Способ обработки потока коррозионной среды
Изобретение относится к магнитной обработке технологических жидкостей и может применяться для снижения коррозии внутренней поверхности трубопроводов технологических жидкостей в разных отраслях. Способ включает воздействие на среду магнитным и электрическим полями и создание градиента концентрации ионов. Электрическое поле индуцируют магнитным полем. Вектор магнитной индукции магнитного поля перпендикулярен вектору скорости потока среды. Индуцируемое электрическое поле перемещает ионы-деполяризаторы в направлении от коррозирующей поверхности. Технический результат заключается в снижении скорости коррозии металла трубопроводов за счет минимизации катодных процессов деполяризации, способствующих коррозии металла. 2 ил., 2 табл.
Заявляемый способ относится к магнитной обработке технологических жидкостей и может применяться, например, для снижения коррозии внутренней поверхности трубопроводов технологических жидкостей в разных отраслях.
Известен способ сепарации частиц из жидкости с помощью устройства [SU 1775172, C 02 F 1/48, 15.11.1992], которое содержит корпус с крышкой, днищем и патрубками, электрическую обмотку корпуса, установленную коаксиально и соединенную с источником импульсного тока. В корпусе размещены коаксиально перфорированные обечайки разделителя жидкости и концентратор частиц, причем все обечайки выполнены с электроизоляционным покрытием одной из сторон. В центре днища установлен кристаллизатор с патрубком для отвода частиц.
Градиент концентрации ионов растворенных солей (приведенный в описании SU 1775172 пример касается опреснения морской воды), образующийся в устройстве под действием сил Лоренца, имеет такой характер, чтобы сконцентрировать и катионы. и анионы в одной и той же области устройства для их последующей ассоциации и для очистки, соответственно, другой области.
«Сгущенные» по терминологии авторов SU 1775172 вещества с концентрацией 300 г/л против исходной концентрации 60 г/л образуются именно за счет концентрирования и последующей ассоциации катионов и анионов на поверхности обечайки концентратора. Соответственно, вода, находящаяся у боковой стенки корпуса, освобождается от растворенных солей до их остаточной концентрации 5 г/л.
Механизм описанных явлений, имеющих место в устройстве по SU 1775172, следующий. В данном устройстве индуцируется магнитное поле с линиями магнитной индукции, направленными вдоль оси устройства. При этом на движущиеся в магнитном поле катионы и анионы действует радиальная сила одного направления, т.к. в этом устройстве «индукционные токи в жидкости направлены антипараллельно токам, протекающим в контурах обечаек, охватывающих жидкость, и направлены параллельно токам, протекающим в контурах обечаек, расположенных внутри жидкости» (описание SU 1775172). Поэтому и происходит перенос и положительных, и отрицательных ионов от стенки корпуса к контуру концентратора.
Во втором варианте исполнения устройства (описание SU 1775172), соответственно, происходит перенос и положительных, и отрицательных ионов к стенке корпуса от контура концентратора.
Концентрация ионов-деполяризаторов, основным из которых является ион гидроксония, остается у коррозирующей поверхности неизменной, т.к. и ион гидроксония, и гидроксил-ион в данном устройстве будут перемещаться в одну и ту же область; в другой области, соответственно, будет происходить процесс диссоциации молекул воды с образованием новых ионов гидроксония и гидроксил-ионов, поскольку их равновесная концентрация в воде постоянна.
Так как концентрация ионов-деполяризаторов, основным из которых является ион гидроксония, у коррозирующей поверхности не снижается, способ по SU 1775172 не обеспечивает замедления процесса коррозии.
Более того, снижение концентрации солей хлористого натрия, калия, магния и кальция, составляющих основную часть солей морской воды, приводит не к снижению, а к повышению скорости коррозии в ней стали [Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М.: «Металлургия», 1976, 472 с.].
Это согласуется также и с данными [Князев В.Н., Нагаев Р.Ф., Емельянов А.В., Бугай Д.Е., Лаптев А.Б., Шайдаков В.В. КОРРОЗИОННО-ЭРОЗИОННОЕ РАЗРУШЕНИЕ ВНУТРЕННЕЙ ПОВЕРХНОСТИ ТРУБОПРОВОДОВ ОАО "БЕЛКАМНЕФТЬ" - http://www.ogbus.ru/authors/Bugay/Buqay 1.pdf, опубл. 21.10.2002] о том, что скорость коррозии поверхности трубопроводов в пластовой воде при содержании солей около 300 г/л значительно ниже, чем при минерализации 3 г/л.
Прототипом заявляемого способа является способ обработки электролитных растворов (и расплавов) [Авторское свидетельство СССР №1608136, С 02 F 1/48, 1990], позволяющий создавать градиент концентрации примесей в объеме электролита путем воздействия на него переменным магнитным полем и одновременным пропусканием переменного электрического тока так, чтобы векторы электрического и магнитного полей были перпендикулярны друг другу и менялись синхронно по частоте и амплитуде.
Прототип заявляемого способа недостаточно эффективен и недостаточно технологичен из-за необходимости синхронизации векторов электрического и магнитного полей, а также необходимости подвода электроэнергии и утилизации концентрированного раствора.
Недостатком данного способа является также низкая эффективность снижения скорости коррозии стального оборудования, контактирующего с обработанной средой, т.к. удаляются в основном тяжелые ионы солей, а концентрация ионов-деполяризаторов [Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М.: «Металлургия», 1976, 472 с. - C.181], основным из которых является ион гидроксония, остается неизменной. Между тем именно концентрация деполяризаторов определяет скорость коррозии металла в водном растворе электролита.
Коррозия, как электрохимический процесс, протекает по катодному или анодному механизму за счет перетока электронов между катодным и анодным участком. В случае катодной реакции деполяризации лимитирующей стадией служит восстановление водорода из ионов Н+. Для снижения скорости коррозии достаточно уменьшить концентрацию деполяризаторов [Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М.: «Металлургия», 1976, 472 с. - С.181] у поверхности коррозирующего металла, т.е. концентрацию Н+ (или ионов гидроксония).
Абсолютные скорости ионов в водных предельно разбавленных растворах имеют значение от 4·10-8 до 8·10-8 м2/B·с, кроме ионов Н3O+ и ОН- [Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. Учеб. для хим. спец. вузов. Под редакцией А.Г.Стромберга. - 4-е изд. Испр. - М.: Высш. шк., 2001. - 527 с.]. Самыми высокими абсолютными скоростями обладают ионы гидроксония и гидроксила 
Это объясняется тем, что перемещение ионов Н3O+ и ОН- в растворе происходит по особому, так называемому эстафетному механизму, который состоит в том, что между ионами гидроксония H3O+ и молекулами воды, а также между молекулами воды и ионами ОН- непрерывно происходит обмен протонами по уравнениям
Причем эти процессы происходят с такой быстротой, что средняя продолжительность существования иона Н3O+ равна 10-11 с.
Решаемая предлагаемым изобретением задача и ожидаемый технический результат заключаются в повышении эффективности снижения скорости коррозии металла, например, трубопроводов за счет минимизации катодных процессов деполяризации, способствующих коррозии металла. Заявляемый способ технологичен, т.к. не требует подвода электроэнергии, прост в аппаратурном оформлении. Нет необходимости синхронизации векторов электрического и магнитного полей, т.к. необходимое электрическое поле автоматически индуцируется магнитным полем.
Поставленная задача решается тем, что заявляемый способ обработки коррозионной среды, включающий воздействие на нее магнитным и электрическим полями и создание градиента концентрации ионов, отличается тем, что электрическое поле в коррозионной среде индуцируют магнитным полем, при этом вектор магнитной индукции магнитного поля перпендикулярен вектору скорости потока среды, а индуцируемое электрическое поле перемещает ионы-деполяризаторы в направлении от коррозирующей поверхности.
Способ осуществляется следующей последовательностью операций:
1. Воздействие на поток коррозионной среды магнитным полем.
2. Воздействие на поток коррозионной среды индуцируемым электрическим полем.
3. Формирование в потоке коррозионной среды градиента концентрации ионов-деполяризаторов так, чтобы снизить их концентрацию у коррозирующей поверхности, для чего обеспечивают взаимное расположение вектора магнитной индукции и вектора скорости потока коррозионной среды такое, чтобы индуцируемое электрическое поле перемещало ионы-деполяризаторы в направлении от коррозирующей поверхности, а именно: вектор магнитной индукции магнитного поля перпендикулярен вектору скорости потока среды.
Осуществление заявляемого способа возможно при прохождении коррозионной среды со скоростью u>0 через магнитное поле, вектор магнитной индукции которого перпендикулярен вектору скорости потока коррозионной среды.
В каждой элементарной ячейке коррозионной среды, движущейся со скоростью u>0 в магнитном поле с индукцией В, индуцируется электрический ток.
Известно [Савельев И.В. Курс общей физики том 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. М.: Наука, 1978, 480 с.], что при движении заряженных частиц и ионов на них будет действовать в магнитном поле сила Лоренца 
, величина которой зависит от заряда (q), скорости его движения (u) и индукции магнитного поля (B). На положительно и отрицательно заряженные частицы будет действовать сила Лоренца в противоположных направлениях.
Если рассмотреть бесконечно малый - единичный объем жидкости, то при движении жидкости на содержащийся в ней единичный заряд действует электромагнитная сила Лоренца ƒ=uB, направленная перпендикулярно к вектору скорости потока коррозионной среды и к вектору магнитного поля. Под действием этой силы [Брановер Г.Г., Цинобер А.Б. Магнитная гидродинамика несжимаемых сред. Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», М: 1970, 380 с.] происходит разделение зарядов, возникает разность электрических потенциалов между соответствующими областями потока коррозионной среды; следовательно, создается электрическое поле с напряженностью Е, направленное параллельно силе ƒ, но в противоположную сторону.
Плотность токов, текущих в жидкости, легко вычислить по закону Ома j=σuB.
Здесь σ - электрическая проводимость жидкости.
Направление вектора индуцируемого электрического тока определяется по правилу левой руки [Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3-х т. под редакцией Г.С.Ландсберга. Т.2 Электричество и магнетизм. - 10-е изд. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. - 480 с.], поэтому вектор Е будет направлен перпендикулярно векторам магнитной индукции и скорости потока коррозионной среды.
Заявляемый способ может быть осуществлен, например, устройством по фиг.1. Здесь: 1 - радиальные магнитные перегородки или радиальные перегородки, на которых установлены постоянные магниты; на двух рядом расположенных радиальных перегородках магниты обращены друг к другу разноименными полюсами; 2 - корпус круглого сечения.
На фиг.1 приведена также схема векторов индукции магнитного поля, направления скорости потока коррозионной среды и индуцируемые магнитным полем электрические токи, а также зоны перераспределения ионов в потоке коррозионной среды в корпусе круглого сечения:
- ионы гидроксония Н3O+ обозначены черными точками;
- гидроксил-ионы ОН- показаны кольцами;
- тонкими стрелками показано направление индуцированного электрического тока;
- толстой стрелкой показан вектор скорости потока коррозионной среды, представляющей собой водный раствор электролита;
- тонкими круговыми линиями на основном виде устройства показаны вектора магнитной индукции; направление векторов по часовой стрелке при условии направления потока по направлению взгляда.
Корпус и перегородки устройства для осуществления способа могут быть изготовлены как из немагнитного (диамагнитного), так и магнитного (ферро- и парамагнитного) материала, в последнем случае между корпусом и перегородками должен быть зазор из немагнитного материала для исключения возможного снижения значений магнитной индукции при образовании корпусом магнитопровода.
Магниты на рядом расположенных перегородках разнополярны (например, местные виды I и II на фиг.1) для обеспечения пронизывающего объем коррозионной среды магнитного поля.
Полярность источников магнитного поля на противоположных перегородках выбирается с учетом направления индуцируемого электрического тока (движения положительно заряженных частиц). В случае, приведенном на фиг.1 (поток коррозионной среды по направлению взгляда), индуцируется движение в центр положительно заряженных частиц - ионов гидроксония.
Предлагаемый способ обеспечивает уменьшение скорости катодной реакции деполяризации и, соответственно, уменьшение скорости коррозии стали в кислых водных средах, содержащих, например, углекислоту или сероводород. Под действием силы Лоренца в центре устройства (зона Ш на фиг.1) повышается концентрация ионов гидроксония в 10-100 раз по сравнению с концентрацией около стенки корпуса (трубопровода), по экспериментальным данным, полученным авторами. В пристеночном слое электролита при этом увеличивается концентрация гидроксил-ионов в 10-100 раз, что приводит к значительному снижению скорости коррозии трубопроводов и оборудования, расположенных после устройства, реализующего заявляемый способ.
Устройство по фиг.1 предназначено для осуществления способа противокоррозионной обработки преимущественно чистого водного раствора электролита или водного раствора электролита, несколько загрязненного органической фазой и/или механическими примесями.
В случае, когда доля нефтяной фазы равна или больше доли водного раствора электролита по сечению устройства, рекомендуется применение не радиальных, а вертикальных перегородок. Тогда при увеличении концентрации ионов гидроксония в центральной зоне устройства происходит образование карбокатионов - положительно заряженных органических молекул (как правило, смол и асфальтенов) [Коптюг В.А. Карбкатионы: Строение и реакционная способность. 1964-1975. - М.: Наука, 2001. - 419 с; ил. (Избранные труды; Т.1 кн.1)]. Стабильность карбокатионов зависит от состава нефти - чем больше молекулярная масса и количество гетероатомов в молекуле, тем выше стабильность образованного ей карбокатиона.
Пример 1 - моделирование защиты от коррозии внутренней поверхности водоводов, технологических трубопроводов кислых водных растворов электролитов, где деполяризаторами служат ионы гидроксония.
Осуществляется устройством по фиг.1. В качестве коррозионной среды использован 3%-ный водный раствор хлористого натрия, подкисленный соляной кислотой до рН 4.
Исследовалась скорость коррозии образцов из стали 20 при изменении величин магнитной индукции и скорости потока коррозионной среды.
Здесь за счет движения потока по направлению взгляда и за счет направления векторов магнитной индукции по часовой стрелке происходит перераспределение концентрации ионов-деполяризаторов - ионов гидроксония - от периферии внутрь потока, к центру трубы. При ламинарном движении коррозионной среды скорость движения пристеночных слоев жидкости низкая и возрастает к центру; так что данным устройством значительно снижается концентрация ионов-деполяризаторов у коррозирующей поверхности металла. Скорость коррозии (измеренная индикатором скорости коррозии Моникор-1M) обратно пропорциональна величине магнитной индукции и скорости потока (табл.1).
| Таблица 1 | ||
| В, Т | u, м/с | Скорость коррозии, мм/год |
| 0 | 0 | 0,32 |
| 0,1 | 0,5 | 0,11 |
| 0,5 | 1,0 | 0,03 |
| 1,0 | 2,0 | 0,02 |
При ламинарном характере движения потока коррозионной среды длительность эффекта составляет более одного часа.
При турбулентном характере эффект продолжается менее одной минуты.
Взаимное расположение вектора магнитной индукции и вектора скорости потока коррозионной среды в примере 1 таково, чтобы индуцируемое электрическое поле перемещало ионы-деполяризаторы в направлении от коррозирующей поверхности.
Пример 2 - моделирование защиты от коррозии в двухфазных средах при ламинарном характере движения коррозионной среды.
В качестве коррозионной среды использовалась обводненная до 70% продукция нефтяных скважин Сергеевского месторождения с содержанием сероводорода около 30 г/м3, где деполяризаторами служат ионы гидроксония.
Исследовалась скорость коррозии образцов из стали 20 при изменении величин магнитной индукции и скорости потока коррозионной среды.
Осуществляется устройством по фиг.2 с вертикальными перегородками.
Магниты на рядом расположенных вертикальных перегородках разнополярны, аналогично радиальным перегородкам по фиг.1, для обеспечения пронизывающего объем коррозионной среды магнитного поля.
Полярность источников магнитного поля на противоположных перегородках выбирается с учетом направления индуцируемого электрического тока (движения положительно заряженных частиц).
На фиг.2 показано, что при условии направления потока коррозионной среды навстречу взгляду и направлении векторов магнитной индукции от N к S происходит индуцирование электрического тока снизу вверх. На фиг 2:
- наружная окружность - корпус устройства;
- верхний - темный - участок фиг.2, изображает нефтяную фазу;
- нижний - светлый - участок фиг.2, изображает водную фазу;
- толстые вертикальные линии - вертикальные магнитные перегородки или вертикальные перегородки, на которых установлены постоянные магниты; на двух рядом расположенных вертикальных перегородках магниты обращены друг к другу разноименными полюсами (дополнительно постоянные магниты могут быть закреплены также на боковых стенках корпуса при условии соблюдения расположения магнитов на боковой стенке и ближайшей вертикальной перегородке друг к другу разноименными полюсами);
- стрелками показано направление индуцированного электрического тока;
- тонкими горизонтальными линиями показаны вектора магнитной индукции.
В данном устройстве происходит индуцирование тока положительно заряженных ионов снизу вверх, при этом на границе раздела фаз увеличивается концентрация положительно заряженных ионов (катионов). В нефти всегда присутствует большое количество молекул смол и асфальтенов, которые образуют с указанными катионами относительно стабильные карбкатионы. Стабильность карбкатионов асфальтенов может продолжаться при отсутствии ввода в систему дополнительной энергии несколько часов.
Индуцируемое электрическое поле перемещает ионы-деполяризаторы в направлении от коррозирующей поверхности по нижней образующей трубопровода вверх, к границе раздела фаз.
Скорость коррозии стали 20 снижается в 10 и более раз при увеличении скорости потока коррозионной среды и магнитной индукции (табл.2).
| Таблица 2 | ||
| В, Т | u, м/с | Скорость коррозии, мм/год |
| 0,0 | 0,0 | 0,84 |
| 0,1 | 0,5 | 0,27 |
| 0,5 | 1,0 | 0,09 |
| 1,0 | 2,0 | 0,03 |
Для продукции скважин Сергеевского месторождения длительность эффекта составляет около 5 часов.
Взаимное расположение вектора магнитной индукции и вектора скорости потока коррозионной среды в примере 2 таково, что индуцируемое электрическое поле перемещало ионы-деполяризаторы в направлении от коррозирующей поверхности.
Таким образом, индуцирование магнитным полем электрического в потоке водного раствора электролита - как чистого, так и загрязненного, например, диспергированной в объеме нефтяной фазой - происходит, в отличие от анодной защиты, в каждом объеме электролита независимо от электрической проводимости всего объема среды, так что в этом случае нет необходимости в электродах.
Способ эффективнее и технологичнее прототипа; промышленно применим во всех отраслях промышленности, где используются стальные трубопроводы для транспорта коррозионно активных водных растворов электролитов, в том числе загрязненных органической фазой.
Способ обработки коррозионной среды, включающий воздействие на нее магнитным и электрическим полями и создание градиента концентрации ионов, отличающийся тем, что электрическое поле в коррозионной среде индуцируют магнитным полем, при этом вектор магнитной индукции магнитного поля перпендикулярен вектору скорости потока среды, а индуцируемое электрическое поле перемещает ионы-деполяризаторы в направлении от коррозирующей поверхности.
