高酸性氣田地面用國產(chǎn)雙金屬復(fù)合管現(xiàn)場腐蝕評價(jià)

李珊 田源 蔡紹中

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心 3.中國石油天然氣集團(tuán)公司高含硫氣藏開采先導(dǎo)試驗(yàn)基地

在高酸性氣田的開發(fā)過程中，地面管線局部腐蝕減薄、油套管腐蝕穿孔等材料失效多次發(fā)生[1-8]。雙金屬復(fù)合管是在普通集輸管線內(nèi)覆上一層薄壁耐蝕合金，形成雙金屬復(fù)合管，其兩端釆用現(xiàn)場焊接連接。根據(jù)雙金屬界面結(jié)合方式來劃分，分為機(jī)械復(fù)合管和冶金復(fù)合管。機(jī)械復(fù)合管是指耐蝕合金層通過機(jī)械擴(kuò)張、延展或安裝等方法將合金層襯入碳鋼基管內(nèi)，合金層和碳鋼之間僅為機(jī)械接觸。冶金復(fù)合管是指耐蝕合金層通過熱軋、堆焊、粉末冶金或爆炸復(fù)合等工藝復(fù)合到碳鋼基管或者基板，并且合金層和碳鋼之間界面達(dá)到冶金結(jié)合。雙金屬復(fù)合管防腐性能優(yōu)異，價(jià)格比耐蝕合金管低50%以上，應(yīng)用前景十分廣闊。目前，我國部分管材生產(chǎn)商已具備雙金屬復(fù)合管的生產(chǎn)能力[9]，其產(chǎn)品主要應(yīng)用在含CO2油氣田和礦化度高的地層水的注水管柱、集輸管線和污水管線，在含硫氣田中，國產(chǎn)雙金屬復(fù)合管還未見使用的報(bào)道。在雙金屬復(fù)合管線的耐蝕性能評價(jià)方法和相關(guān)的技術(shù)規(guī)范等方面，特別是在現(xiàn)場高酸性環(huán)境下，雙金屬復(fù)合管焊縫的環(huán)境開裂評價(jià)，還沒有形成可借鑒的標(biāo)準(zhǔn)。

利用高含硫先導(dǎo)試驗(yàn)基地天東5-1井在線腐蝕試驗(yàn)裝置開展了雙金屬復(fù)合管應(yīng)用于高酸性氣田地面管線的現(xiàn)場腐蝕性能評價(jià)，包括：針對復(fù)合管耐蝕覆層及其焊縫的電化學(xué)腐蝕評價(jià)和針對復(fù)合管焊縫的抗應(yīng)力腐蝕性能評價(jià)，形成了雙金屬復(fù)合管現(xiàn)場腐蝕試驗(yàn)方案，完善了雙金屬復(fù)合管腐蝕評價(jià)試驗(yàn)方法。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

依托天東5-1在線腐蝕試驗(yàn)基地進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，其基本情況為：產(chǎn)氣量為8.3×104m3/d，井口溫度23.0～25.0 ℃，H2S體積分?jǐn)?shù)為6.09%，CO2體積分?jǐn)?shù)為2.75%，Cl-質(zhì)量濃度為24 700 mg/L，開井油壓9.5～10.1 MPa，外輸壓力為5.8～5.9 MPa，產(chǎn)水量0.5 m3/d。天東5-1在線腐蝕試驗(yàn)裝置可模擬地面集輸系統(tǒng)內(nèi)部腐蝕環(huán)境并進(jìn)行現(xiàn)場評價(jià)試驗(yàn)。裝置設(shè)計(jì)為橇裝結(jié)構(gòu)，用于模擬地面環(huán)境的臥式PN16 MPa/PN10 MPa試驗(yàn)裝置。試驗(yàn)臥式罐體尺寸見表1。

表1 試驗(yàn)罐體基本尺寸

1.2 試驗(yàn)方法及材料

為考察雙金屬復(fù)合管在高酸性氣田地面管線應(yīng)用的可能性，開展復(fù)合管耐蝕覆層及其焊縫的抗電化學(xué)腐蝕評價(jià)和針對復(fù)合管焊縫的抗環(huán)境開裂性能評價(jià)?？闺娀瘜W(xué)腐蝕評價(jià)采用失重掛片法，將L245/825機(jī)械復(fù)合管和X52/825冶金復(fù)合管耐蝕層及其焊縫設(shè)計(jì)為普通試片和弧形試片安裝在臥式罐掛具上進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)周期為30天，如圖1所示。抗環(huán)境開裂性能評價(jià)采用C形環(huán)試驗(yàn)和四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，將L245/825機(jī)械復(fù)合管直焊縫和環(huán)焊縫、X52/825冶金復(fù)合管環(huán)焊縫制作成相應(yīng)試件進(jìn)行試驗(yàn)，如圖2所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 復(fù)合管及其焊縫的失重評價(jià)試驗(yàn)

在臥式罐中進(jìn)行掛具試片的安裝和取出，開展復(fù)合管及其焊縫的失重評價(jià)試驗(yàn)。

(1)試片安裝和取出。如圖3所示，臥式罐中取出的掛具和試片上有少量污物沉積，污物含元素硫。

(2)腐蝕失重試驗(yàn)結(jié)果分析。試驗(yàn)期間，各試驗(yàn)罐的數(shù)據(jù)匯總見表2。從表2可知，試片腐蝕速率均在0.001 3～0.006 6 mm/a之間，屬于輕度腐蝕。

表2 試驗(yàn)結(jié)果

L245/825機(jī)械復(fù)合管內(nèi)層及其直焊縫、環(huán)焊縫和X52/825冶金復(fù)合管內(nèi)層及其環(huán)焊縫在臥式罐的腐蝕環(huán)境中均顯示出良好的抗電化學(xué)腐蝕性能，試后試片表面光亮，無明顯均勻或局部腐蝕。

2.2 復(fù)合管及其焊縫的抗環(huán)境開裂性能評價(jià)試驗(yàn)

(1)現(xiàn)場抗環(huán)境開裂性能評價(jià)試件的加載及安裝。復(fù)合管焊縫試件按表3和表4采用應(yīng)變測試法加載應(yīng)力。加載后，復(fù)合管根焊縫加載應(yīng)力全部達(dá)到100%σs，碳鋼焊縫試件加載應(yīng)力全部達(dá)到90%σs。加載后的試樣如圖4所示。

表3 L245/825機(jī)械復(fù)合管直焊縫和環(huán)焊縫試件的加載應(yīng)力(C環(huán))

表4 X52/825冶金復(fù)合管環(huán)焊縫試件的加載應(yīng)力(四點(diǎn)彎曲)

(2)現(xiàn)場評價(jià)結(jié)果分析。如圖5和圖6所示，取出的臥式罐上層和下層掛具均附著有較多的污物。

試驗(yàn)期間各試驗(yàn)罐的數(shù)據(jù)見表5。從表5可知，臥式罐內(nèi)上層及下層中不同材質(zhì)的試后試片表面均光亮。

表5 臥式罐內(nèi)材料腐蝕試驗(yàn)結(jié)果

復(fù)合管覆層試片和焊縫試后形貌如圖7～圖9所示。從圖7～圖9可見，X52/825冶金復(fù)合管825覆層試后表面光亮，L245/825機(jī)械復(fù)合管環(huán)焊縫碳鋼層和X52/825冶金復(fù)合管環(huán)焊縫碳鋼層的試后形貌均出現(xiàn)明顯的腐蝕。

從試后形貌圖10～圖12可看出，L245/825機(jī)械復(fù)合管直焊縫和環(huán)焊縫C形環(huán)應(yīng)力腐蝕試件均無開裂性裂紋；X52/825冶金復(fù)合管四點(diǎn)彎曲應(yīng)力腐蝕試件均無開裂性裂紋。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

(1)X52/825冶金復(fù)合管825覆層在試驗(yàn)周期內(nèi)表現(xiàn)出良好的抗電化學(xué)腐蝕性能，試后試片表面光亮。

(2)L245/825機(jī)械復(fù)合管根焊縫和X52/825冶金復(fù)合管根焊縫顯示出良好的抗應(yīng)力耐蝕性能和良好的抗電化學(xué)腐蝕性能，試件未出現(xiàn)宏觀斷裂，試件表面無裂紋，試后試片表面光亮。

(3)復(fù)合管碳鋼外層焊接區(qū)域局部腐蝕極為嚴(yán)重，其原因可能有兩方面的因素：耐蝕焊縫和碳鋼形成電偶后加速了電化學(xué)腐蝕；試件與玻璃棒接觸的位置形成了縫隙腐蝕，加速了碳鋼的腐蝕。

3 結(jié)論

(1)國產(chǎn)L245/825機(jī)械復(fù)合管及其直焊縫和環(huán)焊縫、X52/825冶金復(fù)合管及其環(huán)焊縫在現(xiàn)場腐蝕環(huán)境下具有較好的抗電化學(xué)腐蝕性能和良好的抗環(huán)境開裂性能。

(2)建立的雙金屬復(fù)合管焊縫現(xiàn)場腐蝕評價(jià)方法，可用于考察雙金屬復(fù)合管在高酸性氣田地面集輸腐蝕環(huán)境的耐蝕性能，為高酸性氣田采用雙金屬復(fù)合管防腐技術(shù)提供依據(jù)，同時(shí)也為今后開展復(fù)合材料現(xiàn)場應(yīng)力腐蝕評價(jià)奠定了基礎(chǔ)。