Использование магнитных аппаратов для защиты от коррозии нефтепромыслового оборудования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование магнитных аппаратов для защиты от коррозии нефтепромыслового оборудования

В последнее время отмечается значительный интерес к использованию на производстве безреагентных методов обработки, которые позволяют дополнительно снижать сырьевые, материальные и энергетические затраты при добыче, подготовке и транспорте нефти, и удовлетворяют всем требованиям экологической безопасности окружающей среды. К одним из таких относится метод магнитной активации жидкостей, который известен начиная с конца 60-х годов.

В данной работе приведён краткий обзор экспериментальных работ за 1994-1996 гг. по применению магнитных полей для снижения коррозионной активности нефтепромысловых жидкостей.

Магнитная обработка вод на первом этапе проводилась в модернизированных промышленных аппаратах Чебоксарского завода АМО -200 и АМО-25 (большой и малой производительности) с электромагнитами. Величина магнитного поля изменялась от 400 до 7000 Э. Жидкость омагничивалась в течение 0,5-1,2 сек, что соответствовало времени нахождения движущейся со скоростью 1-1,5 м/с жидкости в магнитном аппарате. В качестве омагничиваемых сред использовались нефтепромысловые жидкости некоторых месторождений ОАО Пермнефть, а также 3%-ный раствор NaCl. Опыт продолжался 3 - 6 часов при температуре 20 - 25оС с непрерывным перемешиванием (весовой метод) на стали 08 КП (аналог СТ 3) в установке типа "колесо" и в статическом режиме на коррозиметре фирмы Petrolite (электрохимический метод). По результатам эксперимента рассчитывалась потеря массы М и скорость коррозии К. Защитный эффект Z вычислялся по формуле:

Z = (Мо - М)/ Мо , %

Z = (Ко - К)/ Ко , % ,

где Мо и Ко - потеря массы и скорость коррозии в необработанной жидкости, М и К - потеря массы и скорость коррозии в обработанной магнитным полем или ингибитором коррозии жидкости. Значение Z показывает, на сколько процентов в данной среде снижаются или увеличиваются потери от коррозии.

Кроме того, определялась концентрация H2S и величина рН среды.

Испытания обработанных и не обработанных магнитным полем жидкостей проводились параллельно в строго одинаковых условиях.

Проведённые эксперименты показали, что жидкости, обработанные магнитным полем, меняют свою агрессивность. Так на рис. 1 - 3 приведены результаты по магнитной обработке воды Маячного месторождения, на рис. 4 - 6 -- результаты по обработке воды Осинской УППН, а на рис. 7 - 8 -- результаты обработки магнитным аппаратом сточной воды Павловской ТХУ. Компонентный состав вод приведён в таблице 1.

Таблица 1 Состав исследуемых вод

Контроль скорости коррозии осуществлялся электрохимическим (рис. 1, 2, 4, 5, 7 и 8) и весовым методами (рис. 3 и 6). Разница в этих методах, а соответственно и результатах, состоит в том, что электрохимические методы контроля дают мгновенные величины скоростей коррозии, в то время как весовые методы дают интегральную (усреднённую за время проведения эксперимента) характеристику среды.

Анализ рисунков показывает, что при скорости движения жидкости 1- 1,5 м/с в аппарате АМО-200 наблюдается снижение коррозионной активности вод Маячного и Павловского месторождения при любой величине напряжённости магнитного поля. При этом продолжительность защитного эффекта сохраняется до 6 часов. Для всех жидкостей чётко выделяется зона оптимальной напряжённости магнитного поля от 400 до 1500 Э, где защитные эффекты достигают 35% (Павловка, рис. 7, 8), 25% и 31% (Маяк, рис. 1 - 3). Для вод Осинского месторождения в зависимости от величины напряжённости магнитного поля эффективность магнитной обработки аппаратом АМО-25 может быть как положительной, так и отрицательной. Однако и здесь существуют такие значения величин напряжённости магнитного поля, при которых защитный эффект максимален и равен 20% (Н = 5000 Э, рис. 4, 5) и 27% (Н = 2200 Э, рис. 6).

Изучение влияния магнитного поля на эффективность ингибиторов коррозии (дозировка 50 мг/л) в водах Маячного и Павловского месторождений показало, что поле оказывает на них различное воздействие. Так обработка ингибиторов АКС-1 и Crodax-105 в воде Маячного месторождения (рис. 9, 10) повышает их эффективность, а ингибитор коррозии СНПХ-6301 в этой же среде не только не повышает своей эффективности, но и понижает её при некоторых величинах напряжённости магнитного поля (рис. 9).

коррозия вода магнитный обработка

При этом если ингибиторы АКС и СНПХ вводили в омагниченную воду, что соответствует схеме установки дозатора после магнитного аппарата, то введение ингибитора Crodax соответствовало схеме установки дозатора перед магнитным аппаратом. Наличие ингибитора коррозии АКС-1 в воде Павловского месторождения показало, что обработка сточной воды и ингибитора коррозии позволяет повысить его защитные свойства. На рис. 11 показан график зависимости относительной эффективности ингибитора коррозии от величины напряжённости магнитного поля. Здесь под относительной эффективностью подразумевается разность между защитным эффектом омагниченного ингибитора коррозии или воды, в которую введён этот ингибитор, и защитным эффектом необработанного магнитным полем ингибитора коррозии, т. е. рассматривается величина Z(C,H) - Z(C,H=0). Из рисунка видим, что защитный эффект неомагниченного ингибитора, введённого в омагниченную воду, ниже, чем защитный эффект неомагниченного ингибитора коррозии, введённого в неомагниченную воду. Обработка ингибитора магнитным полем повышает его защитный эффект. Это повышение в зависимости от величины напряжённости магнитного поля может достигать 40%. Однако ещё более высокие защитные свойства ингибитора коррозии АКС-1 достигаются при одновременном омагничивании ингибитора коррозии и сточной воды, в которую вводится этот ингибитор. При этом защитные свойства ингибитора могут увеличиваться на 60% , что позволяет экономить ингибитор коррозии, не снижая при этом степени защиты оборудования и коммуникаций.

Изучение магнитных аппаратов АМО-200 и АМО-25 показало, что аппарат АМО-200 целесообразно использовать на промысле для защиты трубопроводов системы ППД.

Для отладки аппарата, отработки режимов его эксплуатации совместно с НГДУ Чернушканефть была разработана программа испытаний. Омагничивалась вода Павловской ТХУ на участке трубопровода: БКНС 7 - БКНС 6 - нагнетательные скважины. На рис.12 показано место установки магнитного аппарата. Эффективность магнитного воздействия оценивалась по величине защитного эффекта, определяемого из сравнения скоростей коррозии металла в узлах контроля, установленных до магнитного аппарата и после магнитного аппарата. Первоначально скорость коррозии металла должна была измеряться гравиметрическим методом. Однако, в связи с отсутствием узла контроля до магнитного аппарата и невозможности частой смены образцов скорость коррозии измерялась электрохимическим методом на коррозиметре фирмы Petrolite, хотя, параллельно с периодичностью один раз в неделю или один раз в две недели, снимались образцы свидетели с узлов контроля, установленных после магнитного аппарата и на скважине № 2180, удалённой от места установки магнитного аппарата на 9-10 км.

Испытания показали следующее. Установка магнита АМО-200 привела, как было замечено работниками НГДУ, производящими замену образцов-свидетелей, к изменению состава отложений на образцах-свидетелях. Так на образцах, извлечённых из близко расположенного к магнитному аппарату (~3 м) узла контроля, появился коричневатый налёт, а на образцах, снятых со скважины № 2180, присутствовал чёрный жироподобный осадок. В то время, как до установки магнита на образцах обоих узлов контроля наблюдалось небольшое количество жироподобного налета чёрного цвета. Состав осадков приведен в таблице 2.

Таблица 2 Состав осадков, снятых с образцов-свидетелей (сточная вода Павловского месторождения)

Анализ осадков показал, что омагничивание воды привело к ускорению реакции кислорода с содержащимся в воде железом. Это и изменило цвет осадка с чёрного, обусловленного сульфидом железа, на коричневый (цвет окислов железа). Кроме того, установка магнита привела к увеличению количества осадка на образцах свидетелях на скв. № 2180 . Это увеличение количества осадков на образцах, возможно, связано с повышением отмывающей способности омагниченной воды, т. е. - с отмывом осадка со стенок трубопровода. Этот же эффект может быть обусловлен изменением коагуляционной способности нефти в омагниченной воде и тогда увеличение объёма осадка связано с коагуляцией остаточных нефтепродуктов.

Результаты измерения скорости коррозии приведены в таблице 3. Эксперимент, как и предполагалось, проводился при различных значениях намагничивающего магнит тока или, что тоже самое, при различных значениях средней величины напряжённости магнитного поля в зазоре аппарата. Замеры скорости коррозии проводились как сразу после омагничивания воды (т. е. спустя 10 - 35 минут после обработки воды), так и спустя 1-3 часа после обработки воды и спустя более 5-ти часов после омагничивания воды и всё это сравнивалось со скоростями коррозии металла в неомагниченной аппаратом АМО-200 воде.

Таблица 3. Результаты эксперимента на Павловской ТХУ по влиянию магнитного аппарата АМО-200 на коррозионную активность сточных вод.

Из анализа результатов этой таблицы следует, что существует интервал напряжённости магнитного поля, где магнитный аппарат достаточно эффективен. Это поля с напряжённостью 500-1200 Э и 1800 Э или, что тоже самое, значения тока равные 3-6 А и 14 А. Эта область оптимальных значений напряжённости магнитного поля (тока) была рассмотрена более основательно. Здесь замеры скоростей коррозии после магнитной обработки воды проводились значительно чаще. Результаты замеров защитного эффекта приведены в табл. 4.

Таблица 4. Эксперимент по влиянию магнитного аппарата АМО - 200 на коррозионную активность сточных вод Павловской ТХУ (Область оптимальных значений токов)

Здесь, как и в табл. 3, означает задержку времени между обработкой воды магнитным полем и измерением скорости коррозии.

Из табл. 3 и 4 следует, что "память" о магнитной обработке не менее 6 часов, т. е. магнитная обработка воды позволяет защищать и нагнетательные скважины.

Внешний вид образцов-свидетелей извлечённых из узлов контроля, расположенных вблизи магнитного аппарата и на скважине, существенно различаются. Так вблизи АМО-200 при 500 Э (3 А) происходит разрушение образца (~ 1-2 c), а на скважине (~ 6 час) образцы блестящие, т. е. наблюдается защита (~ 60%) образца. Это говорит о том, что магнитная обработка активирует воду и она становится более агрессивной. Однако, спустя 10-15 минут эта вода уже тормозит коррозию металла.

Результаты промыслового эксперимента показывают, что для эффективного использования на промыслах Пермнефть магнитных аппаратов необходимо после АМО-200 установить участок трубопровода защищённый антикоррозионным покрытием, например, стеклоэмалью, что позволило бы исключить отрицательное влияние начальной активации воды магнитным полем.

3. Изучение влияния магнитной обработки воды на её коррозионную активность показало, что магнитное поле меняет многие характеристики воды, такие, как рН, растворимость солей, изменение концентрации газов и др. Магнитное поле, воздействуя на воду, приводит к её подщелачиванию, а увеличение рН среды уменьшает коррозионную активность последней [ 1 ].

Однако, более внимательное рассмотрение вопроса показало, что нет корреляции между изменением рН и коррозионной активностью (защитным эффектом) омагниченной воды. Кроме того, как оказалось, даже слабое перемешивание увеличивает рН воды. Всё это говорит о том, что рН воды не описывает адекватно коррозионное состояние системы.

Наиболее точно отражает действительную коррозионную активность среды количество растворённого в этой жидкости агрессивного газа. Наличие в воде кислорода, сероводорода, а, тем более их смеси, делает эту воду коррозионно активной. Обработка жидкости магнитным полем приводит к изменению концентрации растворённого в ней газа. Так, в работе [ 2 ] показано, что обработка раствора NaCl ([Cl-] = 150 мг/л) привела к уменьшению как концентрации растворённого в этом растворе кислорода, так и к повышению степени защиты стали 40 ХН, т. е. к кажущемуся уменьшению коррозионной агрессивности жидкости. Противокоррозионные свойства, приобретённые жидкостью, сохранялись более суток с постепенным снижением эффекта, который через 24 часа составлял 40-50 % первоначального. Это показано на рис.13. Из этого рисунка следует, что интервалы значений напряжённости магнитного поля, приводящие к уменьшению концентрации газа и увеличению степени защиты, совпадают. Однако, значения напряжённости магнитного поля, соответствующие максимумам уменьшения концентрации и увеличения степени защиты, сдвинуты между собой.

Изучение стационарных электродных потенциалов [ 2 ] показало, что в растворе, обработанном магнитным полем, электроды из стали 40 ХН имеют более отрицательное значение при напряжённости 170 - 500 Э и более электроположительное при 1000 - 2000 Э. Смещение потенциала стали в электроотрицательном направлении для растворов, обработанных магнитным полем, наряду с уменьшением скорости коррозии, может быть объяснено торможением катодного процесса, протекающего с кислородной деполяризацией, что хорошо согласуется с результатами газового анализа, свидетельствующего об уменьшении содержания кислорода в коррозионной среде при обработке её магнитным полем.

Аналогичные результаты получены и по сероводород содержащим средам. На рис.14 показан график изменения концентрации сероводорода от величины напряжённости магнитного поля. Эксперимент проводился со сточной водой Осинской УППН. Пробы воды с начальной концентрацией H2S равной Со= 52,5 мг/л обрабатывались магнитным аппаратом АМО-25 при различных значениях напряженности магнитного поля. Скорость движения жидкости в аппарате была порядка 1 м/с, т. е. время обработки воды магнитным полем составило примерно 0,3 с. Растворённый в воде сероводород обработанной и необработанной магнитным полем сточной воды определялся титриметрическим методом по стандартной методике [ 3 ] сразу после омагничивания (рис. 14) или же спустя необходимое время (рис. 15). При этом измерение концентрации сероводорода в обработанной и необработанной магнитным полем воде проводились параллельно в строго одинаковых условиях.

На рис. 14 видно, что существуют такие значения напряжённости магнитного поля, где изменения концентрации максимальны. При этом, как показано на рис.15, уменьшение концентрации может увеличиваться, достигая какого-то определённого значения, зависящего от величины напряжённости магнитного поля, которое уже не меняется со временем.

Полученные данные говорят о парадоксальности явления. Поскольку возникает необходимость ответа на вопрос: Куда исчезает кислород или сероводород ? Конечно, когда магнитным полем обрабатывается открытая система, тогда исчезновение газа можно объяснить, например, повышением поверхностного натяжения обработанной магнитным полем жидкости, как это и делается в работе [ 4 ]. Ну, а если система не контактирует с атмосферой, т. е. в случае закрытой системы ?

Изменения скорости коррозии омагниченной жидкости во времени показало, что в зависимости от обрабатываемой среды и величины напряжённости магнитного поля защитный эффект будет или убывать со временем или же, наоборот, в начале идёт его повышение, а уж затем - спад. На рис. 4, табл.3, 4, где приведены лабораторные и промысловые испытания эффективности магнитной обработки сточной воды Осинского и Павловского месторождений, видим, что экстраполяция защитного эффекта ко времени t = 0 (приборы не позволяют провести измерение сразу же после обработки воды магнитным полем) сдвигает величину защитного эффекта в отрицательную область. Это говорит об активации жидкости магнитным воздействием. Однако, уже через несколько минут защитный эффект становится положительным и даже достигает приличных значений. Эти результаты можно интерпретировать следующим образом. Обработка воды магнитным полем повышает реакционную способность этой жидкости или находящегося в ней газа настолько, что растворённые в воде агрессивные коррозионные агенты, каковыми являются O2 и H2S, успевают прореагировать в течение короткого времени с находящимися в жидкости ионами, например, железом. В результате чего концентрация агрессивного газа уменьшается, а это уменьшает скорость коррозии металла, находящегося в этой жидкости, что и приводит к росту защитного эффекта. При этом в первую очередь активируются реакции с кислородом.

Эти рассуждения подтверждаются как результатами анализа осадков (табл.2), так и результатами коррозионных испытаний (рис. 4, табл. 3 и 4). Предположения подтверждаются и эксплуатацией магнитного аппарата, установленного на нефтесборном коллекторе, транспортирующем эмульсию с обводнённостью ~ 65% , на участке ДНС-2 - УППН Падунского месторождения [5]. Использовалась магнитная камера МК-150, изготовленная Нижневартовским МП "Новые технологии" [ 6 ]. Напряжённость поля в камере 500 Э. Оказалось, что скорость коррозии до магнитной камеры составляла 0,21 мм/год, а после камеры уменьшилась до 0,15 мм/год. Количество сероводорода также уменьшилось. Так, если его концентрация до магнитной камеры была равна 7,85 мг/л, то после магнита она стала равной 5,74 мг/л. Однако, содержание Fe3+ в жидкости после магнитного аппарата выросло с 0,3 до 0,5 мг/л при неизменном общем количестве железа в воде равном 17 мг/л. Таким образом, анализ опыта эксплуатации магнитной камеры показал, что, с одной стороны, происходит уменьшение в омагниченной воде скорости коррозии металла и уменьшение концентрации сероводорода, а, с другой стороны, растёт количество трёхвалентного железа, а увеличение содержания трёхвалентного железа в воде после магнитного аппарата говорит об увеличении агрессивности омагниченной жидкости. Что и подтверждает наши предположения.

Конечно, существуют области значений напряжённости магнитного поля, где, возможно, эти рассуждения не работают. Это значения напряжённости поля равные, например, 1200 Э (6 А) и 1800 Э (14 А) и т. п., в которых защитный эффект в начальный момент (т. е. измерения проведены спустя 5-15 минут) высок и положителен (22% и 44%).

4. Приведённые выше результаты относятся к аппаратам на электромагнитах. Основные недостатки таких устройств заключаются в расходе электроэнергии и необходимости технического обслуживания во время эксплуатации. Необходимо отметить их большой вес и возможность использования только в местах, где есть электропитание. В связи с этим в ОАО ПермНИПИнефть были разработаны устройства на постоянных керамических магнитах. Указанные аппараты отличаются тем, что не влияют на гидродинамику потока, так как магнитная система находится вне рабочего канала трубопровода. Главные особенности предлагаемых устройств -- полное отсутствие энергозатрат, технического обслуживания в период эксплуатации и длительный ресурс непрерывной работы. При установке магнитного аппарата не требуется остановки технологического процесса и проведения сварочных и других работ, связанных с электроэнергией.

Анализ результатов экспериментов с попутнодобываемыми водами Павловского, Осинского, Константиновского и Аспинского месторождений показывает, что наиболее важным условием высокой эффективности магнитной обработки является пространственная структура магнитного поля, которая полностью определяется конструкцией аппарата. При этом степень защиты от коррозии изменяется от 10 до 67%. Скорость потока в меньшей степени влияет на защитный эффект по коррозии, если она не менее 0,2 м/с. В некоторых случаях влияние на положительный эффект оказывает кратность магнитной обработки.

В этом году для опытно--промысловых испытаний был подготовлен наземный магнитный аппарат типа МАН-4.0, который имеет рабочий диаметр канала 102 мм и внешний диаметр 158 мм. Он установлен в июле 1996 г на Осинском месторождении (ЦДНГ-6) на ДНС-4. Магнитной обработке подвергается нефтяная эмульсия (рН = 7,3; H2S = 122,3 мг/л). Перед аппаратом установлен дозатор ингибитора коррозии. Рабочая дозировка ингибитора коррозии (ВНПП-1Б) составляет 50 г/т. В сентябре 1996 г проведены контрольные измерения воды коррозиметром фирмы Petrolite непосредственно в условиях промысла. Пробы жидкости отбирались на расстоянии 1 м до аппарата, а также после аппарата на расстоянии 0,5 м и 5800 м. Соответственно, значения скорости коррозии составили 0,7128, 0,5445 и 0,4860 мм/год. Таким образом, по предварительным результатам видно, магнитный аппарат снижает скорость коррозии на 24% вблизи аппарата и вдали от него на 32% . Следует заметить, что полученные значения определяют не абсолютный положительный эффект, а относительный, так как в поток жидкости уже введён ингибитор, существенно уменьшающий скорость коррозии.

Выводы

1. Результаты лабораторных и промысловых испытаний магнитных аппаратов показывают, что при оптимальном выборе параметров магнитной обработки можно существенно снижать скорость коррозии в агрессивных средах, а также увеличивать эффективность действия ингибиторов коррозии.

2. Перспективным направлением промышленного использования безреагентной технологии магнитной обработки является использование магнитных аппаратов на постоянных магнитах, которые могут разрабатываться в ОАО ПермНИПИнефть под конкретный объект защиты от коррозии. Эти устройства устанавливаются в любой точке трубопровода без остановки технологического процесса и могут работать в широком диапазоне температур от -50оС до +120оС.

Литература

1. Жук Н. П. Курс коррозии и защиты металлов. - М.: Металлургия. -1968. - С. 214 - 216.

2. Тебенихин Е.Ф., Пронина З.Ф., Рыбальченко В.С. Влияние магнитного поля на коррозию стали в агрессивной среде // Теплоэнергетика. - 1972. - № 10. - С. 69-71.

3. Лурье Ю.Ю. Аналитическая химия промышленных сточных вод. - М. : Химия. - 1984. - С. 202-206.

4. Кисловский Л.Д. О метастабильных структурах в водных растворах // Докл. АН СССР. - 1967. - Т. 175, - вып. 6. - С. 1277.

5. Отчёт о НИР по договору № 94.589.94 "Совершенствование технологии защиты от коррозии системы сбора жидкости и утилизации сточных вод на Ножовской группе месторождений". - Пермь: ПермНИ-ПИнефть. - 1994.

6. Магнитная камера МК- 50 // Паспорт на оборудование. - Нижневартовск : ИПМП. Новые технологии. 1993.

Размещено на Allbest.ru