來自由美國加州斯坦福大學(xué)管理的SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家們正在著手開發(fā)一項(xiàng)旨在于更好分析原油中硫化物腐蝕速率的新型分析工具。

    該X射線分析法是SLAC旗下斯坦福同步輻射光源分部（SSRL）所進(jìn)行一系列試驗(yàn)項(xiàng)目的一部分。 在該項(xiàng)目中，來自于雪佛龍公司和薩斯喀徹溫大學(xué)的研究人員正在SSRL進(jìn)行一系列的試驗(yàn)與分析來研究原油中存在硫的不同形式。

    通過運(yùn)用X射線光譜法來觀察原油，我們能夠觀察并解釋高專一性硫化物所具有的復(fù)雜化學(xué)性質(zhì)。

    雪佛龍公司的材料研究工程師Monica Barney

    原油中時(shí)常存在的化合物包括噻吩和芳香硫醚。雪佛龍公司旗下的許多煉油廠和石油化工產(chǎn)品處理站每天都要處理大量原油。掌握高溫環(huán)境下原油處理設(shè)備中的原油腐蝕速率能使工程師采取腐蝕預(yù)防手段來保護(hù)設(shè)備。

    歷史數(shù)據(jù)采集法

    Barney表示原油中存在的硫會與各種設(shè)備中的金屬發(fā)生反應(yīng)從而對設(shè)備造成破壞。因此，工程師必須考慮這些化學(xué)反應(yīng)以確保原油加工時(shí)的安全性。

    工程師能輕而易舉地測定原油中存在的硫含量，但硫濃度的高低與腐蝕程度并沒有關(guān)聯(lián)，這使得工程師們很難預(yù)測某種原油在高溫下的腐蝕性。

    我們可以測定硫濃度，但無法確定其化學(xué)反應(yīng)度，了解原油中硫的類型對于預(yù)測可能出現(xiàn)的腐蝕來說至關(guān)重要。“

    Barney：雪佛龍公司和薩斯喀徹溫大學(xué)的合作就此開始。在收集完研究數(shù)據(jù)后，Barney團(tuán)隊(duì)將嘗試分析獲取到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。

    Barney表示多年以來石油行業(yè)使用的是實(shí)地匯編數(shù)據(jù)——腐蝕速率以時(shí)間的形式來代表一系列經(jīng)常被使用的合金；而被稱為”修正后的納爾遜曲線“使用的是含有wt%硫含量原油的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并通過溫度的形式來體現(xiàn)腐蝕速率。

    但是這種方法無法用來表征和量化不同種類的硫，原因是不同硫的組成不同，因此其化學(xué)反應(yīng)度的變化程度可能超過一個(gè)數(shù)量級，尤其是在高溫情況下。

    光譜分析法

    在搜尋答案的過程中，Barney的團(tuán)隊(duì)無意中在網(wǎng)上發(fā)現(xiàn)了由薩斯喀徹溫大學(xué)Graham George和Ingrid Pickering兩位教授所繪制的曲線圖，兩位均是SSRL 的前雇員，曾在SSRL研究所進(jìn)行過有關(guān)分子生物學(xué)和毒物學(xué)的實(shí)驗(yàn)研究。

    該曲線圖顯示的光譜所采集的數(shù)據(jù)均為各種類型硫（類似于原油中存在的硫）的數(shù)據(jù)疊加，展示了如何通過將整體光譜與標(biāo)準(zhǔn)庫進(jìn)行對比以確定單個(gè)化合物的類型，使研究人員能更詳細(xì)地了解不同原油中存在的硫化合物的組成。

    當(dāng)我偶然發(fā)現(xiàn)這個(gè)曲線圖時(shí)，我知道這就是我們多年來一直在找尋、需要的東西。這種表征法可以幫助量化不同種類的硫。

    Barney：此外，他們還研發(fā)了一種使用”軟X射線“來檢驗(yàn)石油的方法，這種射線的強(qiáng)度值處于高能和低能X射線之間。通過使用強(qiáng)度適中的X射線，研究人員能夠收集有關(guān)硫和與硫相關(guān)其他化學(xué)元素的詳細(xì)信息。這種檢驗(yàn)法將強(qiáng)度適中的X射線照射在樣品的表面薄層上，X射線可以收集來自樣品的某些信號，研究人員可以根據(jù)這些信號來準(zhǔn)確預(yù)測樣品的組成。

    研究人員使用的樣品可以是原油、石油的蒸餾產(chǎn)品、加工或萃取后獲得的產(chǎn)品。此類樣品中硫或其他元素的濃度范圍從100ppm至2wt%不等。樣品的腐蝕速率將在高溫情況下暴露在金屬表面上時(shí)進(jìn)行測定。

    在一個(gè)實(shí)驗(yàn)案例中，研究人員將一份樣品與一片金屬合金共同放入高壓釜中。該金屬片的大小或形狀并不固定，同時(shí)在被投入高壓釜的前后都會對其進(jìn)行稱重和測量。

    此外，樣品和金屬合金還能被置于探針中通過觀察陽極電阻的變化來測量記錄實(shí)時(shí)腐蝕速率。在這種情況下，高壓釜的最高溫度能保持在398.9攝氏度，壓力保持在1,000 psi。

    具體操作是先將合金片插入到樣品中，接著將高壓釜密封，然后將溫度提升到試驗(yàn)溫度，使石油發(fā)生沸騰攪動，試驗(yàn)時(shí)間通常為8小時(shí)至6個(gè)月。

    所有樣品的腐蝕速率都將與樣品中單獨(dú)的各項(xiàng)組分的相對含量進(jìn)行比較以建立數(shù)據(jù)模型或方程式。該模型將腐蝕速率和樣品中的不同元素含量建立起聯(lián)系，如在百萬分率等級下硫，氮，氧和氯的含量。

    經(jīng)改良的硫化腐蝕預(yù)測結(jié)果

    這些試驗(yàn)結(jié)果能提供有關(guān)不同石油中硫相對含量的信息，研究人員能將這些數(shù)據(jù)與現(xiàn)有模型結(jié)合以提高腐蝕預(yù)測結(jié)果的精確性。

    George表示”這正是一個(gè)將光譜學(xué)投入實(shí)際應(yīng)用的實(shí)例“，并認(rèn)為在2018年將對其進(jìn)行進(jìn)一步的測試。

    利用X射線進(jìn)行的分析實(shí)驗(yàn)是由雪佛龍公司和薩斯喀徹溫大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)共同進(jìn)行的，雙方表示將使用其他實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行分析以增強(qiáng)對原油中硫的化學(xué)性的認(rèn)識。雙方的研究目標(biāo)是將通過使用多種化學(xué)表征方法得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與從腐蝕研究和計(jì)算機(jī)模擬預(yù)測得到腐蝕相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)合、比較。

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責(zé)任編輯：王元

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