Operation experience of protectors for oil reservoirs made of recycled aluminum alloys

Full Text

В нефтяной промышленности используется большое количество стальных вертикальных резервуаров различной вместимости для хранения и обработки нефти и нефтепродуктов. Функционирующий резервуарный парк имеет большую массу - около 5 млн т металла [1]. Срок службы резервуаров зависит от типа хранимого продукта и колеблется от 15 лет для подготовки нефти и бензина до 1 года и менее (отдельные элементы резервуаров) для высокосернистых обводненных нефтей, содержащих углекислый газ. В последние годы наблюдается явная тенденция к возрастанию обводненности нефти. При хранении нефти в резервуарах вода, содержащая растворимые соли, находится в нижней части резервуара и является электролитической средой. Скорость коррозии углеродистых и низколегированных сталей в пластовых и подтоварных водах, по данным разных авторов, колеблется от 0,1 до 4,0 мм/год. Известно [2], что наиболее интенсивному коррозионному износу подвергаются днища и нижние пояса резервуаров, работающие в контакте с подтоварной водой. Скорость коррозионного разрушения велика, поэтому в настоящее время без защиты от коррозии резервуары не принимаются в эксплуатацию. Для борьбы с коррозией применяются различные методы: обработка коррозионной среды, нанесение защитных покрытий и электрохимическая защита [3-5], которая подразделяется на катодную (с использованием станций катодной защиты) и протекторную (с подбором материала протектора более электроотрицательного, чем защищаемая конструкция). Протекторная защита проста, надежна в эксплуатации, не требует дополнительных капитальных вложений и средств контроля и автоматики [2, 6]. Протекторная защита заключается в создании гальванической пары «стальное днище и нижние пояса (катод) - протектор (анод)». При электрохимическом взаимодействии происходит разрушение анода, а скорость коррозии катода существенно снижается, и теоретически коррозия может полностью прекратиться. Материал протектора должен быть более электроотрицательным по отношению к защищаемой поверхности. Для изготовления протекторов могут использоваться магний, цинк, алюминий и их сплавы. Наиболее эффективными, отвечающими вышеперечисленным требованиям, являются алюминий и магний, причем по величине создаваемой электродвижущей силы предпочтение следует отдать магнию. Вместе с тем магний характеризуется несколько повышенной скоростью растворения по сравнению с алюминием. На поверхности алюминия образуется плотный слой оксидов, снижающий эффективность работы протектора, влияние которого уменьшается с возрастанием минерализации воды. Следовательно, материал протектора выбирается в зависимости от общей минерализации подтоварной воды. Опыт эксплуатации протекторной защиты [2] свидетельствует, что при минерализации более 40 г/л следует использовать алюминиевые протекторы. Промышленность выпускает протекторы, изготавливаемые литьем в формы, которые применяются для защиты резервуаров: ПМР-5, ПМР-10, ПМР-20, АП-20, ПОКА-20 и др. Используются как компактные (рис. 1), так и протяженные (рис. 2) протекторы [4, 5, 7]. Выбор конструкции и типоразмера протекторов производится с учетом обеспечения: - требуемого срока службы; - оптимальной зоны защитного действия протектора; - удобства и простоты монтажа, демонтажа и возобновления; - простоты изготовления на металлургических заводах. В условиях рыночной экономики большое значение имеет стоимость протекторных сплавов. Вот почему применение в качестве протекторов вторичных алюминиевых сплавов экономически целесообразно. По своим параметром и характеристикам такие протекторы не уступают промышленным, а их стоимость гораздо ниже [2, 8, 10]. К настоящему времени освоено полупромышленное производство протекторов из вторичного алюминия: компактных ИМС-10 и ИМС-14, протяженных АПП-6 и АПП-9. Структура и свойства материалов, а следовательно, и эксплуатационные характеристики определяются наличием легирующих элементов и присадок. Зона защитного действия протекторов определяется материалом протекторов, минерализацией и уровнем подтоварной воды, наличием и свойствами защитного покрытия. Защитное покрытие может быть сплошным или местным из полимерных материалов на различной основе. Технология нанесения защитного покрытия, способ подготовки поверхности, а также количество слоев и состав наносимого материала определяются в каждом конкретном случае. Наиболее часто подготовка поверхности заключается в зачистке до металлического блеска с обработкой преобразователями ржавчины. Покрытие обычно наносится в 2-3 слоя с предварительным отгрунтовыванием. Рис. 1. Протектор марки ПМР Рис. 2. Протектор марки ПМ Проведены исследования свойств вторичных алюминиевых сплавов с целью определения их электрохимических и коррозионных характеристик, возможности их использования для изготовления протекторов. Материал протекторов по своим химическим составам приближается к маркам АМг, АВ, АК-8, Al-Cu-Si. Химический состав исследуемых образцов представлен в таблице [13]. Пластовые воды по своему химическому составу разнообразны и могут иметь различное содержание отдельных компонентов [2, 5, 8, 10]. Для проведения исследований был выбран модельный раствор, состав которого наиболее близок к химическому составу подтоварных вод: 98,6 % - NaCl; 0,28 % - ион Ca2+; 0,012 % - ион Mg2+; 0,524 % - ион . Зависимость весовых показателей саморастворения от минерализации воды представлена на рис. 3. Рис. 3. Зависимость весового коэффициента скорости саморастворения образцов от минерализации раствора: 1 - образцы, приближенные к марке АВ; 2 - образец, приближенный к марке АК-8; 3 - образцы на основе сплава Al-Cu-Si; 05-09,12 - образцы, приближенные к марке АМг Химический состав вторичных алюминиевых сплавов № образца Содержание основных элементов, % (основ. Al) Примечание Cu Si Mg Mn Ti Fe Zn Be 2 0,80 0,60 1,52 0,26 0,02 0,40 - - Марка АВ 3 0,75 0,62 0,32 0,15 0,02 0,41 - - 5 2,30 0,71 0,75 0,33 0,03 0,69 - - Марка АК-8 1 0,84 0,63 1,90 0,74 - 0,50 0,20 - Марка Al-Cu-Si 8 1,05 2,50 0,10 0,15 0,02 -,58 - - 11 1,18 2,54 0,12 0,10 0,02 0,52 - - 05 - - 4,00 0,09 - 0,45 - 0,0002 Марка АМг 06 - - 4,15 0,09 - 0,47 - 0,0002 07 - - 3,80 0,09 - 0,49 - 0,0002 08 - - 3,90 0,09 - 0,60 - 0,0002 09 - - 3,95 0,09 - 0,42 - 0,0002 12 - - 3,9 0,19 - 0,45 - 0,0002 Из представленных данных (см. рис. 3) видно, что самую низкую скорость саморастворения показали образцы, химический состав которых близок к АВ и АМг, что объясняется низким содержанием в них меди и железа и высоким содержанием магния. На рис. 4 представлены данные о величине стационарного электродного потенциала материалов протекторов в зависимости от концентрации раствора. Из представленных данных видно, что наиболее отрицательным потенциалом обладают образцы, состав которых приближается к сплаву АМг. Образцы, состав которых приближается к сплаву АВ и АК-8, а также сплав на основе Al-Cu-Si, потенциалы которых находятся в интервале от -0,38 до -0,52 В, не смогут обеспечить необходимую степень защиты конструкции от коррозии. На долговечность протекторных сплавов существенное влияние оказывают включения по границам зерен [2, 11-13], это хорошо просматривается по рис. 5. Чем равномернее распределены эти включения по границам зерен, тем однороднее структура металла, поэтому в образцы вводили модификаторы, такие как медь, железо и т. д. Рис. 4*. Зависимость потенциалов образцов от минерализации раствора: 1 - образцы, приближенные к марке АВ; 2 - образец, приближенный к марке АК-8; 3 - образцы на основе сплава Al-Cu-Si; 4 - образцы, приближенные к марке АМг По разработкам авторов [2, 8, 10] была осуществлена протекторная защита более 40 резервуаров различной вместимости (от 1000 до 20000 м3) для хранения и обработки нефти на Новокуйбышевском НПЗ, на НГДУ «Бузулукнефть», «Бугурусланнефть», «Сорочинскнефть», «Южоренбургнефть», входящих в состав АО «Оренбургнефтегаз», в НГДУ «Арланнефть», «Туймазанефть» и «Уфанефть» АО «Башнефть». Большая работа по внедрению протекторной защиты проводилась на нефтегазодобывающих предприятиях Тюменской области. При защите от коррозии товарных резервуаров, подтоварная вода в которых имеет незначительную минерализацию, а водяная подушка не превышает 0,5 м, можно рекомендовать к использованию магниевые протекторы ПМР-20. Для защиты днища буферных и водяных резервуаров с подтоварной водой высокой минерализации и уровнем от 3 до 9 м следует применять алюминиевые протекторы АП-20 или протекторы из вторичных алюминиевых сплавов ИМС-10 и ИМС-14. Количество протекторов на днище зависит от вместимости резервуара и степени минерализации воды. Для защиты стенок рекомендуется использовать стержневые протекторы, которые располагаются в несколько ярусов по образующим. Промышленность такие протекторы из чистого алюминия не выпускает, поэтому можно рекомендовать в качестве материала вторичные алюминиевые сплавы. Рис. 5. Микроструктура образцов (х500): а - образец № 05; б - образец № 06; в - образец № 09 Для повышения надежности и долговечности протекторной защиты с одновременной экономией протекторных материалов следует дополнительно использовать защитные покрытия. При необходимости между протектором и поверхностью резервуара могут устанавливаться дополнительные прокладки из пленочных диэлектрических материалов.

About the authors

Nikolay G Kats

Samara State Technical University

(Ph.D. (Techn.)), Associate Professor 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

Sergey B Vasil'ev

Samara State Technical University

Leading Engeneer 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russian Federation

References

Supplementary files