环保型缓蚀剂在油气管道腐蚀防护中的应用.pdf

?、?腐蚀防护专栏2023 年第 23 卷第 4 期DOI:10.3969/j.issn.1672-7932.2023.04.003SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT18 环保型缓蚀剂在油气管道腐蚀防护中的应用聂肖虎1,刘 新2,郑云梅2(1.中国石化销售华中分公司,湖北武汉 4300002.紫光软件系统有限公司,北京 100084)收稿日期:2022-10-24第一作者简介:聂肖虎,高级工程师,注册安全工程师,1992 年毕业于中国石油大学(华东)化工设备与机械专业,现在中国石化销售华中分公司从事成品油管道完整性管理工作。基金项目:中国石化科技部课题(319008-3),高分遥感技术在输油管道地灾预警中的应用研究。摘 要:为了延缓油气集输管道的腐蚀速率,延长管道的使用寿命,实验室以丙烯酸(AA)、顺丁烯二酸酐(MA)以及丙烯酸乙酯(EA)为原料,制备了一种环保型缓蚀剂 HBY-2,优化了合成工艺条件,并评价了其防腐蚀效果。实验结果表明:在单体的质量分数为 20%,单体配比为 AA MA EA=1.2 1.2 1.0,引发剂加量为 0.5%,反应温度为 80,反应时间为 5 h 的合成条件下,制备的环保型缓蚀剂 HBY-2 的缓蚀效果最好。当HBY-2 的加量为 0.3%,腐蚀时间为 30 天时,缓蚀率仍可以达到 97.5%,长效腐蚀防护效果较好。在相同的实验条件下,环保型缓蚀剂 HBY-2 的缓蚀效果明显优于钨酸钠、钼酸钠、硫脲和咪唑啉。现场应用结果表明,油井集输管道中添加缓蚀剂HBY-2 后,挂片的腐蚀速率均明显降低。研究结果认为,制备的环保型缓蚀剂 HBY-2 能够满足油气集输管道的腐蚀防护需求,降低管道的腐蚀速率,延长其使用寿命。关键词:油气管道;腐蚀;环保性能;缓蚀剂;合成条件;腐蚀防护中图分类号:TE988 文献标识码:A文章编号:1672-7932(2023)04-018-050 前言管道集输是石油天然气资源的一种主要运输手段,据有关统计数据显示,截至 2020 年底,我国的油气集输管道总长度已超过 16104km,主要包括原油集输管道、天然气集输管道以及成品油输送管道等1-3。其中大量的集输管道已经投入运行 10 年以上,由于运行时间较长、管道所处环境恶劣,极易产生腐蚀和老化现象。油气管道的腐蚀主要包括管道外腐蚀和内腐蚀4-6,其中内腐蚀是造成油气管道穿孔以及泄漏事故的主要原因,腐蚀穿孔不仅会导致油气泄漏,造成大量的资源浪费,还极易引发安全事故,对周边生态环境造成严重的污染。因此,研究适合油气集输管道的腐蚀防护技术具有十分重要的意义。目前,针对原油集输管道内腐蚀的防护措施主要包括添加缓蚀剂防腐和内衬防腐层等7-8,其中缓蚀剂防腐措施具有操作简便、见效迅速以及有效期长的优点,在各大油田都广泛地应用过,并取得了较多的现场应用经验。目前常用的无机缓蚀剂主要包括铬酸盐、硝酸盐以及磷酸盐类等物质,其虽能够起到良好的腐蚀防护效果,但对环境容易造成污染,环保性能较差9-11;而常用的有机类缓蚀剂在合成、运输以及现场应用过程中,同样存在较大的环境污染风险。近年来,我国对环境保护的重视程度逐渐提高,绿色环保型缓蚀剂的2023 年第 23 卷第 4 期腐蚀防护专栏 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT19 需求量也越来越大。聚合物类缓蚀剂成为研究的热点,其通常具有缓蚀效果好、环保性能强以及有效期较长等特点12-14。因此,本文以不含磷、氮的丙烯酸(AA)、顺丁烯二酸酐(MA)以及丙烯酸乙酯(EA)为原料,制备了一种环保型缓蚀剂 HBY-2,并通过大量实验室试验优化了缓蚀剂的最佳合成工艺条件,评价了其缓蚀效果,最后将其成功应用于现场原油集输管道的腐蚀防护作业中,为延长油气管道的使用寿命,提高油气田开发效率提供一定的技术支持。1 实验部分1.1 实验材料及仪器实验 材 料:丙 烯 酸(AA)、顺 丁 烯 二 酸 酐(MA)、丙烯酸乙酯(EA)、异丙醇、过硫酸铵、氢氧化钠,均为分析纯,国药集团化学试剂有限公司;石油醚、无水乙醇、钨酸钠、钼酸钠、硫脲、咪唑啉,均为分析纯,上海阿拉丁生化科技股份有限公司。实验仪器:C-MAG HS7 智能加热磁力搅拌器,北京信诺凯科技有限公司;DHG-L9035A 立式小型恒温鼓风干燥箱,上海笃特科学仪器有限公司;RCC-III 型可旋转挂片腐蚀实验装置,北京同德创业科技有限公司。1.2 环保型缓蚀剂 HBY-2 的合成在三口烧瓶中加入一定摩尔比的丙烯酸(AA)、顺丁烯二酸酐(MA)和丙烯酸乙酯(EA),再加入适量的蒸馏水和异丙醇作为溶剂,搅拌混合均匀,升高反应温度至一定值,待所有单体溶解后,滴加一定量的过硫酸铵作为引发剂,反应一定时间后,使用氢氧化钠调节溶液的 pH 值为 7 左右,即得到淡黄色的环保型缓蚀剂 HBY-2。1.3 缓蚀剂性能评价实验室采用挂片失重法对环保型缓蚀剂HBY-2 的腐蚀防护性能进行了评价,具体实验步骤参照标准 JB/T 79011999金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法进行。腐蚀测试装置为可旋转挂片腐蚀实验装置,主要包括腐蚀反应釜、悬空搅拌器以及温控系统等;实验介质取自现场某段原油集输管道的油水混合液(其中含水率为35%);实验用挂片为现场原油集输管道钢材加工而成,挂片尺寸均为 75 mm12.5 mm3.0 mm,腐蚀实验前后挂片均使用石油醚和无水乙醇充分清洗干净,挂片材质为 N80,其主要化学成分及组成为 C(0.45%)、Si(0.32%)、Mn(1.70%)、P(0.014%)、S(0.013%)、Cu(0.12%)、Ni(0.04%)、Cr(0.03%)、Mo(0.20%);腐蚀实验温度均为 40。以缓蚀率为评价指标,如式(1):=(R0-R1)/R0100%(1)式中:缓蚀率,%;R0 空白挂片的腐蚀速率,mm/a;R1 添加缓蚀剂后挂片的腐蚀速率,mm/a。2 结果与讨论2.1 HBY-2 合成条件优化按照 1.2 中的合成实验方法和 1.3 中的缓蚀剂性能评价方法,以缓蚀率为评价指标,对环保型缓蚀剂 HBY-2 的合成条件进行了优化,主要包括单体配比、引发剂加量、反应温度、反应时间。其中环保型缓蚀剂 HBY-2 的加量均为 0.2%。2.1.1 单体配比优化控制单体的质量分数为 20%,引发剂加量为0.3%,反应温度为 60,反应时间为 3 h,考察了不同单体配比对环保型缓蚀剂 HBY-2 缓蚀性能的影响,见图 1。图 1 单体配比优化实验结果 由图 1 可知,单体配比对环保型缓蚀剂 HBY-2 的缓蚀性能影响较大,其中当 AA MA EA=1.2 1.2 1.0 时,合成的环保型缓蚀剂 HBY-2的缓蚀效果最好,对目标油气集输管道挂片的缓蚀率可以达到 75%以上。因此,推荐最佳的单体配比为 AA MA EA=1.2 1.2 1.0。2.1.2 引发剂加量优化控制单体的质量分数为 20%,单体配比为AA MA EA=1.2 1.2 1.0,反应温度为 60,反应时间为3 h,考察了不同引发剂加量对环保型缓蚀剂聂肖虎,等.环保型缓蚀剂在油气管道腐蚀防护中的应用?、?腐蚀防护专栏2023 年第 23 卷第 4 期 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT20 HBY-2 缓蚀性能的影响。实验结果见图 2。图 2 引发剂加量优化实验结果 由图 2 实验结果可知,随着引发剂加量的不断增大,缓蚀率呈现出“先增大后减小”的趋势,当引发剂的加量为 0.5%时,合成的环保型缓蚀剂HBY-2 的缓蚀效果最好,缓蚀率可以达到 80%以上,再继续增大引发剂的加量,缓蚀率则有所降低。因此,推荐引发剂的最佳加量为 0.5%。2.1.3 反应温度优化控制单体的质量分数为 20%,单体配比为 AA MA EA=1.2 1.2 1.0,引发剂加量为 0.5%,反应时间为 3 h,考察了不同反应温度对环保型缓蚀剂HBY-2缓蚀性能的影响。实验结果见图3。图 3 反应温度优化实验结果 由图 3 实验结果可知,随着反应温度的不断升高,缓蚀率呈现出“先增大后减小”的趋势,当反应温度为 80 时,合成的环保型缓蚀剂 HBY-2 的缓蚀效果最好,缓蚀率最高可以达到 90%以上,再继续升高反应温度,缓蚀率则有所降低。因此,推荐反应温度最佳为 80。2.1.4 反应时间优化控制单体的质量分数为 20%,单体配比为AA MA EA=1.2 1.2 1.0,引发剂加量为0.5%,反应温度为 80,考察了不同反应时间对环保型缓蚀剂 HBY-2 缓蚀性能的影响。实验结果见图 4。图 4 反应时间优化实验结果 由图 4 可知,当反应时间为 5 h 时,合成的环保型缓蚀剂 HBY-2 的缓蚀效果最好,缓蚀率最高可以达到 95%以上,因此,推荐反应时间最佳为 5 h。2.1.5 最佳条件综合上述实验结果可以看出,环保型缓蚀剂HBY-2 的最佳合成工艺条件为:单体的质量分数为 20%,单体配比为 AA MA EA=1.2 1.2 1.0,引发剂加量为 0.5%,反应温度为 80,反应时间为 5 h。在此最佳工艺条件下合成的环保型缓蚀剂 HBY-2,当其加量为 0.2%时,对目标原油集输管道挂片的缓蚀率可以达到 95%以上。2.2 HBY-2 在油气管道腐蚀防护中的应用2.2.1 HBY-2 加量对腐蚀性能的影响按照 1.3 中的实验方法,评价了环保型缓蚀剂HBY-2 加量对挂片腐蚀性能影响,腐蚀实验时间均为 7 天,实验结果见图 5。图 5 HBY-2 加量对缓蚀率的影响 由图 5 实验结果可知,随着环保型缓蚀剂HBY-2 加量的不断增大,其对目标油气集输管道挂片的缓蚀率呈现出逐渐增大的趋势,腐蚀防护效果不断增强。当 HBY-2 的加量达到 0.3%时,缓蚀率即可以达到 98.7%,缓蚀能力较强。因此,综合考虑缓蚀效果和缓蚀剂的使用成本,推荐环保2023 年第 23 卷第 4 期腐蚀防护专栏 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT21 型缓蚀剂 HBY-2 的最佳使用量为 0.3%。实验对未添加缓蚀剂和加入 0.3%环保型缓蚀剂 HBY-2 腐蚀后挂片的外观对比发现,未添加缓蚀剂的挂片腐蚀后表面有明显的腐蚀痕迹,外观破损较为严重,而加入 0.3%环保型缓蚀剂HBY-2 的挂片腐蚀后表面较为光滑,外观无明显破损。这说明环保型缓蚀剂 HBY-2 的防腐蚀效果较好。2.2.2 实验时间对 HBY-2 缓蚀效果的影响按照 1.3 中的实验方法,评价了实验时间对环保型缓蚀剂 HBY-2 缓蚀性能的影响,缓蚀剂 HBY-2 的加量均为 0.3%,实验结果见图 6。由图 6 实验结果可知,随着实验时间的逐渐延长,环保型缓蚀剂 HBY-2 的缓蚀率虽有所降低,但降低的幅度比较小,当实验时间为 30 天时,缓蚀率仍能达到 97.5%,缓蚀效果较好。这说明研制的环保型缓蚀剂 HBY-2 具有良好的长效稳定性。图 6 实验时间对 HBY-2 缓蚀效果的影响2.2.3 HBY-2 与其他常用缓蚀剂性能对比为了进一步证明环保型缓蚀剂 HBY-2 的缓蚀效果,实验室还对比评价了 HBY-2 与其他常用缓蚀剂的缓蚀效果,实验方法和条件均参照 1.3 中所述,缓蚀剂的加量均为 0.3%,实验结果见图 7。图 7 HBY-2 与其他常用缓蚀剂性能对比结果 由图 7 实验结果可知,环保型缓蚀剂 HBY-2的缓蚀效果明显优于其他几种常用的缓蚀剂,这是由于环保型缓蚀剂 HBY-2 分子结构中含有多种极性和非极性的官能团,可以通过协同作用提高缓蚀效率。其中极性基团能够改变腐蚀介质中金属的双电层结构,提高了金属离子化作用的活化能,而非极性基团能够在金属钢材表面定向排列,产生一层疏水膜,从而有效阻止腐蚀介质中离子和电荷的转移,能够有效减缓腐蚀速率,提高腐蚀防护效果。因此,所研制的环保型缓蚀剂 HBY-2能够具有良好的缓蚀效果。2.2.4 HBY-2 的现场应用效果将研制的环保型缓蚀剂 HBY-2 成功应用于西部某油田原油集输管道的防腐作业中,通过在线腐蚀挂片的方式测定不同油井集输管道添加缓蚀剂 HBY-2 前后的腐蚀速率变化情况,其中缓蚀剂的加量均为 0.3%,结果见表 1,可以看出添加环保型缓蚀剂 HBY-2 后,挂片的腐蚀速率均明显降低。表 1 环保型缓蚀剂 HBY-2 现场应用效果井号腐蚀速率/(mma-1)添加缓蚀剂前添加缓蚀剂 HBY-2 后MX-10.0360.000 2MX-20.0510.001 3MX-30.0280.000 5MX-40.0420.000 9MX-50.0190.000 33 结论a)实验室以丙烯酸(AA)、顺丁烯二酸酐(MA)和丙烯酸乙酯(EA)为原料,合成了一种适用于油气集输管道防腐的环保型缓蚀剂 HBY-2。b)环保型缓蚀剂 HBY-2 的最佳合成工艺条件为:单体的质量分数为 20%,单体配比为 AA MA EA=1.2 1.2 1.0,引发剂加量为 0.5%,反应温度为 80,反应时间为 5 h。c)当 环 保 型 缓 蚀 剂 HBY-2 的 加 量 为0.3%,腐蚀时间为 7 天时,其对目标原油集输管道挂片的缓蚀率即可以达到 98.7%;另外,当腐蚀 时 间 达 到 30 天 时,缓 蚀 率 仍 能 达 到聂肖虎,等.环保型缓蚀剂在油气管道腐蚀防护中的应用?、?腐蚀防护专栏2023 年第 23 卷第 4 期 SAFETY HEALTH&ENVIRONMENT22 97.5%,具有良好的长效腐蚀防护效果;并且,环保型缓蚀剂 HBY-2 的缓蚀效果明显优于其他几种常用的缓蚀剂。d)现场应用结果表明,不同油井集输管道添加缓蚀剂 HBY-2 后,挂片的腐蚀速率均明显降低,起到了良好的缓蚀效果,能够有效延长管道的使用寿命。4 参考文献1 高鹏,高振宇,赵赏鑫,等.2020 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Branch,Hubei,Wuhan,4300002.Unisplendour Software System Co.,Ltd.,Beijing,100084)Abstract:In order to delay the corrosion rate of oil andgas gathering and transmission pipelines and prolong theservice life of pipelines,a kind of environmental friendlycorrosion inhibitor HBY-2 was prepared in the laboratorywith acrylic acid(AA),maleic anhydride(MA)and ac-rylate(EA)as raw materials,the synthesis process con-ditions were optimized,and its corrosion prevention effectwas evaluated.The experimental results showed that underthe synthetic conditions of monomer mass fraction of 20%,monomer ratio of AA MA EA=1.2 1.2 1.0,initiatordosage of 0.5%,reaction temperature of 80,reactiontime of 5 h,the prepared environmental protection inhibi-tor HBY-2 had the best corrosion inhibition effect.Whenthe dosage of HBY-2 was 0.3%and the corrosion timewas 30 days,the corrosion inhibition rate could still reach97.5%,and the long-term corrosion protection effect wasgood.Under the same experimental conditions,the corro-sion inhibition effect of environmental protection inhibitorHBY-2 was significantly better than that of sodium tung-state,sodium molybdate,thiourea and imidazoline.Thefield application results showed that the corrosion rate ofthe coupon was significantly reduced after adding corro-sion inhibitor HBY-2 to the oil well gathering and trans-mission pipeline.The research results showed that theprepared environment-friendly corrosion inhibitor HBY-2can meet the corrosion protection requirements of oil andgas gathering and transmission pipelines,reduce the cor-rosion rate of pipelines and prolong their service life.Key words:oil and gas pipeline;corrosion;environ-mental performance;corrosion inhibitor;synthesisconditions;corrosion protection