口隔水套管及其他附属设施，每口井应另外补偿1.5～5A的电流。用总平均保护电流得到牺牲阳极的需求量。（3）最小保护电位：使被保护金属停止腐蚀时的电位值。导管架实施阴极保护时，电位应最小负移300mV，相对于Ag/AgCl（海水）参比电极，保护电位取：-0.80V。（4）平均电流保护密度选择海上平台平均电流保护密度的选择如表1.7所示。表1.7平均保护电流密度区域平均保护电流密度，mA/m2飞溅区带涂层表面30全浸区裸钢表面80海泥区裸钢表面20每口井排流补偿5A（5）阳极材料：牺牲阳极通过自身的消耗对导管架起到保护作用，要达到长期有效的保护，它的选择至关重要，应具备：①需要保证它本身的性质非常稳定；②阳极极化小，能够基本溶解，产物能够很好的分离；③使用寿命很长，单位质量的电容量大；④价格便宜。选长条形铝-锌-铟系合金做牺牲阳极材料。20℃在海水中电化学性能应满足要求，见表1.8、1.9所示。表1.8铝-锌-铟系合金等阳极材料的化学组成种类化学组成（质量分数）/%ZnInCdSnMgSiFeCulAl-Zn-In-Cd2.5～4.50.018～0.0500.005～0.020--＜0.10≤0.15≤0.01余量Al-Zn-In-Sn2.2～5.20.020～0.045-0.018～0.035-＜0.10≤0.15≤0.01余量Al-Zn-In-Si5.5～1.00.025～0.0350.10～0.15≤0.15≤0.01余量Al-Zn-In-Mg2.5～4.00.020～0.050-0.025～0.0750.5～1.0＜0.10≤0.15≤0.01余量表1.9选用合金在海水中的电化学性能（20℃）项目开路电位/V工作电位/V实际电容量/（A·h·kg-1）开路电位/%消耗率/（kg·A·a-1）参数-1.1～-1.10-1.1～-1.05≥2400≥85≤3.65（6）根据被保护物的特点，让阳极布置后的保护电流在上面均匀分布。阳极安装在飞溅区以下海水中的结构上时，一般安装在导管架内侧，以免发生碰撞损坏。导管架结构的立面和水平面均应布置阳极，如图1.1所示。图1.1牺牲阳极布置示意图1.3.5阳极铸造（1）材料要求①铝纯度不低于GBT1196-1993中A99.80的规定；②锌纯度不低于GB/T470-1997中Zn99.99的规定；③钢纯度不低于YS/T257-1998中In-1的规定；④镉纯度不低于YS/T72-1994中Cd99.99的规定；⑤镁纯度不低于GB/T3499-1995中Mg99.95的规定。（2）阳极芯阳极芯通常使用无缝钢管，其成分和尺寸应符合GB/T17395的规定，表面需清洁无锈，同时要镀锌或者进行喷砂处理。（3）接触电阻与阳极体的接触电阻应≤0.001Ω。（4）表面质量①牺牲阳极的工作表面可为铸造面；②表面没有明显的肉眼可检测缺陷；③工作时表面需保持干净，不能有其他杂质，否则会使使用效果变差。（5）锻造公差每个阳极的质量偏差为±3%，但总质量不应出现负偏差，阳极长度偏差为±2%，宽度偏差为±3%，厚度偏差为±5%，直线度≤2%。[23]（6）质量检验包括阳极的化学成分、外观、阳极基体和芯间的接触电阻和电化学性能等。不合格的直接废弃，且不能用于新阳极的铸造。成分分析按照GB/T4949的规定进行。[24]需要在每批成品和熔炼炉前分别取3个试样，每个试样的取样量应在20g以上。每个阳极都需进行全面的外观检查，结果满足表面质量的要求。检验接触电阻时，每5批任选3个作为试样，按照GB/T4948的规定进行检测。电化学性能检验按GB/T17848的规定进行，根据阳极质量和数量，每5～10个阳极或每批阳极任意选取一个阳极，直接在阳极基体上取样，也可以于炉前取阳极浇铸液单独制作：只要有一个检测不符合要求，就加倍抽样。复验后仍存在不合格的，那么这批产品全不合格，质检残次品按个处理。1.3.6阴极保护监测系统的发展与应用（1）应用：了解保护系统的工作状况。对于海洋环境，以往主要采用人工监测的方法，即定期由潜水员携带参比电极进行水下测量阳极和被保护结构的电位值，但该方法不能测量电流，且不能连续测量电位，无法全面反映阴极保护系统的情况。阴极保护监测系统实现了从导管架下水开始，连续监测阴极保护体系的极化过程和稳定状态下的工作情况，监测数据可反映出导管架的阴极保护效果，对日常维护和阴极保护设计都有指导意义。近几年，阴极保护监测技术有很大发展，中国海洋大学及其他科研部门做了大量工作。该系统一般由监测阳极、参比电极、信号传输系统和数据采储装置等部分组成。目前，在海洋工程中，比较大的平台都安装阴极保护监测系统，