適用于海洋平臺抗硫化氫腐蝕儀表的應(yīng)用研究

　　硫化氫(H2S)是油氣田開發(fā)比較常見的氣體，這種含有特殊化學(xué)性質(zhì)的氣體是一種潛在危險，若不及時處理則會引發(fā)更 多的采油、采氣生產(chǎn)事故。腐蝕是硫化氫氣體最顯著的化學(xué)性質(zhì)，也是對油氣田生產(chǎn)造成危害的主要因素，特別是對金屬儀表的 腐蝕危害。文章首先介紹了海洋平臺開發(fā)的作用，在此基礎(chǔ)上分析了硫化氫氣體的腐蝕性質(zhì)，對適用于海洋平臺抗硫化氫腐蝕 的儀表進行了應(yīng)用研究，最后提出了海洋平臺抗硫化氫儀表使用的注意事項，希望對后續(xù)研究有所幫助。

1、海洋平臺開發(fā)的作用

　　中國社會經(jīng)濟進入了全新的發(fā)展時代，能源在產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟優(yōu)化升級中的作用更加顯著，這標志著人類社會正式走向能源開發(fā)與利用時期。最近一年(2011年)的能源報告顯示，我國海上石油與天然氣開采的總產(chǎn)值收益持續(xù)上升，新型能源的利用價值得到肯定，這為我國能源開發(fā)與利用工程提供了科學(xué)的指導(dǎo)。

表1 2011年石油能源數(shù)據(jù)

　　從能源報告顯示，我國能源存儲量、消費量、生產(chǎn)量之間的比例差異顯著，盡管石油存儲量龐大，但由于計劃經(jīng)濟體制影響下，每年開發(fā)的石油用量相對較小。從市場需求比例來說，市場消費量超出實際產(chǎn)量的數(shù)額，這說明了能源市場的供需失衡，企業(yè)還需大量石油能源作為燃油、汽油等燃料使用。因此，創(chuàng)建海洋資源開發(fā)平臺對解決國內(nèi)能源應(yīng)用危機有著很大的幫助，也是產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟現(xiàn)代化發(fā)展的必然要求。

2、硫化氫氣體的腐蝕性質(zhì)

　　伴隨著能源科技水平的全面提升，海洋油氣資源開發(fā)模式得到了全面推廣，先進科技融入能源開采作業(yè)創(chuàng)造了豐厚的經(jīng)濟收益。其中，以信息科技為支撐的海洋地質(zhì)勘測系統(tǒng)正廣泛使用，這種勘測系統(tǒng)減小了海洋資源的勘察定位，提高了能源開發(fā)的針對性，使國內(nèi)石油資源開采量持續(xù)上升2.44%，逐漸與市場需求量指標相互靠近。海洋開采環(huán)節(jié)了市場上的能源危機，開辟了石油、天然氣等能源供應(yīng)的多元化模式。但同時，現(xiàn)場開采作業(yè)中發(fā)現(xiàn)了海洋資源開發(fā)出現(xiàn)的一些問題，主要是開采生產(chǎn)中產(chǎn)生一系列的化學(xué)氣體，往往給生產(chǎn)人員及設(shè)備造成了不利影響，如圖1。

圖1 硫化氫的危害性

　　2.1、化學(xué)性質(zhì)

　　硫化氫是海洋油氣田開發(fā)常有的氣體，硫化氫具有腐蝕性、毒性、污染性等諸多危害，對油氣田作業(yè)人員及開采設(shè)備是很大的危害，處理不當會影響到整個油氣田工程作業(yè)的有序進行。硫化氫的腐蝕性來源于其酸性特點，結(jié)合鐵金屬的腐蝕變化，其化學(xué)式如下：

　　2NaOH+H2S=Na2S+2H2O ①

　　H2S=>H+HS=>H+S++2- ②

　　Fe=>Fe+2e ③

　　2H+2e=>H2Fe與H2S ④

　　xFe+yH2S=>FexSy+2yH2+2+++2 ⑤

　　2.2、腐蝕原理

　　從腐蝕原理分析，硫化氫腐蝕金屬儀表本質(zhì)上是化學(xué)、物理性質(zhì)的變化，金屬材質(zhì)與外界環(huán)境之間產(chǎn)生的物理反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)，最終造成金屬材質(zhì)表面出現(xiàn)氧化、腐蝕等現(xiàn)象，影響了金屬儀表的使用功能。海洋平臺中金屬儀表或器材的腐蝕機理如下：

　�、偈剑篐2S的酸性特點，經(jīng)過此方程式反應(yīng)后，產(chǎn)生對應(yīng)的酸物質(zhì)，這是一個初步的化學(xué)反應(yīng)。

　　②式：以鐵金屬為例，H2S在H2O溶液下，產(chǎn)生的電化學(xué)反應(yīng)，對腐蝕性作用具有顯著的表達過程。

　�、凼剑宏枠O變化流程

　�、苁剑宏帢O變化流程

　　⑤式：鐵金屬被腐蝕過程的化學(xué)反應(yīng)，此化學(xué)式產(chǎn)生了硫化鐵等物質(zhì)，在金屬表面形成氧化膜，阻礙了金屬離子的通過，使金屬表面的腐蝕現(xiàn)象加劇。

3、適用于海洋平臺抗硫化氫腐蝕儀表的應(yīng)用研究

　　伴隨著海洋石油、天然氣資源開發(fā)量的持續(xù)增多，與海洋能源工程相配套設(shè)施的應(yīng)用范圍更加廣闊，各種大小開發(fā)設(shè)備均發(fā)揮出了其利用價值，推動了自然能源開采量的上升。調(diào)節(jié)閥是海洋平臺作業(yè)中不可缺少的儀表設(shè)備，如圖2，其能夠?qū)λ�有能源開采系統(tǒng)實施自動化調(diào)控，建立了現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)體系，加快了石油工程開采控制的自動化發(fā)展。

圖2 調(diào)節(jié)閥圖示

　　調(diào)節(jié)閥功能原理：對控制單元輸出的控制信號進行調(diào)控，主要負責(zé)工業(yè)設(shè)備中的流量、壓力、溫度、液位等諸多參數(shù)的調(diào)控，減小了操作人員手工監(jiān)測與控制的難度。鑒于調(diào)節(jié)閥對海洋平臺操作的應(yīng)用功能，本次以調(diào)節(jié)閥為主導(dǎo)設(shè)備，經(jīng)過詳細地抗腐蝕性試驗操作，研制了其抗硫化氫腐蝕的相關(guān)措施。具體如下：

　　3.1、抗腐蝕試驗

　　(1)基本方法

　　本次選用的實驗材料為金屬630材料，這種材料的抗硫化氫腐蝕開裂試驗依據(jù)GB4157-2006進行，嚴格按照國際材料試驗協(xié)會的標準規(guī)定，如圖3。本組試驗的基本方法：在常溫常壓下，將承受拉伸應(yīng)力的試樣浸在經(jīng)酸化并以硫化氫飽和的氯化鈉水溶液中，為獲得硫化氫腐蝕開裂數(shù)據(jù)，將外加應(yīng)力加到屈服強度的70%、75%、80%、85%、90%、95%、100%，測定試樣的斷裂時間，直到720h試樣不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力為止。

圖3 試驗流程

　　(2)設(shè)備選用

　　由于抗腐蝕試驗屬于比較特殊的反應(yīng)現(xiàn)象，特別是在試驗過程中會產(chǎn)生一系列的特殊氣體，若處理不當會危害到試驗人員及儀器，抗腐蝕試驗需在相對穩(wěn)定的條件下執(zhí)行，以保證所得反應(yīng)結(jié)果達到預(yù)期的要求。試驗容器采用標準腐蝕試驗箱。試驗用試劑硫化氫、氯化鈉、冰乙酸和醋酸鈉等均采用化學(xué)純等級的化學(xué)藥品，用蒸餾水配制。將50g氯化鈉和5g冰乙酸溶解于945g水中，初始酸度值應(yīng)為pH2.6～2.8，pH可能增加，但不超過pH4。試驗溶液的溫度應(yīng)保持在24±3℃。

　　(2)操作流程

　　海洋平臺資源開發(fā)量大，每天都有固定的石油、天然氣生產(chǎn)指標，為了加快試驗對抗硫化氫儀表的使用指導(dǎo)，現(xiàn)場試驗要考慮操作流程的規(guī)范性。本次采用ASTM-630的試驗流程：①將清洗的試樣放進試驗容器內(nèi)，并接好必要的密封裝置，用惰性氣體凈化容器。試驗容器凈化后，小心加載，不得超過既定的加載水平。②立即將脫除空氣的溶液注入試驗容器，以100～300ml/min流速通入硫化氫10～15min，使溶液為硫化氫所飽和，并記錄試驗開始時間。③為了獲得更加準確的化學(xué)數(shù)據(jù)，

　　試驗中可通過反復(fù)試驗的方式，掌握更多數(shù)據(jù)以取中間值作為參考，多次試驗可降低數(shù)據(jù)的失誤率。

　　3.2、基于抗腐蝕試驗的儀表應(yīng)用處理

　　(1)固溶處理

　　調(diào)節(jié)閥是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的常用設(shè)備，用其對系統(tǒng)工作狀態(tài)下的溫度、壓力、冷卻液等進行條件，加快了工業(yè)自動化系統(tǒng)功能的升級改造。根據(jù)上述ASTM-630試驗結(jié)果，調(diào)節(jié)閥在使用期間應(yīng)進行固溶處理，這是一種特殊的熱處理工藝方案，對增強調(diào)節(jié)閥抗腐蝕功能具有顯著的應(yīng)用價值。固溶處理工藝原理：對某種材料或金屬工件實施加溫處理，達到某一個溫度之后維持相應(yīng)的時間周期，這樣可以加快材料的全面溶解。溫度接近臨界值時，迅速轉(zhuǎn)變?yōu)槔鋮s處理，回轉(zhuǎn)到室內(nèi)正常溫度，便可得到了需要的固溶體。根據(jù)630材料成分，固溶化溫度分別采1000℃、1040℃和1080℃，保溫1h進行處理，并對熱處理后的試樣進行顯微組織觀察及硬度測試。試驗結(jié)果表明，經(jīng)過1000℃固溶化處理后得到的組織含鐵素體過多，組織不均勻，1040℃固溶化處理后的組織主要為板條狀馬氏體和微量殘余奧氏體，1080℃固溶化處理后的組織殘余奧氏體含量過高，晶粒粗化，硬度偏低。因此，630材料在硫化氫環(huán)境下使用，選擇固溶化加熱溫度為1040±10℃。

　　(2)時效處理

　　除了固溶處理方法外，海洋平臺調(diào)節(jié)閥也可采取時效處理方式，這對于改變調(diào)節(jié)閥金屬材質(zhì)特性具有較高的改造價值。時效處理工藝原理：對某種材料或金屬工件實施變形處理，這也是在特定溫度值條件下才能產(chǎn)生的效果，通過塑性變形方式改變金屬材料的性能。一般情況，可利用高溫改變金屬的化學(xué)地質(zhì)，經(jīng)鍛造、鑄造加工后實現(xiàn)變形。本次630材料固溶化處理以后，進行時效處理。通過時效硬化處理可以消除馬氏體的應(yīng)力，增加韌性、塑性和耐腐蝕性，而且通過析出金屬間化合物增加材料的高溫強度和硬度。時效加熱溫度根據(jù)材料的使用溫度、性能要求和金屬析出溫度等因素確定。分別采用480℃、550℃和620℃，保溫4h進行處理，并對熱處理后的試樣進行測試。隨著時效溫度的升高，材料的強度下降，塑性上升、沖擊韌性提高�？紤]材料耐硫化氫腐蝕等因素，選擇時效溫度和時間為620±10℃，保溫4h，空冷。

4、海洋平臺抗硫化氫儀表使用的注意事項

　　海洋能源工程是我國經(jīng)濟建設(shè)的重點工作，主要解決了地表能源開采的儲量危機，將更多開展供轉(zhuǎn)移至海洋資源，這就實現(xiàn)了國內(nèi)能源供應(yīng)鏈的可持續(xù)發(fā)展。因油氣田開采時產(chǎn)生了硫化氫氣體，其具備的毒性、酸性、腐蝕性等特點，對參與海洋資源開采的人員、設(shè)備均造成很大的危害。為了更好地利用海洋能源，企業(yè)從事開發(fā)項目應(yīng)考慮先進儀表的使用，針對可能出現(xiàn)的金屬腐蝕儀表實施固溶處理、時效處理，通過改變金屬材料的綜合性質(zhì)，實現(xiàn)了儀表的抗腐蝕、抗損壞功能。此外，實際開采生產(chǎn)環(huán)節(jié)里，要注重調(diào)節(jié)閥儀表裝置的更新與檢修，定期檢查是否有腐蝕現(xiàn)象的發(fā)生，提前做好儀表更換或維修工作，避免腐蝕對儀表功能造成的不利影響。

5、結(jié)束語

　　石油和天然氣是經(jīng)濟發(fā)展中不可缺少的物質(zhì)能源，推廣化石燃料可以降低市場能源的供應(yīng)危機，并且減少了工業(yè)燃料使用后引起的污染問題。調(diào)節(jié)閥作為工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的主要儀表裝置，應(yīng)對其可能出現(xiàn)的腐蝕現(xiàn)象進行分析，掌握金屬材質(zhì)的腐蝕原理及性質(zhì)變化，擬定切實可靠的抗腐蝕措施。本次根據(jù)ASTM-630材質(zhì)實現(xiàn)，提出了固溶處理及時效處理兩大方式，顯著增強了調(diào)節(jié)閥的抗腐蝕性能。