集輸管道CO2腐蝕預(yù)測(cè)研究*

程遠(yuǎn)鵬 李自力 王菲菲 白 雪 張宏陽(yáng)

(1. 中國(guó)石油大學(xué)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院；2．長(zhǎng)江大學(xué)石油工程學(xué)院)

近年來(lái)，隨著CO2驅(qū)油工藝的發(fā)展，集輸管道因CO2腐蝕造成的井口裝置失靈、閘門絲桿斷裂、油套管穿孔及集輸管道爆破等問(wèn)題日益突出，腐蝕損失約占石油石化行業(yè)總產(chǎn)值的6%左右[1]。由此油氣集輸管道的內(nèi)腐蝕問(wèn)題已引起現(xiàn)場(chǎng)工作人員和有關(guān)防腐科研人員的廣泛重視，集輸管道的內(nèi)腐蝕機(jī)理研究日益成為研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)[2]。

集輸管道輸送的介質(zhì)一般為氣、水、烴、固共存的多相流介質(zhì)，總礦化度較高，易形成水垢的離子多，還有溶解氧、二氧化碳及硫化物等腐蝕性介質(zhì)和大量的SRB、TGB細(xì)菌和泥沙，由于所含介質(zhì)的腐蝕性，加上多相流動(dòng)的特殊性，多相流集輸管道的內(nèi)腐蝕規(guī)律非常復(fù)雜[3]。國(guó)內(nèi)外研究表明，在油氣田集輸系統(tǒng)的腐蝕失效中，70%的失效歸因于CO2，CO2己成為集輸管道腐蝕的主要因素[4]。為了有效地控制和消除CO2對(duì)集輸管道的腐蝕，有必要對(duì)這種腐蝕的發(fā)生、發(fā)展趨勢(shì)和規(guī)律進(jìn)行預(yù)測(cè)和研究[5]。

鑒于此，筆者結(jié)合實(shí)際集輸管道運(yùn)行工況，使用OLGA軟件建立了輸氣集輸管道CO2腐蝕模型，計(jì)算了集輸管道的腐蝕速率，總結(jié)了集輸管道的CO2腐蝕特性，并與輸氣集輸管道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

1 腐蝕模型的建立

OLGA軟件可以模擬預(yù)測(cè)油氣井、集輸管道和其他油氣設(shè)備中油、氣、水多相流狀態(tài)下的清管、流型流態(tài)、積液及腐蝕等情況，被普遍認(rèn)為是模擬結(jié)果較為準(zhǔn)確的瞬態(tài)軟件[6]。OLGA軟件被廣泛應(yīng)用在油氣工程建設(shè)和運(yùn)行模擬中，計(jì)算結(jié)果被世界多家大型石油公司認(rèn)可。

1.1集輸管道參數(shù)

為了使預(yù)測(cè)結(jié)果更貼近實(shí)際，筆者使用的數(shù)據(jù)選自某濕氣集輸管道參數(shù)，CO2體積比從0.5%到5.0%不等，除CO2外，管道內(nèi)的濕氣成分見(jiàn)表1。

表1 集輸管道的氣體組成 %

以水在總組分中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，濕氣集輸管道內(nèi)介質(zhì)含水量變化見(jiàn)表2。

表2 濕氣集輸管道的含水量(質(zhì)量比) %

管道運(yùn)行參數(shù)如下：

管道長(zhǎng)度 8km

入口壓力 5MPa

溫度 35℃

管道規(guī)格φ245mm×8mm(內(nèi)徑229mm)

管道壁厚 8mm

管道材料 碳鋼

碳鋼密度 7 850 kg/m3

碳鋼導(dǎo)熱系數(shù) 50W/m·K

碳鋼比熱 485J/(kg·℃)

外防腐層 聚乙烯

聚乙烯厚度 3mm

聚乙烯密度 960kg/m3

聚乙烯導(dǎo)熱系數(shù) 0.12W/m·K

聚乙烯比熱 1 675J/(kg·℃)

利用軟件自帶的網(wǎng)格劃分功能，沿管長(zhǎng)方向?qū)⒖傞L(zhǎng)8km的管道劃分為10段，劃分好的管道參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 管道分段劃分參數(shù)

注：橫坐標(biāo)x為各管段距起點(diǎn)的距離，縱坐標(biāo)y為管道高程。

1.2集輸管道CO2腐蝕預(yù)測(cè)模型

OLGA軟件可以預(yù)測(cè)集輸管道在油、氣、水三相流動(dòng)時(shí)的 CO2腐蝕速率。主要應(yīng)用的腐蝕模型是Norsok模型、De Waard 95模型和IFE TOL模型。其中IFE模型用來(lái)計(jì)算濕氣集輸管道的頂部腐蝕速率。Norsok模型是根據(jù)低溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和100℃以上的高溫現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)而建立的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，該模型適用的溫度范圍是5～150℃，CO2分壓大于0.01MPa。在100～150℃之間預(yù)測(cè)的結(jié)果比半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ虳e Waard 95更接近實(shí)際腐蝕速率，它在預(yù)測(cè)材料的均勻腐蝕速率方面做得很好[7]。這一模型已成為目前國(guó)內(nèi)外在抗CO2腐蝕選材和腐蝕裕量確定時(shí)的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。鑒于此，筆者建立的集輸管道CO2腐蝕預(yù)測(cè)模型基于Norsok模型。

根據(jù)實(shí)際集輸管道為無(wú)分支管、考慮傳熱現(xiàn)象，在進(jìn)出口壓力、溫度及流量等參數(shù)已知的條件下，使用OLGA軟件建立集輸管道簡(jiǎn)化模型如圖1所示。

圖1 OLGA中建立的集輸管道模型

2 各因素對(duì)集輸管道CO2腐蝕速率的影響

2.1CO2分壓對(duì)腐蝕速率的影響

從模擬結(jié)果(圖2)可以看出，當(dāng) CO2分壓小于0.2MPa時(shí)，腐蝕速率較小；而當(dāng)CO2分壓大于0.2MPa時(shí)，腐蝕速率急劇增大。CO2分壓對(duì)材料的腐蝕速率有較大的影響，在較低的溫度下(T<60℃)，材料表面難以形成保護(hù)性腐蝕產(chǎn)物膜，隨著CO2分壓的增大，CO2溶解度也逐漸增大，腐蝕速率急劇增加。

圖2 不同含水量下腐蝕速率隨

2.2含水量對(duì)腐蝕速率的影響

圖3為腐蝕速率隨含水量的變化規(guī)律。從圖中可以看到，輸氣集輸管道的腐蝕速率幾乎不隨含水量的變化而變化，而且這種趨勢(shì)隨著CO2分壓的增大變得明顯。原因是輸氣管道中含水量本來(lái)就比較少，含水量的少量增加對(duì)腐蝕影響輕微。輸氣集輸管道發(fā)生腐蝕的根本原因是有水潤(rùn)濕了管壁，提供了腐蝕發(fā)生的場(chǎng)所。而含水量的輕微增加，對(duì)管壁潤(rùn)濕處的液膜影響很小。相比含水量，CO2分壓對(duì)腐蝕的影響更大，尤其是當(dāng)CO2分壓大于0.2MPa時(shí)，腐蝕速率急劇增大。

圖3 不同CO2分壓下腐蝕速率隨含水量的變化規(guī)律

2.3氣體流速對(duì)腐蝕速率的影響

當(dāng)入口的壓力和流量不發(fā)生變化時(shí)，輸氣管道的下游氣體流速會(huì)增大，由于模型中共建立了20個(gè)流體樣本文件，加上溫度及壓力等參數(shù)的設(shè)置，預(yù)測(cè)的結(jié)果有上百種。這里只對(duì)有代表性的結(jié)果進(jìn)行總結(jié)。當(dāng)流體含水量為0.5%、CO2分壓為0.2MPa時(shí)，全管段內(nèi)腐蝕速率隨氣體流速的變化關(guān)系如圖4所示。

圖4 腐蝕速率隨氣體平均流速及管壁處流速的變化關(guān)系

從圖4可以看出，隨著氣體流速的增大，腐蝕速率迅速降低。為了研究腐蝕速率降低的原因，在同樣條件下研究了氣體流速和管壁潤(rùn)濕的變化關(guān)系。其中用管壁處的液膜、水膜和管壁處潤(rùn)濕層的移動(dòng)速率表示管壁的潤(rùn)濕情況，具體影響規(guī)律如圖5所示。

圖5 氣體流速對(duì)管壁處液膜的影響規(guī)律

從圖5可以看出，氣體流速對(duì)管壁的潤(rùn)濕有影響。沿著集輸管道的管程，管壁表面的氣體流速不斷增大對(duì)液膜有沖刷作用，液膜的移動(dòng)速度變快，管段持液率減小，使液膜變薄或減少，而液膜處正是腐蝕發(fā)生的場(chǎng)所，所以腐蝕速率隨管程和氣體流速的增加而迅速減小。

2.4溫度對(duì)腐蝕速率的影響

溫度的變化包括溫度隨管段的降低和入口溫度的改變。當(dāng)含水量為 0.5%、CO2分壓為0.2MPa時(shí)全管段的溫度和腐蝕速率的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 腐蝕速率隨管程溫度的變化規(guī)律

從圖6可以看到，腐蝕速率隨管程溫度的降低而降低，且與溫降的變化關(guān)系契合明顯，說(shuō)明腐蝕速率對(duì)溫度比較敏感。

將入口溫度由35℃提高到60℃，比較不同溫度下的腐蝕變化情況。從圖7可以看出，溫度升高近一倍，管道的入口處腐蝕速率增加明顯，但靠近出口處腐蝕速率變化不明顯。發(fā)生此變化的原因是根據(jù)管道熱力降公式，入口處溫度的升高對(duì)管道下游的溫度提升不明顯，如模擬結(jié)果所示，雖然入口處溫度升高近一倍，但是出口處溫度提升較小。而腐蝕速率和溫度關(guān)系緊密，因此腐蝕速度只在入口處增大明顯，在下游增大有限。

圖7 入口溫度60℃時(shí)的溫降變化和腐蝕速率變化

2.5管道持液率對(duì)腐蝕速率的影響

輸氣集輸管道發(fā)生內(nèi)腐蝕的根本原因是流體中含有水，水和液態(tài)輕烴附著在管壁上，形成液膜，提供了腐蝕的環(huán)境。而液膜的形成條件不但與管道的溫度及高程等因素相關(guān)，還與氣體的流動(dòng)和剪切力有關(guān)。當(dāng)流體內(nèi)含水量為2.0%、CO2分壓為0.5MPa 時(shí)，氣體的剪切力與液膜參數(shù)的變化關(guān)系如圖8所示。

圖8 氣體的剪切力與持液率和液膜移動(dòng)速率的變化規(guī)律

從圖8可以看出，氣體流動(dòng)對(duì)管壁的剪切力隨管程急劇增大，造成的結(jié)果是管道入口段的管壁液體移動(dòng)速率急劇降低，即管道過(guò)了入口段后，液膜才開(kāi)始在管壁上形成。而入口處的腐蝕速率卻很大，說(shuō)明除了溫度和壓力的影響外，入口處的腐蝕還受氣體沖刷的影響。隨著氣體流速和剪切力的增大，管道的持液率持續(xù)減小，腐蝕速率也隨著減小(圖9)。

圖9 持液率與腐蝕速率的變化規(guī)律

2.6管道高程對(duì)腐蝕速率的影響

將模擬結(jié)果設(shè)置為管道上某一點(diǎn)處的腐蝕速率、氣體流量及持液率等參數(shù)，得到某點(diǎn)處的模擬結(jié)果隨時(shí)間變化的關(guān)系(圖10)。

圖10 管道某點(diǎn)處的參數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系

預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，剛開(kāi)始運(yùn)行時(shí)，CO2分壓和液膜還不穩(wěn)定，相對(duì)的腐蝕速率也有波動(dòng)，且最高點(diǎn)的波動(dòng)比最低點(diǎn)的大。但是當(dāng)管道的工況穩(wěn)定后，管道上某點(diǎn)的腐蝕速率不再變化。

3 預(yù)測(cè)效果分析

3.1輸氣集輸管道在線腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

通過(guò)室內(nèi)評(píng)價(jià)研究發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是在液相環(huán)境還是氣相環(huán)境，CO2對(duì)材料的腐蝕形貌主要表現(xiàn)為均勻腐蝕，表面點(diǎn)蝕和局部腐蝕非常微小[8]。

鑒于腐蝕掛片法操作簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)且滿足如下條件：可以監(jiān)測(cè)均勻腐蝕；可以在高壓的環(huán)境下工作，工作壓力最高達(dá)到40MPa；可以在線使用，因此采用腐蝕掛片法進(jìn)行輸氣集輸管道腐蝕數(shù)據(jù)的采集，針對(duì)常規(guī)腐蝕掛片懸掛作業(yè)時(shí)需要管道停輸從而影響正常運(yùn)行的問(wèn)題，采用帶壓拆裝式懸掛件將腐蝕掛片置于管道管中心部位。

3.1.1監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝情況

為了得到準(zhǔn)確的腐蝕數(shù)據(jù)，真實(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)的腐蝕狀況，腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置主要從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：氣-液界面處；管道中油、氣、水流動(dòng)方向發(fā)生突變的位置；有游離水或冷凝水聚集的部位，如濕天然氣的低點(diǎn)部位；日常管理中較重要的管段(起點(diǎn)的出站管線和末端的進(jìn)站管線)。

根據(jù)濕氣集輸管道運(yùn)行狀況和腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)布點(diǎn)原則，最終確定管線沿途13個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位置如圖11所示。

圖11 腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝布置詳細(xì)說(shuō)明見(jiàn)表4。

表4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)安裝布置說(shuō)明

3.1.2掛片監(jiān)測(cè)的輸氣管段運(yùn)行工況

監(jiān)測(cè)的集輸管道運(yùn)行參數(shù)變化不大，比較穩(wěn)定，入口壓力為5.0MPa，溫度為35℃，含水量 0.5%，管道入口流量40kg/s，CO2分壓為0.2MPa，基于該工況，通過(guò)分析計(jì)算得到現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平均腐蝕速率。

3.1.3腐蝕掛片平均腐蝕速率計(jì)算

掛片平均腐蝕速率CR參照NACE RP0775- 2005進(jìn)行計(jì)算：

式中A——腐蝕掛片暴露在腐蝕環(huán)境中表面積，mm2；

CR——掛片的平均腐蝕速率，mm/a；

D——腐蝕掛片暴露在腐蝕環(huán)境中金屬的密度，g/cm3；

t——腐蝕掛片暴露在腐蝕環(huán)境中的時(shí)間，d；

W——腐蝕掛片質(zhì)量損失，g。

掛片安裝運(yùn)行78d(或80d)后，將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的掛片取出，經(jīng)過(guò)酸洗、清洗等處理并通過(guò)公式計(jì)算得出各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的腐蝕速率(表5)。

表5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)腐蝕速率

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)得出的數(shù)據(jù)表明該集輸管線內(nèi)腐蝕程度均屬嚴(yán)重腐蝕，急需做好管道沿線的防腐蝕工作。

3.2對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)筆者建立的模型的預(yù)測(cè)效果，將預(yù)測(cè)模型計(jì)算的腐蝕速率與現(xiàn)場(chǎng)腐蝕掛片監(jiān)測(cè)得出的腐蝕速率數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比(圖12)，從圖中可以看出模擬值均大于實(shí)測(cè)值，兩者誤差除了在入口處管段稍大外，其他各處的誤差基本很小，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是由于入口處管段運(yùn)行工況不穩(wěn)定，造成入口段的腐蝕速率也有波動(dòng)和劇烈變化。因此，使用建立的模型能夠較好地預(yù)測(cè)輸氣集輸管道CO2腐蝕。

圖12 模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比

4 結(jié)論

4.1使用OLGA軟件并結(jié)合實(shí)際濕氣集輸管道運(yùn)行工況建立了基于Norsok模型的CO2腐蝕預(yù)測(cè)模型。

4.2該模型可以預(yù)測(cè)CO2分壓、含水量、氣體流速、溫度、管道持液率及管道高程等參數(shù)的變化對(duì)

CO2腐蝕速率的影響。

4.3由預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行管道實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)看，兩者誤差除了在管道入口段稍大外，其他各處的誤差很小，因此，使用該模型能夠較好地預(yù)測(cè)輸氣集輸管道CO2腐蝕特性。

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