油田注汽管道適用性問(wèn)題分析

趙鋒琦

河南油田油建工程建設(shè)有限責(zé)任公司,河南南陽(yáng) 473132

油田注汽管道適用性問(wèn)題分析

趙鋒琦

河南油田油建工程建設(shè)有限責(zé)任公司,河南南陽(yáng) 473132

注蒸汽開采是稠油油田普遍采用的有效開采方式。稠油熱采注汽管道由于長(zhǎng)期運(yùn)行在高溫、高壓和介質(zhì)高腐蝕的工況下而極易發(fā)生失效。開展油田注汽管道的適用性評(píng)價(jià)，可降低事故發(fā)生率，保障油田生產(chǎn)安全。

注汽管道；稠油開采；管道腐蝕；適用性評(píng)價(jià)

0 引言

稠油熱采注蒸汽系統(tǒng)主要包括：蒸汽鍋爐、地面注汽管道、井下管柱等部分。由于油田地面注汽管道在內(nèi)部受到輸送水質(zhì)和蒸汽品質(zhì)、交變的高低溫環(huán)境等的影響，在外部可能受到土壤和大氣的腐蝕作用，使得注汽管道的工作狀況十分惡劣，包括氫腐蝕、沖刷腐蝕、局部腐蝕等諸多類型的腐蝕作用可能同時(shí)發(fā)生；在高溫和非穩(wěn)定高壓的工作狀況下，注汽管道的材料退化速度、裂紋擴(kuò)展速度也可能大大加快，這些因素都會(huì)導(dǎo)致注汽管道承壓強(qiáng)度大大的下降，極有可能引發(fā)各種事故，對(duì)油田生命財(cái)產(chǎn)安全危害極大，如果不及時(shí)進(jìn)行管道系統(tǒng)適用性評(píng)估，一旦發(fā)生失效事故，將造成停工停產(chǎn)等巨大經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡等惡性事故。本文主要就油田注汽管道適用性問(wèn)題進(jìn)行探討[1，2]。

1 含缺陷管道適用性評(píng)價(jià)技術(shù)

含缺陷管道適用性評(píng)價(jià)包括含缺陷管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)和剩余壽命預(yù)測(cè)兩個(gè)方面。含缺陷管道剩余強(qiáng)度評(píng)價(jià)是在管道缺陷檢測(cè)基礎(chǔ)上，通過(guò)嚴(yán)格的理論分析、試驗(yàn)測(cè)試和力學(xué)計(jì)算，確定管道的最大允許工作壓力(MAOP)和當(dāng)前工作壓力下的臨界缺陷尺寸，為管道的維修和更換，以及升降壓操作提供依據(jù)。其目的主要是確定服役中的管道能否安全運(yùn)行、是否需要更換等問(wèn)題。

含缺陷管道剩余壽命預(yù)測(cè)是在研究缺陷的動(dòng)力學(xué)發(fā)展規(guī)律和材料性能退化規(guī)律的基礎(chǔ)上，給出管道的剩余安全服役時(shí)間。剩余壽命預(yù)測(cè)結(jié)果可以為管道檢測(cè)周期的制定提供科學(xué)依據(jù)。

剩余壽命的方法大體包括兩種：一是基于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)和監(jiān)測(cè)積累的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。腐蝕檢測(cè)是利用內(nèi)外腐蝕檢測(cè)技術(shù)定期進(jìn)行管道的缺陷檢測(cè)，從而獲得缺陷的動(dòng)力學(xué)發(fā)展規(guī)律。監(jiān)測(cè)技術(shù)包括現(xiàn)場(chǎng)掛片試驗(yàn)、腐蝕探針等技術(shù)，通過(guò)監(jiān)測(cè)可以實(shí)時(shí)得到缺陷的動(dòng)力學(xué)發(fā)展規(guī)律；二是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬管道服役環(huán)境進(jìn)行缺陷增長(zhǎng)規(guī)律試驗(yàn)，通過(guò)模擬試驗(yàn)獲得缺陷的動(dòng)力學(xué)發(fā)展規(guī)律，然后對(duì)管道剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。但應(yīng)當(dāng)注意，這里主要論述的是管材本身的剩余壽命預(yù)測(cè)，實(shí)際上，對(duì)于具體管線的剩余壽命，還應(yīng)當(dāng)考慮管線防腐層的有效保護(hù)壽命和緩蝕劑的有效保護(hù)壽命問(wèn)題。有關(guān)這方面的研究雖有報(bào)道，但總的來(lái)說(shuō)難度很大，研究極不成熟。

2 注汽管道腐蝕損傷原因分析

2.1 氫腐蝕

注汽管道內(nèi)壁在高溫高壓氫環(huán)境中服役一定時(shí)間后，氫與鋼中的碳反應(yīng)生成甲烷即，使鋼基體平均含碳量降低。這一反應(yīng)一般從鋼的表面開始，逐漸向內(nèi)部推進(jìn)，當(dāng)脫碳嚴(yán)重，生成的甲烷氣體無(wú)法外逸時(shí)，就只能積聚在晶界或其它雜物周圍，造成局部壓力升高而導(dǎo)致產(chǎn)生顯微裂紋，使鋼的機(jī)械強(qiáng)度、延伸性和韌性下降和劣化。因此，不僅鋼的里層脫碳脆化，嚴(yán)重時(shí)發(fā)展為氫裂紋、氫鼓泡開裂。這種脆化現(xiàn)象是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的結(jié)果，具有不可逆轉(zhuǎn)性，也稱永久脆化現(xiàn)象。

注汽管道中發(fā)生的氫腐蝕跟化工生產(chǎn)中的臨氫設(shè)備不同。注汽管道中的氫腐蝕，氫無(wú)直接來(lái)源，氨是由于其它反應(yīng)問(wèn)接產(chǎn)生的。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，凡是發(fā)生氫腐蝕的部位必是局部腐蝕的部位。解決了局部腐蝕問(wèn)題，堵住了氫的來(lái)源，氫腐蝕的問(wèn)題就解決了。

2.2 氧腐蝕

注汽管道的金屬氧腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕，鐵和氧形成兩個(gè)電極，組成腐蝕電池，在腐蝕電池中鐵的電位總是比氧的電位低，所以鐵是電池的陽(yáng)極，而遭到腐蝕，其原理是：注汽管道內(nèi)壁和鋼管內(nèi)壁的氧化鐵保護(hù)膜因水質(zhì)惡化和熱力等原因部分被破壞，在漏出的鋼表面水和保護(hù)膜表面之間形成局部電池；鐵從陽(yáng)極析出。

溶解析出的鐵離子Fe2+在存在溶解氧的情況下，進(jìn)一步氧化成氫氧化鐵。腐蝕產(chǎn)物呈沉淀物狀堆積在陽(yáng)極上，在沉淀物內(nèi)的氧濃度和覆蓋在陰極表面上水的氧濃度之間有一個(gè)濃度差，產(chǎn)生氧濃差電池。作為陽(yáng)極部位的鐵被逐步溶解，加劇了金屬表面的腐蝕，降低了注汽管道的使用壽命。鐵是一種中等活潑的金屬，而氧單質(zhì)的化學(xué)活性很強(qiáng)。由以上各式子中可以看出，在酸性條件下02→ H20的電極電位(1.229V)大于Fe→ Fe2+的電極電位(0.44V)；所以在酸性條件下02氧化Fe的反應(yīng)很容易發(fā)生。

2.3 停用腐蝕

由于停用時(shí)氧的濃度大，腐蝕面積廣，并且氧可以擴(kuò)散到各個(gè)部位，因此，停用腐蝕的部位與上文所提的運(yùn)行氧腐蝕有顯著差別。上文所提到的氧腐蝕是熱力設(shè)備常見(jiàn)的一種腐蝕。熱力設(shè)備在安裝、運(yùn)行和停運(yùn)期間都可能發(fā)生氧腐蝕。注汽管道停用腐蝕的決定條件就是氧氣與水汽，它們的存在就會(huì)導(dǎo)致在管壁表面產(chǎn)生腐蝕。由于這種腐蝕是在常溫或非高溫的條件下都可以發(fā)生。這種停用腐蝕的危害性反而比運(yùn)行期間嚴(yán)重，因?yàn)樵谧⑵艿劳Ｓ靡院?，外界空氣就?huì)大量進(jìn)入注汽管道的水汽系統(tǒng)內(nèi)，此時(shí)在鍋爐金屬內(nèi)表面上總是附著一層水膜，空氣中的氧氣便溶解在此水膜中，以致達(dá)到飽和狀態(tài)，這就特別容易引起溶解氧腐蝕。而且在金屬表面如果還有溶于水膜的鹽垢的話，腐蝕將會(huì)更加強(qiáng)烈。停用腐蝕是在低溫下發(fā)生的，腐蝕產(chǎn)物是高價(jià)氧化鐵，其結(jié)構(gòu)比較疏松，而且對(duì)金屬表面的附著性差，在運(yùn)行期間會(huì)起陰極去極化劑的作用。電極反應(yīng)產(chǎn)物為亞鐵化合物，不僅腐蝕了金屬，而且二價(jià)化合物在下次停用期間，又被氧化成高價(jià)化合物，使腐蝕過(guò)程反復(fù)進(jìn)行。所以，停用腐蝕主要的危害主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：在短期內(nèi)使注汽管道金屬表面遭到大面積破壞和加劇注汽管道運(yùn)行時(shí)的腐蝕。

3 結(jié)論

注蒸汽開采稠油是國(guó)內(nèi)新疆、遼河、勝利等稠油油田普遍采用的有效開采方式，在美國(guó)、加拿大、委內(nèi)瑞拉等主要稠油生產(chǎn)國(guó)，也是采用注蒸汽開采稠油。隨著油田開發(fā)接近后期稠油油藏的動(dòng)用，將建設(shè)大量的注汽管道。而油田注汽管道適用性問(wèn)題顯得尤為突出，本文通過(guò)注汽管道腐蝕損傷機(jī)理研究，發(fā)現(xiàn)注汽管道主要的腐蝕形式是氫腐蝕、氧腐蝕和停用腐蝕。

[1]束青林，張本華，毛衛(wèi)榮，等.孤島油田特高含水期提高 采收率技術(shù)措施及效果[J].油氣地質(zhì)與采收率，2009，16（5）.

[2]徐明海，馬景樹，張健，等.稠油熱采注蒸汽管網(wǎng)枝狀布 置優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào).自然科學(xué)版，2005，29（1）.

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