多种腐蚀监测系统在高峰站的应用
Outline:
顾锡奎1
,
谷坛1
,
李静2
,
黄勇3
,
王月1
1. 中国石油西南油气田公司天然气研究院;
2. 塔里木油田分公司天然气事业部;
3. 延长石油(集团)有限责任公司研究院
收稿日期：2011-01-01
基金项目：国家高技术研究发展计划——复杂油气资源勘探开发技术“酸性油气田管道腐蚀安全智能监测系统”(2007AA06Z206)
作者简介：顾锡奎(1977-)，男，工程师，毕业于西安石油大学化学化工学院，硕士学位，现在中国石油石南油气田公司天研气研究院从事油气田腐蚀与防护的研究工作。地址：(610213)四川省成都市双流县华阳天研路218号.
摘要：基于酸性油气田腐蚀机理和主要特征，以及各监测技术的原理和现场应用经验，将腐蚀电化学噪声、电阻探针和氢探针技术进行整合，形成具有全方位的腐蚀监测系统，并在中国石油西南油气田公司重庆气矿高峰站得到了应用。各种监测技术获得的信息既可互补又可相互印证，极大地提高了监测系统对各种腐蚀形态信息的全面捕获能力和可靠性。
关键词：腐蚀 监测 电化学噪声 电阻探针 氢探针
Application of corrosion monitoring system in Gaofeng gathering gas station
Outline:
Gu Xikui1
,
Gu Tan1
,
Li Jing2
, et al
1. Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company, Chengdu 610213, Sichuan, China;
2. NaturalGas Division, PetroChina Tarim Oilfield Company, Kuala 841000, Xinjiang, China
Abstract: Based on corrosion mechanism and main features of the acidic oil and gas fields, as well as the principle of corrosion monitoring techniques and field application experience, the corrosion electrochemical noise, resistance probe and hydrogen probe technology are integrated to be a comprehensive corrosion monitoring system, which was applied in Gaofeng gathering gas station. The information obtained by various corrosion monitoring techniques can be complemented and confirmed mutually, which greatly improves the capacity and reliability of the corrosion monitoring system to obtain various corrosion information.
Key words:
corrosion monitoring electrochemical noise resistance probe hydrogen probe
高峰站是西南油气田公司重庆气矿的一座高含硫天然气集气站，为了全面监测管线的腐蚀状况，西南油气田公司天然气研究院在高峰站分离器前安装了多种在线腐蚀监测/预测系统。现场腐蚀监测设备包括电阻探针、电化学噪声以及氢探针，现场安装示意图见图 1。
基于酸性油气田腐蚀机理和主要特征，以及各监测技术的原理和现场应用经验，将腐蚀电化学噪声、电阻探针和氢探针技术进行整合，形成全方位的腐蚀监测/预测的系统。该系统能通过网络管理功能，实时监测油气田管线和设备的全面腐蚀、点蚀、电偶腐蚀和应力腐蚀的状态及发展趋势，评价缓蚀剂的缓蚀效果，并根据监测/预测结果实时报警。
1 腐蚀挂片试验结果
失重挂片法是一种经典的监测腐蚀速率的方法[1]。腐蚀挂片安装在高峰站在线腐蚀监测/预测系统的同一管段上，试验周期103天。结果见表 1。
表 1
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表 1 高峰站腐蚀失重挂片结果
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用放大20倍的立体显微镜对腐蚀后的挂片进行观察，观察到的挂片表面形貌见图 2~图 4。
从图 2至图 4和表 1可以看出，在此期间，腐蚀挂片的腐蚀速率很小。腐蚀挂片位置对腐蚀速率具有明显的影响，管段每个部位的挂片都出现不同程度的点蚀，挂片部位越低，腐蚀速率越大。
2 电阻探针监测
电阻探针监测是利用金属元件(电阻探针)的横截面积因腐蚀而减小，从而使其电阻增大的原理。如果金属的腐蚀大体上是均匀的，那么电阻的变化率与金属的腐蚀量成正比[2]。
CST410电阻探针腐蚀监测仪采用换向电流法，有效地补偿热电动势和接触电势的影响，同时集成温度传感器于电阻探针中，并通过非线性自动补偿技术，提高电阻探针在现场实际环境中温度波动时的监测精度，同时提高了该技术在酸性油气田环境中应用的可靠性。
CST410电阻探针腐蚀监测系统进行数据采集和分析及试验结果见图 5。
环境介质的温度、流速、金属材质以及探针表面存在的外来物质(如腐蚀产物)，都会影响到电阻探针测量结果的精度。从试验结果可以看出，腐蚀速率随时间的波动都较大，这可能受到环境介质温度的波动和腐蚀产物导电性的影响。一般金属丝的电阻值是温度的函数，所以电阻探针内的碳钢丝的电阻必然随着温度的变化而变化，使测量数据出现明显的波动。其次，由于高峰站是高含硫井站，天然气中H2S的质量浓度达100 g/m3以上，很容易和碳钢生成具有半导体性能的硫化铁腐蚀产物，腐蚀产物膜的生成，也会影响电阻探针的测量精度，可以通过测量软件计算公式的修正来减小这种误差。从腐蚀速率随时间的变化趋势图可以看出，尽管腐蚀速率随时间的波动较大，但腐蚀速率的测量值并不是很大，与管段挂片的腐蚀速率也比较接近。
3 氢探针监测
氢探针的测量结果不能直接计算得到腐蚀速率，需要和其它腐蚀监测方法结合起来使用。
CST820氢通量腐蚀测试单元基于恒电位暂态极化方式，采用电位方波激励模式，通过充氢电流-时间衰减曲线的拟合测量金属中的氢原子浓度。氢探针监测系统的数据采集和分析试验结果见图 6。
在金属腐蚀过程中生成的氢可以以原子或离子的形式渗入金属内部，在金属内的空穴或夹杂物处形成氢分子，导致金属局部晶格变形或表面鼓泡。从测试的氢原子浓度变化曲线中可以看出，氢原子浓度除在个别时期有明显上升趋势外，其余期间都很平稳，并一直稳定在一定的范围内(5.0×10-7mol/mL)，发生氢损伤的可能很小，从腐蚀挂片的形貌可以看出没有任何氢损伤的迹象。
4 电化学噪声监测
电化学噪声是指在恒电位(或恒电流)控制下，电解池中通过金属电极/溶液界面的电流(或电极电位)的自发波动。电化学噪声测量是以随机过程理论为基础，用统计方法来研究腐蚀过程中电极/溶液界面电位和电流波动规律性的一种新型的电化学研究方法。
CST530电化学噪声腐蚀监测仪通过对噪声峰的面积、强度、上升和下降速率以及发生频率的分析，可以得到稳态或亚稳态蚀点、裂纹发展和应力腐蚀等许多局部腐蚀的发展信息。电化学噪声监测系统的数据采集和分析及试验结果见图 7和图 8。
噪声电阻Rn是同步波动的电位噪声与电流噪声的标准偏差之比。在某些情况下，噪声电阻Rn可能等于极化电阻Rp[3]。噪声电阻Rn的值越大，表面的金属的耐腐蚀性越强。用局部腐蚀指数LI(localization index)来判断腐蚀发生的形式及程度，如果局部腐蚀指数在10-3数量级时，表明体系可能发生了均匀腐蚀；如果局部腐蚀指数接近1时，则是局部腐蚀。从图中可以看出，在前期，局部腐蚀指数较大，说明金属发生局部腐蚀的趋势较大；之后，局部腐蚀指数几乎接近于0，说明这个阶段的腐蚀主要以均匀腐蚀为主，从噪声电阻特征谱图看出，整个试验阶段存在发生点蚀的迹象。从立体显微镜下观察挂片的形貌确实有少量的点腐蚀产生。
5 小结
以能捕捉局部腐蚀各发展阶段特征信息的电化学噪声技术为核心，将电化学噪声探针、电化学渗氢探针和电阻探针组成完整监测系统。在监测过程中，电化学噪声单元可以监测到系统全面腐蚀和局部腐蚀(点蚀、电偶腐蚀和应力腐蚀)信息；外置电化学氢探针可以反映管材内表面全面腐蚀信息和管材中原子氢的浓度，通过监测到的原子氢浓度与管材钢阈值比较，就可得到材料应力腐蚀开裂趋势；电阻探针将反映系统全面腐蚀状态。各种监测技术获得的信息与腐蚀挂片具有很好相互印证性，极大地提高了监测系统对各种腐蚀形态信息全面捕获能力和可靠性。
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中国腐蚀与防护学会. 腐蚀试验方法与防腐蚀检测技术[M]. 北京: 化学工业出版社, 1996.
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2012, Vol. 41