油田注汽锅炉腐蚀机理及综合控制措施研究

一、前言

辽河油田作为我国重要的稠油生产基地，长期采用蒸汽驱（SAGD）和蒸汽吞吐等热采工艺。注汽锅炉作为关键设备，其运行稳定性直接影响采收率。然而，在高温（ >300% ）、高压（>14MPa）及复杂水质条件下，锅炉系统普遍存在腐蚀问题，导致管壁减薄、爆管事故频发，年维修成本增加约 15%. -20% 。通过系统性分析腐蚀机理并提出针对性控制措施，可降低设备故障率，保障稠油热采安全高效运行，对油田降本增效具有重要现实意义。

二、注汽锅炉腐蚀类型及机理分析

2.1 腐蚀类型

氧腐蚀：在注汽锅炉运行过程中，当水中溶解氧（ D0>0.1mg/L ）时，在高温条件下，金属氧化过程会被显著加速，从而形成局部点蚀现象。其发生的主要原理是，溶解氧在金属表面的电化学过程中作为去极化剂，加速了金属的阳极溶解反应。金属表面的微小缺陷或杂质处容易形成微小的原电池，在溶解氧的作用下，这些部位优先发生氧化反应，逐渐形成点蚀坑。

酸性腐蚀：水中存在的Cl⁻、 SO₄^2- 及 CO₂ 等物质溶解后会形成酸性介质，当介质的 pH<7 时，就会导致均匀腐蚀的发生。Cl⁻ 具有很强的穿透性，能够破坏金属表面的钝化膜，使得金属直接暴露在腐蚀介质中； SO₄^2- 在一定条件下会参与化学反应，促进腐蚀的进行； CO₂ 溶解于水形成碳酸，降低了溶液的 pH 值，增强了溶液的腐蚀性，使得金属表面发生均匀的腐蚀。

应力腐蚀开裂（SCC）：应力腐蚀开裂是材料在残余应力与腐蚀介质协同作用下引发的裂纹扩展现象。在注汽锅炉制造和运行过程中，材料内部会存在一定的残余应力，当这些应力与腐蚀介质接触时，在材料的薄弱部位就会引发裂纹。随着时间的推移，裂纹会在应力和腐蚀介质的共同作用下不断扩展，最终可能导致设备的失效。

沉积物下腐蚀：在注汽锅炉运行过程中，水中的 CaCO₃ 、 SiO₂ 等物质会形成水垢并沉积在金属表面。这些沉积物的存在会导致局部 pH 值发生异常变化，从而诱发电化学腐蚀。沉积物下的微环境与周围环境不同，形成了局部的浓差电池，使得沉积物下的金属发生腐蚀。

2.2 辽河油田腐蚀特征

为了深入了解辽河油田注汽锅炉的腐蚀情况，对辽河某区块的 12 台注汽锅炉进行了全面检测。检测数据显示，该区块注汽锅炉的腐蚀速率最高达到了 0.45mm/a ，远远超过了行业标准的 ⩽0.1mm/a_⨀ 。从腐蚀部位分布来看，80% 的腐蚀集中于对流段管束及汽水分离器焊缝处。对流段管束在运行过程中，由于汽水的流动和热量交换，其所处的环境较为复杂，容易受到腐蚀介质的侵蚀；汽水分离器焊缝处由于存在焊接应力和结构上的不连续性，也成为了腐蚀的高发区域。水质分析结果表明，水中 Cl⁻ 浓度超标严重，其浓度>200mg/L ，同时溶解氧的含量波动显著。高浓度的Cl⁻ 和不稳定的溶解氧含量，为腐蚀的发生和发展提供了有利条件，加剧了注汽锅炉的腐蚀程度。

三、腐蚀影响因素

3.1 水质参数

溶解氧（DO）：溶解氧对注汽锅炉的腐蚀有着显著影响。研究表明，随着氧分压的升高，腐蚀速率呈指数增长。在高温高压的环境下，溶解氧能够迅速参与金属表面的电化学腐蚀反应，加速金属的氧化过程。当氧分压增加时，更多的氧分子能够到达金属表面，提供更多的去极化作用，从而使得腐蚀反应更加剧烈。

pH 值：溶液的 pH 值对腐蚀过程有着重要影响。当 pH<6 时，溶液中 H⁺ 浓度较高， H⁺ 的去极化作用加剧，使得金属表面的腐蚀反应更容易发生；而当 pH>9 时，虽然酸性腐蚀有所减弱，但此时碱脆风险增加。在碱性环境下，金属材料的晶体结构可能会发生变化，导致材料的脆性增加，容易发生裂纹和断裂。

离子浓度：水中的离子浓度对注汽锅炉的腐蚀也起着关键作用。Cl⁻ 能够破坏金属表面的钝化膜，使得金属表面失去保护，从而促进局部腐蚀的发生。SO₄^2- 在一定条件下能够加速硫酸盐还原菌（SRB）的繁殖，SRB 的代谢活动会产生酸性物质，进一步加剧腐蚀。此外，其他离子如 Ca²⁺ 、 Mg²⁺ 等形成的水垢，也会对腐蚀过程产生影响。

3.2 运行工况

温度对注汽锅炉的腐蚀有着重要影响。当温度 >200% 时， Fe-H₂0 体系电位负移，此时活化腐蚀占主导地位。在高温环境下，金属原子的活性增强，化学反应速率加快，使得金属更容易发生腐蚀反应。同时，高温还会加速腐蚀介质在金属表面的扩散速度，进一步促进腐蚀的进行。

压力波动在注汽锅炉运行过程中较为常见，这种压力波动会导致汽水界面反复冲刷金属表面。在汽水界面处，由于汽水两相的流动特性，会对金属表面产生较大的机械力，加速机械腐蚀的过程。长期的压力波动和汽水界面冲刷，会使得金属表面的材料逐渐被磨损和腐蚀，降低设备的使用寿命。

3.3 材料因素

注汽锅炉所采用的材料对其耐腐蚀性有着直接影响。20G 碳钢是注汽锅炉常用的材料之一，但该材料抗 Cl⁻ 腐蚀能力较弱。在含有较高浓度 Cl⁻ 的介质中，20G 碳钢表面的钝化膜容易被破坏，从而导致腐蚀的发生。316L 不锈钢虽然具有较好的耐腐蚀性，但在高硫环境下，容易发生硫化物应力腐蚀（SSCC）。不同材料在不同环境下的腐蚀特性差异较大，因此合理选择材料对于控制注汽锅炉的腐蚀至关重要。

四、腐蚀控制措施

4.1 水质优化技术

物理除氧：采用真空脱氧塔 + 热力除氧器组合工艺能够有效地去除水中的溶解氧。真空脱氧塔通过降低系统压力，使得水中的溶解氧逸出；热力除氧器则利用加热的方式，使水达到沸点，从而将溶解氧去除。通过这种组合工艺，能够将水中的 DO 降低至 ⩽0.05mg/L ，大大减少了因溶解氧引发的腐蚀问题。

化学除氧：投加联氨（ N₂H₄ ）或亚硫酸钠（ Na₂SO₃ ）是常用的化学除氧方法。联氨和亚硫酸钠能够与水中的溶解氧发生化学反应，将氧还原，从而达到除氧的目的。在实际应用中，需要严格控制化学药剂的残余量，使其保持在 5-10mg/L ，以确保除氧效果的同时，避免药剂对设备产生其他不良影响。

4.2 涂层防护

内壁涂层：在注汽锅炉内壁喷涂 _Al2O3-TiO2 陶瓷涂层（厚度 80-120μm ），该涂层具有良好的耐高温性能，能够承受 400℃的高温。陶瓷涂层能够在金属表面形成一层致密的保护膜，隔离金属与腐蚀介质的接触，从而有效防止腐蚀的发生。

阴极保护：在汽包内部安装牺牲阳极（ Mg-Al-Zn 合金），通过牺牲阳极的方式对汽包进行阴极保护。当牺牲阳极与汽包金属连接后，在电解质溶液中，牺牲阳极会优先发生氧化反应，释放电子，使得汽包金属表面处于阴极状态，从而得到保护。将保护电位控制在 -0.85V\~-1.05V（vsCSE），能够有效抑制汽包的腐蚀。

4.3 运行管理优化

结垢控制：采用电磁防垢装置 + 周期性化学清洗（柠檬酸 + 缓蚀剂）的方式进行结垢控制。电磁防垢装置通过改变水中离子的存在状态，抑制水垢的形成；周期性化学清洗能够去除已经形成的水垢，确保垢层厚度 <0.5mm ，防止因结垢引发的沉积物下腐蚀等问题。

维护策略：建立基于风险的检验（RBI）制度，对注汽锅炉的高风险部位实施每年 2 次的停机检测。通过对设备进行风险评估，确定不同部位的腐蚀风险等级，有针对性地进行检测和维护，能够及时发现潜在的腐蚀问题，降低设备发生故障的风险。

五、结论

本研究通过对辽河油田注汽锅炉腐蚀问题的深入研究，明确了注汽锅炉的主要腐蚀类型及机理，分析了影响腐蚀的水质参数、运行工况和材料因素等关键因素。在此基础上提出的水质优化与智能化管理相结合的综合腐蚀控制措施，在现场应用中取得了良好的效果，有效控制了注汽锅炉的腐蚀问题，降低了设备故障率，提高了设备运行效率，实现了降本增效的目标。

参考文献

[1] 曲波 , 董瑾 . 油田注汽锅炉腐蚀及控制 [J]. 中国石油和化工标准与质量 ,2014(3):98-98.