1 海洋平臺開發的作用

    中國社會經濟進入了全新的發展時代，能源在產業經濟優化升級中的作用更加顯著，這標志著人類社會正式走向能源開發與利用時期。最近一年（2011年）的能源報告顯示，我國海上石油與天然氣開采的總產值收益持續上升，新型能源的利用價值得到肯定，這為我國能源開發與利用工程提供了科學的指導。

表1 2011年石油能源數據

    從能源報告顯示，我國能源存儲量、消費量、生產量之間的比例差異顯著，盡管石油存儲量龐大，但由于計劃經濟體制影響下，每年開發的石油用量相對較小。從市場需求比例來說，市場消費量超出實際產量的數額，這說明了能源市場的供需失衡，企業還需大量石油能源作為燃油、汽油等燃料使用。因此，創建海洋資源開發平臺對解決國內能源應用危機有著很大的幫助，也是產業經濟現代化發展的必然要求。

    2 硫化氫氣體的腐蝕性質

    伴隨著能源科技水平的全面提升，海洋油氣資源開發模式得到了全面推廣，先進科技融入能源開采作業創造了豐厚的經濟收益。其中，以信息科技為支撐的海洋地質勘測系統正廣泛使用，這種勘測系統減小了海洋資源的勘察定位，提高了能源開發的針對性，使國內石油資源開采量持續上升2.44%，逐漸與市場需求量指標相互靠近。海洋開采環節了市場上的能源危機，開辟了石油、天然氣等能源供應的多元化模式。但同時，現場開采作業中發現了海洋資源開發出現的一些問題，主要是開采生產中產生一系列的化學氣體，往往給生產人員及設備造成了不利影響，如圖1。

圖1 硫化氫的危害性

    2.1 化學性質    

    硫化氫是海洋油氣田開發常有的氣體，硫化氫具有腐蝕性、毒性、污染性等諸多危害，對油氣田作業人員及開采設備是很大的危害，處理不當會影響到整個油氣田工程作業的有序進行。硫化氫的腐蝕性來源于其酸性特點，結合鐵金屬的腐蝕變化，其化學式如下：

    2NaOH+H₂S=Na₂S+2H₂O    ①

    H₂S=>H+HS=>H+S++2-    ②

    Fe=>Fe+2e    ③

    2H+2e=>H₂Fe與H₂S    ④

    xFe+yH₂S=>FexSy+2yH₂+2+++2    ⑤

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    2.2 腐蝕原理

    從腐蝕原理分析，硫化氫腐蝕金屬儀表本質上是化學、物理性質的變化，金屬材質與外界環境之間產生的物理反應、化學反應，最終造成金屬材質表面出現氧化、腐蝕等現象，影響了金屬儀表的使用功能。海洋平臺中金屬儀表或器材的腐蝕機理如下：

    ①式：H₂S的酸性特點，經過此方程式反應后，產生對應的酸物質，這是一個初步的化學反應。

    ②式：以鐵金屬為例，H₂S在H₂O溶液下，產生的電化學反應，對腐蝕性作用具有顯著的表達過程。

    ③式：陽極變化流程

    ④式：陰極變化流程

    ⑤式：鐵金屬被腐蝕過程的化學反應，此化學式產生了硫化鐵等物質，在金屬表面形成氧化膜，阻礙了金屬離子的通過，使金屬表面的腐蝕現象加劇。

    3 適用于海洋平臺抗硫化氫腐蝕儀表的應用研究

    伴隨著海洋石油、天然氣資源開發量的持續增多，與海洋能源工程相配套設施的應用范圍更加廣闊，各種大小開發設備均發揮出了其利用價值，推動了自然能源開采量的上升。調節閥是海洋平臺作業中不可缺少的儀表設備，如圖2，其能夠對所有能源開采系統實施自動化調控，建立了現代化工業生產體系，加快了石油工程開采控制的自動化發展。

圖2 調節閥圖示

    調節閥功能原理：對控制單元輸出的控制信號進行調控，主要負責工業設備中的流量、壓力、溫度、液位等諸多參數的調控，減小了操作人員手工監測與控制的難度。鑒于調節閥對海洋平臺操作的應用功能，本次以調節閥為主導設備，經過詳細地抗腐蝕性試驗操作，研制了其抗硫化氫腐蝕的相關措施。具體如下：

    3.1 抗腐蝕試驗

    （1）基本方法

    本次選用的實驗材料為金屬630材料，這種材料的抗硫化氫腐蝕開裂試驗依據GB4157-2006進行，嚴格按照國際材料試驗協會的標準規定，如圖3。本組試驗的基本方法：在常溫常壓下，將承受拉伸應力的試樣浸在經酸化并以硫化氫飽和的氯化鈉水溶液中，為獲得硫化氫腐蝕開裂數據，將外加應力加到屈服強度的70%、75%、80%、85%、90%、95%、100%，測定試樣的斷裂時間，直到720h試樣不發生斷裂的最大應力為止。

圖3 試驗流程

    （2）設備選用    

    由于抗腐蝕試驗屬于比較特殊的反應現象，特別是在試驗過程中會產生一系列的特殊氣體，若處理不當會危害到試驗人員及儀器，抗腐蝕試驗需在相對穩定的條件下執行，以保證所得反應結果達到預期的要求。試驗容器采用標準腐蝕試驗箱。試驗用試劑硫化氫、氯化鈉、冰乙酸和醋酸鈉等均采用化學純等級的化學藥品，用蒸餾水配制。將50g氯化鈉和5g冰乙酸溶解于945g水中，初始酸度值應為pH2.6～2.8，pH可能增加，但不超過pH4。試驗溶液的溫度應保持在24±3℃。

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    （2）操作流程

    海洋平臺資源開發量大，每天都有固定的石油、天然氣生產指標，為了加快試驗對抗硫化氫儀表的使用指導，現場試驗要考慮操作流程的規范性。本次采用ASTM-630的試驗流程：①將清洗的試樣放進試驗容器內，并接好必要的密封裝置，用惰性氣體凈化容器。試驗容器凈化后，小心加載，不得超過既定的加載水平。②立即將脫除空氣的溶液注入試驗容器，以100～300ml/min流速通入硫化氫10～15min，使溶液為硫化氫所飽和，并記錄試驗開始時間。③為了獲得更加準確的化學數據，

    試驗中可通過反復試驗的方式，掌握更多數據以取中間值作為參考，多次試驗可降低數據的失誤率。

    3.2 基于抗腐蝕試驗的儀表應用處理

    （1）固溶處理

    調節閥是現代工業生產系統的常用設備，用其對系統工作狀態下的溫度、壓力、冷卻液等進行條件，加快了工業自動化系統功能的升級改造。根據上述ASTM-630試驗結果，調節閥在使用期間應進行固溶處理，這是一種特殊的熱處理工藝方案，對增強調節閥抗腐蝕功能具有顯著的應用價值。固溶處理工藝原理：對某種材料或金屬工件實施加溫處理，達到某一個溫度之后維持相應的時間周期，這樣可以加快材料的全面溶解。溫度接近臨界值時，迅速轉變為冷卻處理，回轉到室內正常溫度，便可得到了需要的固溶體。根據630材料成分，固溶化溫度分別采1000℃、1040℃和1080℃，保溫1h進行處理，并對熱處理后的試樣進行顯微組織觀察及硬度測試。試驗結果表明，經過1000℃固溶化處理后得到的組織含鐵素體過多，組織不均勻，1040℃固溶化處理后的組織主要為板條狀馬氏體和微量殘余奧氏體，1080℃固溶化處理后的組織殘余奧氏體含量過高，晶粒粗化，硬度偏低。因此，630材料在硫化氫環境下使用，選擇固溶化加熱溫度為1040±10℃。

    （2）時效處理

    除了固溶處理方法外，海洋平臺調節閥也可采取時效處理方式，這對于改變調節閥金屬材質特性具有較高的改造價值。時效處理工藝原理：對某種材料或金屬工件實施變形處理，這也是在特定溫度值條件下才能產生的效果，通過塑性變形方式改變金屬材料的性能。一般情況，可利用高溫改變金屬的化學地質，經鍛造、鑄造加工后實現變形。本次630材料固溶化處理以后，進行時效處理。通過時效硬化處理可以消除馬氏體的應力，增加韌性、塑性和耐腐蝕性，而且通過析出金屬間化合物增加材料的高溫強度和硬度。時效加熱溫度根據材料的使用溫度、性能要求和金屬析出溫度等因素確定。分別采用480℃、550℃和620℃，保溫4h進行處理，并對熱處理后的試樣進行測試。隨著時效溫度的升高，材料的強度下降，塑性上升、沖擊韌性提高。考慮材料耐硫化氫腐蝕等因素，選擇時效溫度和時間為620±10℃，保溫4h，空冷。

    4 海洋平臺抗硫化氫儀表使用的注意事項

    海洋能源工程是我國經濟建設的重點工作，主要解決了地表能源開采的儲量危機，將更多開展供轉移至海洋資源，這就實現了國內能源供應鏈的可持續發展。因油氣田開采時產生了硫化氫氣體，其具備的毒性、酸性、腐蝕性等特點，對參與海洋資源開采的人員、設備均造成很大的危害。為了更好地利用海洋能源，企業從事開發項目應考慮先進儀表的使用，針對可能出現的金屬腐蝕儀表實施固溶處理、時效處理，通過改變金屬材料的綜合性質，實現了儀表的抗腐蝕、抗損壞功能。此外，實際開采生產環節里，要注重調節閥儀表裝置的更新與檢修，定期檢查是否有腐蝕現象的發生，提前做好儀表更換或維修工作，避免腐蝕對儀表功能造成的不利影響。

    結束語

    石油和天然氣是經濟發展中不可缺少的物質能源，推廣化石燃料可以降低市場能源的供應危機，并且減少了工業燃料使用后引起的污染問題。調節閥作為工業生產系統的主要儀表裝置，應對其可能出現的腐蝕現象進行分析，掌握金屬材質的腐蝕原理及性質變化，擬定切實可靠的抗腐蝕措施。本次根據ASTM-630材質實現，提出了固溶處理及時效處理兩大方式，顯著增強了調節閥的抗腐蝕性能。