張 濤,周好斌,許 慶

(西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710065)

應(yīng)用技術(shù)

脈沖電流陰極保護(hù)參數(shù)的影響規(guī)律

張 濤,周好斌,許 慶

(西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710065)

在NaCl溶液中建立了均勻介質(zhì)模擬油井套管體系，采用掛片法研究了方波脈沖電流參數(shù)(頻率、占空比)、陽(yáng)極距離等因素對(duì)方波脈沖電流陰極保護(hù)效果的影響。結(jié)果表明：隨著方波脈沖電流頻率和占空比的增加，陰極極化電位分布曲線逐漸負(fù)移，極化幅度逐漸增加，有效保護(hù)深度明顯延長(zhǎng)，所需平均保護(hù)電流更小。要提高保護(hù)效果和降低電流消耗，應(yīng)選擇中間范圍的占空比、較高的頻率以及適當(dāng)?shù)年庩?yáng)極距離。

油井套管;脈沖電流;陰極保護(hù);電流參數(shù);陽(yáng)極距離

油井套管脈沖電流陰極保護(hù)技術(shù)距今已經(jīng)有四十多年的發(fā)展歷史，但是人們對(duì)其機(jī)理以及保護(hù)效果的研究還很匱乏。油田現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用實(shí)例少見報(bào)道，這在很大程度上限制了該技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。胡士信，邱于兵等在陰極保護(hù)方面做了大量的研究，而對(duì)于油井套管脈沖電流陰極保護(hù)的研究卻仍很少。脈沖電流陰極保護(hù)技術(shù)具有傳統(tǒng)直流陰極保護(hù)技術(shù)無(wú)法比擬的優(yōu)越性,目前，國(guó)外該項(xiàng)技術(shù)僅少量應(yīng)用于油井套管系統(tǒng)，而國(guó)內(nèi)在油井套管系統(tǒng)方面還沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道[1-3]。油井套管脈沖電流陰極保護(hù)技術(shù)的優(yōu)越性已經(jīng)顯現(xiàn)出來(lái),因此針對(duì)該技術(shù)的保護(hù)規(guī)律和效果有必要進(jìn)行深度研究[4-5]。

本工作模擬了水池油井套管腐蝕體系，研究了模擬環(huán)境中脈沖電流陰極保護(hù)參數(shù)(頻率，占空比，陽(yáng)極距離)對(duì)40角鋼方波脈沖電流陰極保護(hù)效果的影響，以期為實(shí)際油田油井套管的防腐蝕提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)

試驗(yàn)采用掛片法，在5.0 m×0.5 m×0.5 m的水池中建立了均勻介質(zhì)模擬油井套管體系，試驗(yàn)裝置示意圖見圖1。其中，試驗(yàn)用電源為自制脈沖電源；陰極采用長(zhǎng)4.5 m的40角鋼，試樣在試驗(yàn)前先用拋光機(jī)進(jìn)行除銹處理，然后用金剛石砂紙逐級(jí)打磨至160號(hào)，再經(jīng)丙酮脫脂、干燥24 h后，上端焊接電位線，設(shè)定四個(gè)等距離保護(hù)電位測(cè)量點(diǎn)；陽(yáng)極為φ100 mm×30 mm的石墨體；參比電極為232型飽和甘汞電極，4支參比電極等距離擺放。陰陽(yáng)極入水深度均為10 cm，試驗(yàn)溶液為0.6%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)NaCl溶液。

圖1 模擬油井套管陰極保護(hù)系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of simulated well casing cathodic protection system

試樣放置好后，調(diào)整好兩者距離，浸泡16 h后開始試驗(yàn)。先測(cè)量角鋼表面自腐蝕電位(Ecorr)分布，然后再施加一定頻率和占空比參數(shù)的脈沖電流(I)，測(cè)量管表面保護(hù)電位的分布，距離陽(yáng)極最近處為參比電極測(cè)試點(diǎn)1，然后依次為測(cè)試點(diǎn)2，測(cè)試點(diǎn)3，測(cè)試點(diǎn)4。

試驗(yàn)時(shí)間為72～168 h，在脈沖電流陰極保護(hù)下，陰極極化電位不斷負(fù)移。根據(jù)以往試驗(yàn)結(jié)果，極化120 min后，電位達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，然后每隔1 h測(cè)一次電位，每組測(cè)8次取平均值[6-7]。

根據(jù)陰極保護(hù)效果判斷標(biāo)準(zhǔn),選取極化電位(相對(duì)于飽和甘汞電極，SCE)為-0.77～-1.03 V即達(dá)到有效保護(hù)。正于-0.77 V為欠保護(hù),負(fù)于-1.03 V則為過(guò)保護(hù)[8]。

2 結(jié)果與討論

2.1 方波脈沖電流參數(shù)的影響

由圖2可見，占空比(p)為20%條件下，當(dāng)頻率(f)為500 Hz時(shí)，保護(hù)電位為690～1 033 mV，此時(shí)距離陽(yáng)極最近處試樣已處于過(guò)保護(hù)狀態(tài)，而隨著保護(hù)深度增加，試樣末端保護(hù)電位卻未達(dá)到極化電位要求范圍，試樣未得到有效保護(hù)[9-11]。當(dāng)頻率為3 500 Hz時(shí)，其保護(hù)電位為718～1 016 mV，盡管試樣末端仍未完全處于陰極極化電位要求范圍，但是試樣絕大部分處于被保護(hù)狀態(tài)，且未出現(xiàn)過(guò)保護(hù)現(xiàn)象。當(dāng)頻率增至5 500 Hz時(shí)，其保護(hù)電位為705～1 026 mV，保護(hù)效果不如3 500 Hz時(shí)的?？梢?單純改變頻率無(wú)法使管表面達(dá)到有效保護(hù)。因此，采用脈沖電流陰極保護(hù)時(shí)，頻率并非越高越好，取中間值時(shí)保護(hù)效果反而更好。由圖2還可見，相同頻率條件下，占空比為50%時(shí)，脈沖電流陰極保護(hù)效果最好，因此占空比也應(yīng)當(dāng)取中間值。

(a) p=20% (b) p=50% (c) p=70%圖2 不同占空比條件下，不同頻率脈沖電流對(duì)陰極保護(hù)效果的影響Fig. 2 Effects of pulse current with different frequencies on cathodic protective results in different duty cyde conditions

2.2 陽(yáng)極距離的影響

根據(jù)脈沖電流參數(shù)影響的試驗(yàn)結(jié)果,選擇了一組適當(dāng)?shù)拿}沖電流參數(shù):f=3 500 Hz、p=20%、IA=220 mA。采用該電流參數(shù),在不同的陰陽(yáng)極距離下，得到陰極表面極化電位分布，結(jié)果見表1和圖3。

由圖3可見，當(dāng)陽(yáng)極距離(D)為1 cm時(shí)，管表面電位為698～1 061 mV，管上部(深度0～0.3 m)已開始出現(xiàn)過(guò)保護(hù)現(xiàn)象，而下部(3～4.5m)還未達(dá)到有效保護(hù)。當(dāng)D為5 cm時(shí)，管表面電位為705～1 067 mV，管上部仍有過(guò)保護(hù)現(xiàn)象，但不明顯，下部仍未達(dá)到有效，但較D為1 cm時(shí)有所改善。當(dāng)D為10 cm時(shí)，管表面電位為735～1 014 mV，管上部未出現(xiàn)過(guò)保護(hù)現(xiàn)象，下部(約4～4.5 m)未達(dá)到有效保護(hù)。當(dāng)D為20 cm時(shí)，管表面電位為66～1 059 mV，管上部(深度0～0.2 m)已開始出現(xiàn)過(guò)保護(hù)現(xiàn)象，而下部(.5～4.5 m)還未達(dá)到有效保護(hù)?？梢?，D并不是越小或者越大越好，即陽(yáng)極距離陰極不宜太近或者太遠(yuǎn)。在條件允許的情況下,應(yīng)盡可能采用適當(dāng)較大的陽(yáng)極距離[12-15]。

表1 陽(yáng)極距離對(duì)保護(hù)效果的影響Tab. 1 Effects of anode distance on protection results mV

圖3 陽(yáng)極距離對(duì)陰極保護(hù)效果的影響圖Fig. 3 The influence diagram of anode distance on the cathodic protection effect

3 結(jié)論

(1) 隨著保護(hù)時(shí)間的推移，脈沖電流在不同參數(shù)條件下，陰極保護(hù)電位都會(huì)越來(lái)越負(fù)。

(2) 其他條件不變時(shí)，脈沖電流陰極保護(hù)參數(shù)選取較高頻率、適中占空比時(shí)，陰極才能得到較好保護(hù)，且消耗電流更低。

(3) 要使陰極在脈沖電流陰極保護(hù)條件下達(dá)到較好的保護(hù)效果，應(yīng)盡可能選擇中間范圍的陽(yáng)極距離。

(4) 在實(shí)際的油井套管脈沖電流陰極保護(hù)系統(tǒng)中，一般陽(yáng)極地床距離井口的水平距離不能太近或太遠(yuǎn)，因此只通過(guò)調(diào)節(jié)D不可能使套管達(dá)到全線有效保護(hù)，此時(shí)應(yīng)該適當(dāng)調(diào)節(jié)脈沖電流參數(shù)值，否則只能采取其他措施來(lái)增加套管保護(hù)深度。

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Influence Law of Pulse Current Cathodic Protection Parameters

ZHANG Tao, ZHOU Hao-bin, XU Qing

(School of Material Science and Engineering, Xi′an Shiyou University, Xi′an 710065, China)

Simulation system of oil well casing was established in NaCl solution, coupon test method was used to investigate the effect of square wave pulse current parameters (frequency, duty cycle) on protection effect of pulse current cathodic protection. The results showed that with the increase of square wave pulse current frequency and duty cycle, the cathodic polarization potential distribution curve negatively shifted gradually, the polarization amplitude increased gradually, the effective protection depth was obviously prolonged, the protection current was smaller in average. To improve the protection effect and reduce the current consumption, the middle range of duty ratio, high frequency and appropriate distance between the cathode and the anode should be chosen.

oil well casing； pulse current； cathodic protection； current parameter； anode distance

10.11973/fsyfh-201701014

2015-07-17

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計(jì)劃項(xiàng)目(2013KTCL-04)

周好斌(1965-),教授,博士,主要從事腐蝕與防護(hù)技術(shù)、焊接設(shè)備與工藝研究,15249290929,hbzhou@xsyu.edu.cn

TG172

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1005-748X(2017)01-0062-03