管道防腐防垢及其信息检索毕业设计正文.docx
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管道防腐防垢及其信息检索毕业设计正文
摘要
本论文主要是研究管道防腐防垢技术,对国内外各自防腐防垢技术的原理以及安装方法有一个基本概述。
钢管腐蚀问题普遍存在于国民经济和国防建设的各个部门,既给国民经济带来了巨大的损失.也给生产和生活造成极大的困难。
钢管在自然条件下(大气、天然水体、土壤)或人为条件(酸、碱、盐及其它介质)下,每时每刻都在发生腐蚀.一种自发进行的无谓的消耗。
其根本原因钢质管道是因为处于热力学不稳定状态,在上述条件下它们就要恢复原来的相对稳定的状态.生成铁氧化物、碳酸盐等.或转变为可溶性离子。
这一过程就是金属的腐蚀过程。
根据统计,我国钢铁年产量1.6亿吨.每年因腐蚀而损耗6千多万吨。
差不多等于上海宝钢钢铁总厂的年产量。
腐蚀产物形成垢层,影响传热和介质流速传热效率降低,能耗由此大大增加,我国每年因腐蚀造成的经济损失高达2800亿元,比每年风灾,水灾、地震、火灾等自然灾害的总和还要多。
关键词:
防腐防垢;性能对比;
ABSTRACT
Thisthesisistostudythepipelinecorrosionscalingtechniques,theircorrosionscalingtechnologyathomeandabroadaswellastheprincipleofabasicoverviewofinstallationmethods.
Steelcorrosionproblemsprevalentinthenationaleconomyandnationaldefenseconstructioninvarioussectors,bothtothenationaleconomyhasbroughthugelosses.Butalsototheproductionandlifecausedgreatdifficulties.Pipeundernaturalconditions(air,naturalwater,soil)orman-madeconditions(acid,alkali,saltandothermedia),theoccurrenceofcorrosionatalltimes.Onekindofspontaneousunnecessaryconsumption.Thefundamentalreasonisbecausethesteelpipeisthermodynamicallyunstablestate,undertheaboveconditionsarenecessarytorestoretheoriginalstateisrelativelystable.Generateironoxidesandcarbonates.Orconvertedintosolubleions.Thisprocessisthecorrosionofmetals.Accordingtostatistics,China'sannualoutputof160milliontonsofsteel.Annuallossduetocorrosion,morethan6,000tons.ShanghaiBaoshanIronandSteelPlantisalmostequaltotheannualproduction.Corrosionproductsformedfoulinglayer,affectingheattransferandheattransfermediumflowefficiency,therebygreatlyincreasingenergyconsumption,China'sannualeconomiclossescausedbycorrosionupto280billionyuan,comparedwithanannualtyphoons,floods,earthquakesandothernaturaldisasterscombinedfireevenmore.
Keywords:
corrosionscaling;performancecomparison
前言
前言
本论文主要是研究管道防腐防垢技术,对国内外各自防腐防垢技术的原理以及安装方法有一个基本概述。
(1)节能:
水垢形成导致设备热传导效率下降,直接造成能源巨大浪费。
由于水垢和水锈的存在,极大地降低了换热效率,增加了能源的额外消耗。
管径变细,管线压力增加,水泵载荷增加。
管道防腐防垢可以防止用水设备或管道因结垢而损失热传导效率,为客户节约能源,可以大大减少能源的消耗。
(2)降耗:
管道防腐防垢技术可以大大延长管道设备的使用寿命,减少设备维护费用,零运行费用等,节约了工业成本。
(3)节水:
管道防腐防垢可将浓缩倍数提高到两到,补水量以及排污量可在原来的基础上各自大幅降低,由此每年耗水费用可降低数千至上万元。
延长设备使用项目,减免设备维护成本:
由于设备及管道在在防腐蚀方面得到了极大改善,并且由于免除化学药剂,管道及用水设备的寿命将得到极大延长。
点蚀或坑蚀的发生几率将会大大降低。
由于系统总体得到保护,锈蚀或酸腐蚀等造成穿孔滴漏等现象基本杜绝,为客户节约设备维护保养成本。
同时减少人工操作,大幅降低劳工强度和管理成本。
虽然我国管道防腐还存在着不少的问题和困难,相信通过有关方面的共同努力的新材料、新工艺、新技术的不断被应用,我国的管道防腐技术会日臻完善,我国的管道建设也必将取得更大的成就。
新型管道防腐涂层和非金属材料会有极大的发展和应用前景,阴极保护在输油管网防腐中的地位将更加突出。
管道防腐防垢及其信息检索
第一章管道结垢的危害及其治理意义
目前,由于各大油田的原油开采已进入了高含水期,随着油田采出液含水的上升,地面系统结垢现象日趋严重,而结垢造成了油井被堵,产液量下降,浪费了能源,严重时造成抽油杆拉断,油井关井,甚至报废。
阻碍了原油生产,造成了很大的经济损失。
管道结垢后使管道缩径,流通截面积变小,造成压力损失、排量减小及管道堵塞,还会诱发管道局部腐蚀,导致管道漏失频繁,甚至穿孔,造成破坏性事故。
为了保证油田的稳产、增产,合理有效地预防、清除结垢,成为油田开发中不容忽视的一项需要解决的现实问题。
1.油田管道结垢的危害
在长期的生产作业实践中,人们发现油气田结垢的危害主要反映在两个方面,一是对通道畅通的影响;二是对通道物质的腐蚀。
具体表现在如下几个方面:
(1)一般地,与水接触的设备管道内表面结垢后,往往还有粘泥附者,可能造成不同程度的堵塞和管道腐蚀。
(2)结垢往往使管线的截面积变小,设备的处理能力降低,必然增加输液能力或处理费用,这样既出现减产,又增加成本。
(3)地下岩层和油气通道也存在水垢和污物堵塞的麻烦,造成油气产量下降,设施寿命缩短,能耗增加,运转成本上升,甚至使油气井停产,造成较大经济损失。
(4)注水系统发生水垢堵塞问题时,垢物和污物、盐类、氧化铁等粘结在一起,造成注水压力上升,流量下降,增加能耗并降低生产能力。
(5)化学结垢经常造成生产损失或报废,沉积物会堵塞井眼、油管、阀们、套管射孔,井下泵会发生阻塞,地面管线及设备的运转受到限制。
(6)最为严重的是垢物堵塞和腐蚀管道时,压力增加可能出现管道爆炸现象,造成不良后果。
2.油田管道结垢的治理意义
结垢影响油气田的正常生产,甚至带来很大的经济损失,给油田的安全生产带来了隐患。
结垢治理具有非常重要的意义,不仅能节省管道腐蚀的设备费用,提高石油利用率,同时还能避免结垢严重时可能发生的爆炸事故。
现阶段各大油田对于结垢问题多采取针对性防腐、防垢措施,既是开发中后期高含水区块集输系统的需要,又是维持油田正常生产和提高油田开发综合效益的重要途径。
因此,迫切需要实用的清洗技术来处理管道结垢,以保证原油生产正常进行。
第二章国内外油田管道防垢研究现状
油气田进入开发中后期为了提高采收率,普遍采用注水采油、排水采气等新工艺,油田水往往造成地层、油套管、井下和地面设备及集输管线结垢。
结垢影响油气田的正常生产,甚至带来很大的经济损失。
如果能准确预测油气田的结垢趋势、结垢部位,就能合理地采取相应措施,国内外在防垢研究方面取得了飞速的进展,下面对国内外防垢技术进行总结。
1.单一的碳酸钙垢预测技术
1.1Davis-Stiff饱和指数法
早在1936年朗格利尔(Langlier)根据碳酸钙的溶解平衡原理提出了有名的饱和指数法。
后来,Davis和Stiff将这一指标应用到油田,该方法主要考虑了系统中的热力学条件。
预测公式如下:
SI=pH-pHs=pH-(K+pCa+pAlk)(2-1)
式中:
SI为结垢指数;pH为系统中实际的pH值;pHs为系统中CaCO3达到饱和时的pH值;K为修正系数,是含盐量、水组成和温度的函数,由离子强度与水温度关系曲线查得。
判断标准:
若SI<0,不结垢;SI=0处于平衡状态;SI>0有结垢趋势。
pCa为Ca离子浓度(mol/L)的负对数,pCa2+=-lg[Ca2+]-1;pAlK为总碱度(mol/L)的负对数,pAlK=lg(2[CO32-]+[HCO3-])-1。
由于该方法为一般经验式,方便简单,故应用较为广泛。
目前许多科技人员仍利用这种方法来判断油气田结垢趋势。
饱和指数法仅考虑热力学条件,因此预测的结果与实际情况相差较大。
1.2Ryznar稳定指数法
其后,罗兹那(Ryznar)根据饱和指数的含义,对各种水的实验资料和给水系统的实际情况及运行结果进行总结,提出了稳定指数概念。
预测方程式如下:
SAI=2pHs-pH=2(K+pCa+pAlK)-pH(2-2)
判断标准:
SAI>6,无结垢趋势;SAI<6,有结垢趋势;SAI<5,结垢严重。
用罗兹那稳定指数计算值来指示碳酸钙的结垢倾向,同时也反应了水质的稳定性,适用于高矿化度、高pH值的地方。
中原油田以Ryznar指数为基础结合实际情况,综合考虑热力学、动力学、高矿度因素,建立了中原油田污水碳酸钙倾向预测模型。
缺点是只考虑了碳酸钙一种物质的溶解平衡,而且在油田水处理系统中有着许多不同的温度区域,所以也不可能存在全系统的碳酸钙溶解平衡。
1.3苏联饱和系数法
该方法根据碳酸盐溶解平衡及热力学溶度积原理,提出了一套溶液离子结垢倾向的计算方法,预测方程为:
S=PCaCO3/LCaCO3(2-3)
式中:
S为CaCO3的饱和系数;PCaCO3为所研究水的CaCO3的溶度积;LCaCO3为系统中CaCO3与相应的碳酸盐化合物呈动态平衡时的热力学溶度积,在已知温度与压力下为常数。
此方法主要用于油藏含水区域内CaCO3的预测,通过实践认为,该方法较之Ryznar指数方法更接近矿场实际情况。
由于该方法预测部位存在局限性,不能较为准确地预测井筒、集输管汇集换热设备处结垢倾向,因此目前很少采用。
1.4Vetter等的预测方法
Vetter等针对碳酸钙垢,提出了一种新的预测方法。
该方法考虑了更多的热力学、化学动力学、流体力学,油气水三相的P-V-T特性及流量,CO2含量、分压及与盐水的反应,CO2分配,井下参数等因素,并建立碳酸钙沉淀模型的状态方程和计算方法,其预测结果更接近油田实际情况。
但该方法比较复杂,理论计算较多,油田工作者使用困难,不易推广。
建议对于结垢因素进行综合研究,分清影响结垢倾向的主要因素和次要因素,对于预测模型进行必要的简化。
1.5John预测方法
对于高温、高压的原油集输密闭系统,用一般的预测方法来判断其结垢倾向时受到条件的限制。
例如:
在高温状况下,用饱和指数法预测结垢倾向,就会出现修正系数K值因高温无法查到,使得结垢预测产生误差。
1982年,John等提出了一个高温、高压下碳酸钙饱和度的计算公式,为注水掺热系统结垢预测提供了有效的方法。
判断准则是依据John公式计算结果,当计算值为正时,则有结垢倾向;如为负,则为溶解倾向。
由于化学动力的原因,有些饱和水会结垢,有些则不一定结垢,因此该法判断结垢趋势时可能有些误差。
2.单一硫酸盐垢预测技术
2.1Skillman热力学溶解度法预测硫酸钙
1969年Skillman等考虑了热力学因素及溶解平衡原理,提出了热力学溶解法来预测的结垢趋势,其表达式为:
S=1000X2+4K?
X(2-4)
式中:
S为CaSO4结垢趋势预测值,mmol/L;K为修正系数,由水的离子强度和温度关系曲线查得;X为Ca2+与SO42-的浓度差,mmol/L。
测定水中[Ca2+]、[SO42-],计算CaSO4实际含量C,将S与C比较。
当S
使用该法的预测结果与现场实际基本相符,而且计算简单,科技人员经常使用该法来粗略测算油田水硫酸钙的结垢倾向。
离子浓度、压力增加可提高CaSO4的溶解度,然而温度升高又会增加石膏的沉淀。
所以要准确预测硫酸钙垢仍比较困难,建议在实际应用时,可考虑与Stiff饱和指数法结合起来进行预测,效果会更好。
由于BaSO4和CaSO4具有相似性,因此该法也适应BaSO4垢预测,其预测模型1978年由Culberson等人研制成功。
2.2Jacques等的SrSO4垢的预测方法
1983年,Jacques等基于对SrSO4在氯化钠水溶液中溶解性的研究,推导出压力为689-20684kPa,温度为38-149℃,总离子强度为0-3.43的SrSO4溶解性数学模型:
S=Q/Ksp,Q=[Sr2+][SO42-](2-5)
式中:
Q为Sr2+和SO42-浓度的总积,mg/L;S为溶液总积与溶度积的比值。
判断是否发生SrSO4垢的标准:
当S>1.0时可能有结垢;S<1.0时不会结垢;S=1.0时溶解处于平衡状态。
在长庆油田,用该方法对三种不同的地层水进行结垢预测,计算结果与现场实际吻合得很好。
此法并未考虑结晶动力学因素及其它硫酸盐的影响,作为单一的硫酸锶垢预测还是可行的。
2.3硫酸盐共沉淀复合垢预测方法
MingdongYuan改进的复合垢预测模型:
从热力学平衡原理计算出发,考虑了温度、压力因素对不同离子结垢时的相互影响,应用Pitzer方程计算硫酸盐物质溶解度,建立了硫酸盐结垢趋势预测模型。
可预测SO42-作为公用离子的多种硫酸盐共同沉淀情况,并考虑NaCl、Na2SO4、MgCl2、CaCl2等多种组分对结垢的影响。
地表及油层不同温度和压力下,硫酸盐的过饱和度和沉淀量的计算值来判断硫酸盐的结垢趋势。
该模型对Forties油田的硫酸盐结垢趋势进行了预测,结论与现场观察结果符合良好。
其缺点就是该模型只适用于25-150℃范围内,且未考虑特殊离子如K+和HCO3的作用。
硅垢的预测模型
2003年,李萍等人针对三元复合驱,根据溶度积理论建立了硅垢预测模型,其表达式为:
SiO2(s,非晶质)+2H2O=H4SiO4(Ksp=2×10-3)(2-6)
2H4SIO4+2Al(OH)4-1=Al2Si2O5(OH)4(S,高岭石)+5H2O+2OH-(2-7)
(K=2.3×109)
Q=
(2-8)
式中:
Ksp为25℃时非晶质SiO2的溶度积常数;K和Q分别为式(2-8)的平衡常数和浓度商。
当可溶性SiO2的摩尔浓度[H4SiO4]
资料显示,对大庆三元复合驱油井采集垢样的检测分析表明,预测结果与实际情况基本吻合。
该预测模型可用于选择油田注水水质、减少对储层的损害。
3.混合垢的预测技术
3.1Oddo-Tomson饱和指数法
Oddo-Tomson饱和指数法考虑了热力学及离子强度进行校正因素,还考虑了CO2的逸度及在油水中的分配,使用活度积、溶度积及离子缔合理论建立了硫酸盐和碳酸钙结垢预测模型。
该方法可预测任何生产井中在不同压力、温度下碳酸钙、硫酸钙、硫酸锶或硫酸钡微溶物的结垢倾向,其预测基本模型如下:
IS=log{[Me][An]/Kc(t,p,Si)}或IS=log{[Me][An]+PKc(t,p,Si)}(2-9)
式中:
[Me]、[An]、t、p、Si分别表示阳离子活度、阴离子活度、温度、压力和离子强度。
判断是否生成垢的标准为:
当IS=0时,表示溶液与固体垢相平衡;IS>0时表示过饱和状态,能形成结垢;IS<0时表示欠饱和状态,不能形成垢。
大量文献表明,Oddo-Tomson饱和指数法是预测油气田无机垢的有效方法,俞进桥等人根据Oddo-Tomson在SPE21710论文中的方程推断出了硫酸钙的具体形态,使得模型的运用更为准确。
如果该方法能结合结晶动力学及流体力学因素对结垢的影响,并建立相关的计算模型,其预测无机垢倾向将更准确。
3.2饱和系数法
此方法从热力学平衡原理出发,考虑油田水体系的多元化、离子间存在着不同的离子效应以及温度、压力对结垢的影响,提出了针对复杂的油田多元体系的结垢预测技术。
油田水体系中存在多个平衡,若某种成垢物质的平衡式为:
A2++B2+AB(2-10)
则成垢物质AB的饱和系数为:
S=
(2-11)
其中QSp=
(2-12)
式中:
CA2+和CB2-分别表示体系中A2+和B2-浓度,mol/L;Qsp为成垢物质AB的溶度积;S为成垢物质AB的饱和系数;KSP为成垢物质AB的热力学溶度积;r1和r2分别为A2+和B2-两种离子的活度系数;r为A2+和B2-两种离子的平均活度系数。
判断标准如下:
当S>1时,体系中有AB结垢倾向;当S<1时,体系中无AB结垢倾向;当S=1时,体系处于饱和状态。
饱和系数法在歧口油田复杂水体系结垢预测中取得了较好的效果。
但还应通过实验手段获取更多的物化数据,使某些拟合方程更具代表性。
4.结垢预测发展及展望
综上所述,早期的结垢预测主要是在溶解平衡的基础上,考虑温度和酸碱度影响因素,并未考虑压力、混合结晶等影响因素,因而有一定局限性;其优点是计算不复杂,便于油田工作者应用。
到20世纪70年代后,随着计算机的广泛使用,使复杂多元平衡计算成为可能,逐渐发展一些数学模型。
这些模型大都建立在热力学因素,微溶盐类的溶解平衡基础上,有的还对多元体系中成垢离子之间的互相影响也进行了一些研究。
目前,研究比较少的问题主要是结垢量、结垢周期及结垢部位的预测,这些是急需解决的问题。
今后应开展建立较完善的油气田结垢倾向及结垢量预测模型、开发计算机软件工作。
(1)建立科学的模型必须对结垢机理进行深入研究,还应考虑结晶动力学、流体力学等因素对结垢的影响。
(2)计算机数值模拟的化学基础的建立。
模拟地层条件、井筒及地面集输管线,建立相应环境(温度、压力、酸碱度、离子组分),并进行相关垢物结垢趋势实验,了解结垢特性。
(3)数学模型的建立。
根据结垢机理建立相应模型及化学方程,模型的求解构成复杂的数值模拟,可采用数值计算的迭代原理。
按照最优化理论合理选用初值,向真值逐步逼近。
(4)形成相关的预测软件。
作为软件系统要具备如下功能:
准确计算预测结果,可靠度高,实现人机对话、操作简单,汉字输入,绘制相应结垢趋势图。
总之,我国的油气田结垢预测技术与国外先进技术还有很大差距。
目前研究和借鉴别人的先进技术能为我国油气田结垢预测产生更好效益,也有利于自身发展。
各油气田应将预测理论与油气田水质、温度、压力、含盐量及酸碱度等情况相结合,选用或提出适合于本油气田的结垢预测方法。
第三章结垢原因及防垢机理
在油田作业过程中,油、气、水和泥浆都是需要经过地层或管道传输的流体,当诸如温度、压力、酸碱度等条件发生变化时,在地层通道或传输设备中都有可能生成油垢、水垢或泥垢。
从油气田勘探开发的整个过程和地层结构来看,这些地方包括:
油、气、水储集层的孔隙问、裂缝间及岩缝间;井下泵体内,井下钻具内,井简、套管、抽油管等,井下钻采设备的流体传输通道周围的地层喉道处;油井、注水井井口集输管汇,油气水分离设备、地面油气传输管线,油气集输管线,储运设备注水系统管线;水套炉,加热炉盘管和热水伴随管线及掺热液的管线,多井计量装置等。
当结垢条件(物理、化学、热力学和流体力学)成熟时,这种可能就成为现实。
最易结垢的地方也是最易发生垢堵、卡死和最易腐蚀、损坏设备的地方。
1.油田结垢机理及影响因素
1.1结垢机理
长期的实践表明,结垢的形成过程是一个复杂的过程,一般可以分成以下4步:
第1步:
水离子结合形成溶解度很小的盐类分子:
Ba2++SO42-→BaSO4↓(3-1)
Ca2++SO42-→CaSO4↓(3-2)
Ca2++CO32-→CaCO4↓(3-3)
第2步:
结晶作用,分子结合和排列形成微晶体,然后产生晶粒化过程;
第3步:
大量晶体堆积长大,沉积成垢;
第4步:
由于不同的条件,形成不同产状的结垢。
如在加热炉中,由于温度高或局部过热,使垢脱水,石膏变成硬石膏,使垢坚硬致密。
在“二合一”的加热沉降罐中,流速较为缓慢,沉淀作用起决定因素,所以结垢比较疏松。
1.2结垢的影响因素
在垢形成过程中,溶液过饱和状态、结晶的沉淀与溶解、与表面的接触时间等是关键因素。
其中,过饱和度是结垢的首要条件。
过饱和度除与溶解度相关外,还受热力学、(结晶)动力学、流体动力学等多种因素影响。
总之,不同的条件对形成结垢的各个阶段产生不同程度的影响。
(1)温度对结垢的影响
首先,温度升高碳酸氢酸钙分解,释放CO2,促进碳酸钙垢生成。
反应式如下:
Ca(HCO3)2→CaCO3↓+CO2↑+H2O(3-4)
其次,温度升高碳酸钙溶解度降低,(碳酸钙25℃时的溶解度为0.053g/L),导致垢的析出。
(2)流速和液流形态对结垢的影响
在不考虑其它因素的情况下,水的流速越小,结垢趋势越大。
渗流较层流、层流较湍流更易结垢,亦即雷诺数越小越易结垢。
另外。
流速、流向的突然改变也会导致结垢加剧。
由于受油井产液量的不稳定性、含气量、管线走向、变径、弯头等因素的影响,导致管线输液流态的变化,破坏了成垢离子的平衡状态,其使结晶析出,同结在钢管内壁,这是造成集油管线结垢点主要集中在弯头、变径处的主要原因。
(3)集输管线磨阻大小对结垢的影响
集输管线内表面磨阻越大,成垢晶体越易固结而一旦管线内壁结垢,磨阻将进一步增大,导致干线压力升高,不稳定流态加剧,结垢速度将大幅度提高。
(4)pH值对结垢的影响
体系的pH值对垢的形成也有很大影响,一般pH值升高结垢趋势增强,pH值降低结垢趋势减弱。
pH<4时,主要是以碳酸形式存在。
pH=4~10,主要以碳酸氢根离子形式存在。
pH>10时,主要以碳酸氢根离子形式存在。
(5)压力对结垢的影响
压力的影响主要表现在二氧化碳分压对结垢的影响,改变二氧化碳分压会影响垢的形成。
由于介质压力突然降低,溶解于水中的二氧化碳逸出,水的PH值升高,水中的离子之间的平衡被打破此时重碳酸盐在碱性条件下会发生如下反应,结果生成难溶的碳酸钙沉淀。
Ca2++2HCO3-=CaCO3↓+CO2↑+H2O(3-5)
Ca(HCO3)2+2(OH)-→CaCO3↓+2H2O+CO32-(
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