一种用于油管的牺牲阳极阴极保护器及其制备方法与流程

1.本发明涉及油气田开采领域中钢质油管系统的材料腐蚀与防护技术领域，具体涉及一种用于油管的牺牲阳极阴极保护器及其制备方法。


背景技术：

2.随着我国对能源的消耗和需求越来越大，西部多数油田开采深度越来深，伴随着地层温度越来越高，原油中的非油成分越来越复杂，油管服役环境越来越恶劣，原油中高含h2s/co2等酸性气体，会对钢质油管造成严重腐蚀，引发油管的腐蚀问题影响其服役寿命甚至发生油管断裂等严重的安全事故，严重影响油气田的安全生产。同时目前保护油管的牺牲阳极往往通过焊接的方式把牺牲阳极材料分片组合焊接到油管表面。牺牲阳极分片往往容易从与油管焊缝连接的位置优先发生溶解，阳极材料与油管之间失去金属电连接通道。石油中的腐蚀性介质直接通过腐蚀溶解的孔洞直接进入到牺牲阳极材料与油管之间，引发牺牲阳极材料和油管的腐蚀，腐蚀产物在空隙位置堆垛，无法自行扩散。随着油管与牺牲阳极材料之间由于腐蚀产物不断产生的原因二者之间电阻越来越大，最后牺牲阳极无法提供足够大的阳极电流到钢质油管表面，从而导致保护性能丧失的问题。另外，现役铸造类牺牲阳极阴极保护器采用一次性铸造成型工艺，存在晶粒尺寸及成分分布不可控形成成分偏聚的问题，容易在服役过程中出现严重的局部溶解引起局部脱落，影响阴极保护器的服役过程中采油作业的安全性。
3.随着油田开采的进行特别是油井中后期含水、含盐量的提高，钢质油管腐蚀越来越严重，油井深度越来越深，常规的涂层保护和内衬层油管热胀冷缩和加工过程中的缺陷引入导致局部破裂引起油管腐蚀的不可预测性，高可靠性牺牲阳极阴极保护提供的被动防护作用变得越来越重要。目前公开发表的阴极保护器有3个专利文献，其中，公告号为cn208038556u的一种油管阴极保护器、公告号为cn202482437u的油管阴极保护器，该两个专利文献中能一定程度上对油管起到保护作用，但是这两种阴极保护器都是通过机械连接的方法实现组合，在服役一段时间后就会有腐蚀介质进入阳极材料和支撑管之间发生腐蚀形成腐蚀产物的堆积，从而大幅提高阳极放电通道种的电阻值，阳极溶解电流大幅减小，因此不能有效提供对油管高可靠性的保护。而公告号为cn204251715u的油管阴极保护器专利文献，一定程度解决了阳极材料与支撑管之间的阳极溶解放电通道的稳定性问题，但是由于采用一次铸造成型工艺，存在晶粒尺寸及成分分布不可控形成成分偏聚的问题，容易在服役过程中出现严重的局部溶解引起局部脱落，影响阴极保护器的服役过程中采油作业的安全性。
4.另，目前塔河油田和顺北油田油管内腐蚀问题较为突出，上述方法均不能解决油田油管的腐蚀防护问题。
5.因此，如何提供一种能解决油田油管的腐蚀防护问题的用于油管的牺牲阳极阴极保护器便成为了本领域技术人员急需解决的技术问题。


技术实现要素：

6.本发明公开一种用于油管的牺牲阳极阴极保护器，包括管状支撑体，所述管状支撑体的外圆周面形成有结合层，所述结合层的外圆周面形成有由牺牲阳极材料形成的包覆层，所述包覆层为所述牺牲阳极材料经过轧制、退火后的板材形成的包覆层，所述结合层为所述牺牲阳极材料浇铸的薄层结构经快速冷却以获得细小等轴晶区的结合层。
7.作为优选，所述牺牲阳极材料为铝或者锌或者镁或者至少两种形成的合金。
8.作为优选，所述结合层的厚度小于等于2mm。
9.作为优选，所述包覆层与所述结合层的厚度之和为6-8mm。
10.作为优选，所述管状支撑体的两头端部的外圆周面均设有丝扣，所述丝扣与所述管状支撑体相连接的油管上的扣型相匹配。
11.作为优选，所述管状支撑体为钢质油管。
12.本发明的用于油管的牺牲阳极阴极保护器，具有如下技术效果：
13.该包覆层由牺牲阳极材料构成，且其是经过轧制退火后的板材形成的包覆层，该包覆层可实现牺牲阳极材料的组织分布均匀、晶粒尺寸稳定可控性，可避免电化学不均匀性，提高活性均匀溶解的性能；并设置一结合层，其实现包覆层和管状支撑体的冶金结合连接，且其是经浇铸而成的薄层结构经快速冷却以获得细小等轴晶区的结合层，可以实现晶粒细化的目的，实现均匀的连接。该保护器，可解决现有技术中“直接在内壁和外壁进行焊接阳极材料或通过挤压包覆外壁或饥馑内壁”无法解决组织和元素分布均匀的问题，同时可避免传统浇铸工艺形成的保护器导致晶粒尺寸和成分不均匀引起的表面电化学不均匀性导致表面发生严重的局部溶解现象，能实现表面的均匀溶解稳定放电。
14.作为优选，牺牲阳极材料的可选类型较多，易于获取。
15.作为优选，结合层的厚度极薄，易于获得细小等轴晶区。
16.作为优选，加工有丝扣，便于实现与油管的连接。
17.作为优选，管状支撑体为钢质油管，便于获取。
18.本发明还提供了一种用于油管的牺牲阳极阴极保护器的制备方法，包括如下步骤：
19.提供一管状支撑体；
20.加热所述管状支撑体使其温度达到680-700℃，该温度下于所述管状支撑体的外圆周面浇铸牺牲阳极材料，使其形成一薄层结构，之后进行快速冷却，形成一结合层；
21.于所述结合层的外圆周面包覆一由所述牺牲阳极材料经过轧制、退火后的板材形成的包覆层。
22.作为优选，加热所述管状支撑体达到680-700℃，维持在该温度下3min后再进行浇铸，浇铸后维持在该温度下4min后再进行冷却。
23.作为优选，提供一管状支撑体后，于所述管状支撑体的两头端部的外圆周面均加工丝扣，所述丝扣与所述管状支撑体相连接的油管上的扣型相匹配。
24.作为优选，所述薄层结构的厚度小于等于2mm。
25.具有如下技术效果：
26.将管状支撑体加热至680-700℃，便于浇铸的牺牲阳极材料的扩散，以形成薄层的结构，且经快速冷却后，可获得细小的等轴晶区，从而实现晶粒尺寸可控，不同于传统意义
上的浇铸。并结合层的外圆周面包覆一由所述牺牲阳极材料经过轧制、退火后的板材形成的包覆层，可实现牺牲阳极材料的组织分布均匀、晶粒尺寸稳定可控性，可避免电化学不均匀性，提高活性均匀溶解的性能。
27.作为优选，维持温度680-700℃3min后，可使得管状支撑体整体受热效果好，能较长时间维持在一个较高的温度，使得浇铸后的牺牲阳极材料能够快速扩散，达到薄层化的效果，并之后再维持4min，同样可使得其快速扩散，实现均匀分布。当然时间上不限于此，只要能满足使其形成快速扩散形成薄层结构即可。
附图说明
28.图1为本发明所提供的一种用于油管的牺牲阳极阴极保护器的一种具体实施方式的结构示意图。
29.图1中附图标记如下：
30.1管状支撑体，2结合层，3包覆层，4丝扣。
具体实施方式
31.如图1所示，图1为本发明所提供的一种用于油管的牺牲阳极阴极保护器的一种具体实施方式的结构示意图。
32.结合图1，本发明提供一种用于油管的牺牲阳极阴极保护器，包括管状支撑体1，所述管状支撑体1的外圆周面形成有结合层2，所述结合层2的外圆周面形成有由牺牲阳极材料形成的包覆层3，所述包覆层3为所述牺牲阳极材料经过轧制、退火后的板材形成的包覆层3，所述结合层2为所述牺牲阳极材料浇铸的薄层结构经快速冷却以获得细小等轴晶区的结合层2。
33.该包覆层3由牺牲阳极材料构成，且其是经过轧制退火后的板材形成的包覆层3，该包覆层3可实现牺牲阳极材料的组织分布均匀、晶粒尺寸稳定可控性，可避免电化学不均匀性，提高活性均匀溶解的性能；并设置一结合层2，其实现包覆层3和管状支撑体1的冶金结合连接，且其是经浇铸而成的薄层结构经快速冷却以获得细小等轴晶区的结合层2，可以实现晶粒细化的目的，实现均匀的连接。该保护器，可解决现有技术中“直接在内壁和外壁进行焊接阳极材料或通过挤压包覆外壁或饥馑内壁”无法解决组织和元素分布均匀的问题，同时可避免传统浇铸工艺形成的保护器导致晶粒尺寸和成分不均匀引起的表面电化学不均匀性导致表面发生严重的局部溶解现象，能实现表面的均匀溶解稳定放电。
34.其中，牺牲阳极材料为铝或者锌或者镁或者至少两种形成的合金。
35.牺牲阳极材料的可选类型较多，易于获取。
36.该具体实施方式中，结合层2的厚度小于等于2mm。
37.结合层2的厚度极薄，易于获得细小等轴晶区。
38.另，包覆层3与所述结合层2的厚度之和为6-8mm。
39.如图1所示，管状支撑体1的两头端部的外圆周面均设有丝扣4，所述丝扣4与所述管状支撑体1相连接的油管上的扣型相匹配。
40.加工有丝扣4，便于实现与油管的连接。
41.进一步的，管状支撑体1为钢质油管。
42.管状支撑体1为钢质油管，便于获取。
43.本发明还提供了一种用于油管的牺牲阳极阴极保护器的制备方法，包括如下步骤：
44.提供一管状支撑体1；
45.加热所述管状支撑体1使其温度达到680-700℃，该温度下于所述管状支撑体1的外圆周面浇铸牺牲阳极材料，使其形成一薄层结构，之后进行快速冷却，形成一结合层2；
46.于所述结合层2的外圆周面包覆一由所述牺牲阳极材料经过轧制、退火后的板材形成的包覆层3。
47.将管状支撑体1加热至680-700℃，便于浇铸的牺牲阳极材料的扩散，以形成薄层的结构，且经快速冷却后，可获得细小的等轴晶区，从而实现晶粒尺寸可控，不同于传统意义上的浇铸。并结合层的外圆周面包覆一由所述牺牲阳极材料经过轧制、退火后的板材形成的包覆层3，可实现牺牲阳极材料的组织分布均匀、晶粒尺寸稳定可控性，可避免电化学不均匀性，提高活性均匀溶解的性能。
48.进一步的，加热所述管状支撑体1达到680-700℃，维持在该温度下3min后再进行浇铸，浇铸后维持在该温度下4min后再进行冷却。
49.维持温度680-700℃3min后，可使得管状支撑体1整体受热效果好，能较长时间维持在一个较高的温度，使得浇铸后的牺牲阳极材料能够快速扩散，达到薄层化的效果，并之后再维持4min，同样可使得其快速扩散，实现均匀分布。当然时间上不限于此，只要能满足使其形成快速扩散形成薄层结构即可。
50.该方法中，在提供一管状支撑体1后，于所述管状支撑体1的两头端部的外圆周面均加工丝扣4，所述丝扣4与所述管状支撑体1相连接的油管上的扣型相匹配。
51.并所述薄层结构的厚度小于等于2mm。
52.该发明具有成本低廉、结构简单、易于现场施工，具有优异的服役放电保护性能，可以在油田现场大规模推广使用。
53.通过在油田现场应用，井下温度150℃，相比于之前使用的阴极保护器，牺牲阳极材料表面均匀溶解，局部腐蚀现象消失，油管表面未见大面积锈蚀的情况，此设计的阴极保护器对油管取得良好的保护，从而保障油井的安全生产。
54.以上实施方式仅为本发明的示例性实施方式，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出的各种修改或等同替换也落在本发明的保护范围内。