集气站污水处理装置腐蚀规律及防护措施研究*

刘亚锋

(陕西威能检验咨询有限公司，陕西西安 710075)

随着我国各大油气田逐渐进入高含水开发阶段，油井和气井的采出液中含水量大幅增加，给油气集输处理工作带来了更多的困难[1-3]。集气站主要承担对气井采出的天然气进行收集、降压、计量、预处理以及加热等处理工作。从气井采出的天然气通常含有一定量的凝析油、水以及其他固相杂质等，对于部分含水率较高的气井，集气站中会收集大量的污水，该类污水中含有较多的盐类物质、固相杂质、化学药剂以及细菌等微生物，需要对其进行处理后才能回收利用或者外排[4]。集气站污水处理装置因长期接触污水，会对金属设备产生一定的腐蚀，影响设备的使用寿命和污水处理效率，因此，研究污水对水处理装置的腐蚀规律，并提出腐蚀防护措施建议，对提高集气站污水处理装置的运行效率具有较重要的意义。

根据前期资料调研及分析结果，污水对处理设备及管道的腐蚀影响因素主要包括污水矿化度、pH值、溶解氧含量、二氧化碳含量、硫化氢含量以及细菌含量等。西部某集气站平均日产水约500 m3，污水处理装置已接近满负荷运行，随着污水产出量的持续增加，污水对处理装置的腐蚀风险越来越大。笔者以目标集气站储水罐中的污水为研究对象，通过室内试验，考察了不同影响因素对储水罐Q235钢材腐蚀速率的影响，并提出涂覆环氧树脂涂层以及添加缓蚀剂等防腐蚀措施建议，为该集气站污水处理装置的高效运行提供一定的技术支持和参考。

1.1 主要试验材料及仪器

试验用污水取自集气站污水处理流程中的储水罐，具体离子组成见表1；
试验用钢片材质为Q235钢；
浓盐酸、氢氧化钠、硫化钠，均为分析纯，国药集团化学试剂有限公司；
高纯二氧化碳气体(φ≥99.999%)、高纯氧气(φ≥99.999%)，成都宏锦化工有限责任公司；
高性能缓蚀剂HS-1(有效质量分数为85.5%)，实验室自制；
环氧树脂涂层(w≥80%)，河北晟财环保设备有限公司。

表1 污水试样离子组成

GWF-1型腐蚀挂片反应釜装置的主要设备包括高温高压反应釜、热电偶、温度显示装置、安全阀门、高压阀门管件以及铝合金支架等，海安县石油科研仪器有限公司。

1.2 试验方法

室内采用静态挂片失重法对集气站污水处理装置中储水罐钢材的腐蚀速率进行评价，将钢片统一加工成尺寸为50 mm×25 mm×2 mm的挂片，腐蚀速率的计算方法参照JB/T 7901—1999《金属材料实验室均匀腐蚀全浸试验方法》，腐蚀试验时间均为72 h，试验用腐蚀介质均为集气站污水处理现场污水(其中考察溶解氧、二氧化碳以及硫化物对腐蚀速率的影响时，通过引入氧气、二氧化碳或者硫化钠来配制相应的污水)。腐蚀防护措施研究中防腐涂层的制备方法参照GB/T 1727—2021《漆膜一般制备法》进行。

2.1 污水处理装置腐蚀影响因素研究

2.1.1 污水矿化度的影响

在污水pH值为7.0，溶解氧质量浓度为0.1 mg/L，二氧化碳质量浓度为5 mg/L，硫化物质量浓度为20 mg/L，试验温度为25 ℃试验条件下，考察了污水矿化度对腐蚀速率的影响，结果见图1。

图1 污水矿化度对腐蚀速率的影响

由图1可见：随着污水矿化度的不断升高，腐蚀速率逐渐增大，当污水的矿化度由5 029 mg/L升至51 027 mg/L时，腐蚀速率由0.338 mm/a增至1.874 mm/a。这是由于矿化度的升高会使污水溶液的电导率增大，加快了电荷的运移速率，使电化学反应加剧，有利于腐蚀反应的进行；
另外，矿化度较高时污水容易结垢，易对金属钢材表面产生局部结垢腐蚀，进一步加剧了腐蚀反应进程。

2.1.2 污水pH值的影响

在污水矿化度为32 051 mg/L，溶解氧质量浓度为0.1 mg/L，二氧化碳质量浓度为5 mg/L，硫化物质量浓度为20 mg/L，试验温度为25 ℃的条件下，考察了污水pH值对腐蚀速率的影响，污水的pH值使用盐酸或氢氧化钠进行调节，结果见图2。

图2 污水pH值对腐蚀速率的影响

由图2可见：随着污水pH值的不断升高，腐蚀速率呈逐渐减小的趋势。当污水pH值为3时，腐蚀速率高达2.337 mm/a，当污水pH值升至10时，腐蚀速率则降低至0.369 mm/a。这是由于溶液的pH值越低时，其中的氢离子含量较多，导致腐蚀介质的还原性较强，腐蚀速率增大；
当水溶液的pH值越高时，其中的氢离子含量就越少，腐蚀速率随之下降。

2.1.3 溶解氧质量浓度的影响

在污水矿化度为32 051 mg/L，污水pH值为7.0，二氧化碳质量浓度为5 mg/L，硫化物质量浓度为20 mg/L，试验温度为25 ℃的条件下，考察了污水中溶解氧质量浓度对腐蚀速率的影响，结果见图3。

图3 溶解氧含量对腐蚀速率的影响

由图3可见：随着污水中溶解氧质量浓度的不断升高，腐蚀速率逐渐增大。当污水中溶解氧质量浓度为0.4 mg/L时，腐蚀速率可由不含溶解氧时的0.915 mm/a增至1.979 mm/a。这是由于污水中存在溶解氧时，容易对金属钢材表面的电化学腐蚀起到较强的促进作用，并且溶解氧含量越高，腐蚀促进作用就越强。

2.1.4 二氧化碳质量浓度的影响

在污水矿化度为32 051 mg/L，污水pH值为7.0，溶解氧质量浓度为0.1 mg/L，硫化物质量浓度为20 mg/L，试验温度为25 ℃的条件下，考察了污水中二氧化碳质量浓度对腐蚀速率的影响，结果见图4。

图4 二氧化碳含量对腐蚀速率的影响

由图4可见：随着污水中二氧化碳质量浓度的不断升高，腐蚀速率呈逐渐增大的趋势。当二氧化碳质量浓度由0升至20 mg/L时，腐蚀速率可由0.419 mm/a增至2.084 mm/a，增幅较明显。这是由于污水中的部分二氧化碳会以碳酸的形式存在，不仅会降低污水的pH值，还会促进金属材料表面的电化学腐蚀反应，进而使腐蚀速率有所升高。

2.1.5 硫化物质量浓度的影响

在污水矿化度为32 051 mg/L，污水pH值为7.0，溶解氧质量浓度为0.1 mg/L，二氧化碳质量浓度为5 mg/L，试验温度为25 ℃的条件下，考察了污水中硫化物质量浓度对腐蚀速率的影响，结果见图5。

图5 硫化物质量浓度对腐蚀速率的影响

由图5可见：随着污水中硫化物质量浓度的不断升高，腐蚀速率逐渐增大。当硫化物含量由0升至20 mg/L时，腐蚀速率由0.319 mm/a增至2.039 mm/a。这是由于硫离子在水中水解易生成硫氢根离子和硫化氢，能与金属中的铁离子反应生成硫化铁腐蚀产物，而污水中硫化物的含量越高，生成的硫化铁腐蚀产物就越多，腐蚀速率就越大。

2.1.6 温度的影响

在污水矿化度为32 051 mg/L，污水pH值为7.0，溶解氧质量浓度为0.1 mg/L，二氧化碳质量浓度为5 mg/L，硫化物质量浓度为20 mg/L的条件下，考察了试验温度对腐蚀速率的影响，结果见图6。

图6 试验温度对腐蚀速率的影响

由图6可见：随着试验温度的不断升高，污水对储水罐Q235钢材的腐蚀速率逐渐增大。当试验温度由20 ℃升至50 ℃时，腐蚀速率由1.201 mm/a增至2.519 mm/a。这是由于当温度升高时，污水中离子的扩散速率会随之加快，从而使金属钢材在污水中的腐蚀速率升高。

2.2 腐蚀防护措施研究

2.2.1 防腐涂层效果评价

按照1.2节中的方法，在Q235钢材表面涂覆不同厚度的环氧树脂涂层，以考察其在污水中的防腐效果。在污水矿化度为32 05 mg/L，污水pH值为7.0，溶解氧质量浓度为0.1 mg/L，二氧化碳质量浓度为5 mg/L，硫化物质量浓度为20 mg/L，试验温度为25 ℃的条件下，试验结果见图7。

图7 涂层厚度对防腐效果的影响

由图7可见：随着环氧树脂涂层厚度的逐渐增大，污水对Q235钢材的腐蚀速率迅速减小。当涂层的厚度达到151 μm时，腐蚀速率减小至0.117 mm/a；
而当涂层厚度达到507 μm以上时，腐蚀速率则减小至0。试验结果表明：环氧树脂涂层对Q235钢材的防腐效果较好，涂层厚度优选500 μm。

2.2.2 添加缓蚀剂效果评价

在试验用污水中添加不同质量浓度的高性能缓蚀剂HS-1，考察其对Q235钢材的防腐蚀效果，试验条件同2.2.1节，试验结果见图8。

图8 缓蚀剂HS-1质量浓度对防腐效果的影响

由图8可见：随着污水中缓蚀剂HS-1质量浓度的不断增大，污水对Q235钢材的腐蚀速率逐渐减小。当缓蚀剂HS-1的质量浓度达到100 mg/L时，腐蚀速率降至0.016 mm/a，与空白污水相比，腐蚀速率降低了98.58%。试验结果表明：高性能缓蚀剂HS-1对Q235钢材的防腐效果较好，在污水中添加HS-1能够有效降低污水储罐的腐蚀速率，缓蚀剂HS-1的添加量优选100 mg/L。

1)污水处理装置腐蚀影响因素评价结果表明：当污水矿化度越高，溶解氧质量浓度越高，二氧化碳质量浓度越高，硫化物质量浓度越高，温度越高时，污水对储水罐Q235钢材的腐蚀速率就越大，而污水pH值越高，腐蚀速率则越小。

2)腐蚀防护措施研究结果表明：在储水罐Q235钢材表面涂覆环氧树脂涂层能够有效降低污水对钢材的腐蚀速率，涂层厚度优选500 μm左右。此外，在污水中添加高性能缓蚀剂HS-1也可以有效降低污水对Q235钢材的腐蚀速率，缓蚀剂HS-1的添加量优选100 mg/L。