深水多相流動(dòng)動(dòng)態(tài)腐蝕評(píng)價(jià)系統(tǒng)的工藝研究與應(yīng)用研究

武峰山，劉劍，鐘康

（渤海石油航務(wù)建筑工程有限責(zé)任公司，天津 300452）

深水多相流動(dòng)動(dòng)態(tài)腐蝕評(píng)價(jià)系統(tǒng)是研究總院聯(lián)合海油發(fā)展管道公司共建的國(guó)內(nèi)首個(gè)工業(yè)級(jí)別的高溫高壓腐蝕評(píng)價(jià)系統(tǒng)，系統(tǒng)采用油、水、N2和CO2等為試驗(yàn)介質(zhì)，可模擬的腐蝕環(huán)境包括多相介質(zhì)、濕氣頂部腐蝕、CO2腐蝕、細(xì)菌腐蝕、垢下腐蝕等，可以開展多相流動(dòng)（濕氣、氣水混輸、油氣水混輸）管道的內(nèi)腐蝕研究和防腐蝕措施的作用效果評(píng)價(jià)，也可作為管道新材料、新技術(shù)和新工藝的驗(yàn)證平臺(tái)，將在我國(guó)海洋油氣開發(fā)、海底管道服役安全等生產(chǎn)、技術(shù)研究等領(lǐng)域發(fā)揮基礎(chǔ)平臺(tái)作用，有力促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)研究和進(jìn)步。

1 系統(tǒng)工藝

1.1 系統(tǒng)組成及布置

系統(tǒng)由動(dòng)設(shè)備、靜設(shè)備、熱工設(shè)備、檢測(cè)設(shè)備、PLC控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)以及之間連接管線組成；詳見設(shè)備布置圖1。整體系統(tǒng)分為氣液試驗(yàn)管路、液體試驗(yàn)管路、氣體試驗(yàn)管路；氣液試驗(yàn)包含垂直管路和2°、3°和5°傾斜管路，液體從循環(huán)泵開始進(jìn)入管路至回到氣液腐蝕分離器結(jié)束；液體管路包含冷卻水循環(huán)管路、供油管路、供水管路、排污管路；氣體管路從氣瓶撬開始，經(jīng)由補(bǔ)氣壓縮機(jī)、高壓氣體緩沖罐、循環(huán)壓縮機(jī)、換熱器、加熱器、氣液腐蝕分離器去往頂部腐蝕管路后，氣液分離器。詳見工藝流程圖2。

圖1 設(shè)備布置

圖2 詳見工藝流程

1.2 多相流混輸腐蝕工藝原理

在進(jìn)行多相流混輸腐蝕實(shí)驗(yàn)時(shí)，水源和白油首先運(yùn)送至水罐T-1001和油罐T-1002內(nèi)，儲(chǔ)罐底部設(shè)有氮?dú)夤芫€，通過氮?dú)鈱?duì)實(shí)驗(yàn)介質(zhì)進(jìn)行吹脫除氧。腐蝕試驗(yàn)環(huán)路經(jīng)抽真空除氧并充氮?dú)庵廖⒄龎汉?，水和白油再分別通過水相輸送泵P-1001和油相輸送泵P1002進(jìn)入氣液腐蝕分離器V-1003，由電加熱器EH-1002加熱液相至需求溫度（在進(jìn)行低溫試驗(yàn)時(shí)，氣液腐蝕分離器V-1003內(nèi)冷卻盤管通入冷凍水冷卻至需求溫度），同時(shí)由補(bǔ)氣壓縮機(jī)進(jìn)行氣體增壓。

實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程中，水相由循環(huán)泵P-1003A/B進(jìn)入循環(huán)管路，油相由油相循環(huán)泵P1006進(jìn)入循環(huán)管路。循環(huán)泵入口均設(shè)有取樣口，泵出口均設(shè)有流量計(jì)和回流管線，可通過調(diào)節(jié)回流管線閥門開度控制進(jìn)入循環(huán)管路的各相流量。氣相由循環(huán)壓縮機(jī)（CYL1002）提供動(dòng)力，與液相匯合于混合器M-1001前。氣液混合介質(zhì)完成腐蝕實(shí)驗(yàn)后回到氣液腐蝕分離器V-1003中，實(shí)現(xiàn)氣液分離，水相由分離器底部進(jìn)入循環(huán)泵，油相由氣液腐蝕分離器內(nèi)的收油槽進(jìn)入油相循環(huán)泵，實(shí)現(xiàn)下一輪循環(huán)。分離出的氣相經(jīng)氣體換熱器E-1002和冷卻器E-1001降溫后，進(jìn)入氣液分離器V-1004，再次將高速氣體中夾帶的油水分離，達(dá)到進(jìn)入循環(huán)壓縮機(jī)的要求。氣液分離器V-1004中分離出的液相經(jīng)增壓泵P-1005增壓后，再次進(jìn)入氣液腐蝕分離器V-1003形成循環(huán)，避免試驗(yàn)過程液相損失。

腐蝕試驗(yàn)裝置設(shè)有冷卻循環(huán)系統(tǒng)，冷卻水經(jīng)冷卻水泵P-1501增壓后進(jìn)入冷卻器，在冷卻器內(nèi)與試驗(yàn)氣體換熱升溫后進(jìn)入涼水塔TW-1501，在涼水塔內(nèi)與空氣換熱降溫后再次進(jìn)入冷卻水泵，形成冷卻水的自循環(huán)，冷卻水的極限溫度為空氣濕球溫度。進(jìn)行低溫試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)前在涼水塔的集水盤中放置冰塊，降低冷卻水溫度，試驗(yàn)過程中經(jīng)冷卻器和冷卻盤管換熱升溫后的冷卻水經(jīng)涼水塔降溫后回至集水盤，可通過補(bǔ)充冰塊維持冷卻水的低溫。通過補(bǔ)充冰塊維持低溫的操作需要專人看守，為節(jié)省人力、物力，可在冬天溫度較低時(shí)進(jìn)行低溫試驗(yàn)，由于空氣溫度較低，冷卻水經(jīng)涼水塔降溫后可接近0℃，不需要補(bǔ)充冰塊。

多相流腐蝕環(huán)路的實(shí)驗(yàn)介質(zhì)由介質(zhì)供應(yīng)與動(dòng)力模塊控制，具體包括實(shí)驗(yàn)溫度、系統(tǒng)壓力、水相流量、油相流量和氣液比等參數(shù)。多相流腐蝕模擬環(huán)路設(shè)置平管段、傾斜管段和垂直管段，其中傾斜段設(shè)置3種起伏角度，分別為2°、3°和5°，該三種角度均采用固定角度設(shè)計(jì)，另設(shè)一條球形法蘭連接的試驗(yàn)管段，球形法蘭最大可調(diào)角度15°，試驗(yàn)管段返回段備用高壓軟管以便連接。沿管路流動(dòng)方向依次設(shè)置視鏡、腐蝕探針、腐蝕掛片、壁面剪切應(yīng)力測(cè)試儀、電化學(xué)測(cè)試和pH探針，其中在流型形成區(qū)段和流型穩(wěn)定段設(shè)置多個(gè)腐蝕探針和腐蝕掛片，用于測(cè)試不同流型穩(wěn)定狀態(tài)腐蝕差異對(duì)比，同時(shí)在彎頭和變徑管段等位置設(shè)置腐蝕檢測(cè)點(diǎn)。試驗(yàn)要求溫度范圍較廣，為節(jié)約成本，可以在冬天開展低溫試驗(yàn)，夏天開展高溫試驗(yàn)。

1.3 多相流混輸腐蝕操作步驟

（1）實(shí)驗(yàn)介質(zhì)采用水和白油，實(shí)驗(yàn)介質(zhì)首先在水儲(chǔ)罐T-1001和油儲(chǔ)罐T-1002內(nèi)進(jìn)行氣體除氧；同時(shí)，整個(gè)氣液腐蝕模擬環(huán)路均抽真空、充氮除氧；隨后，將模擬介質(zhì)注入至氣液腐蝕分離器V-1003內(nèi)，啟動(dòng)電加熱器EH-1002加熱。

（2）利用補(bǔ)氣壓縮機(jī)CYL-1001將系統(tǒng)壓力提升至實(shí)驗(yàn)所需壓力，根據(jù)氣相介質(zhì)成分要求，確定CO2分壓。

（3）當(dāng)液相達(dá)到預(yù)定溫度，啟動(dòng)循環(huán)泵P-1003A/B和油相循環(huán)泵P-1006，隨后啟動(dòng)氣體循環(huán)壓縮機(jī)CYL-1002，氣液兩相經(jīng)混合器匯合后進(jìn)入腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)段，進(jìn)行流型、腐蝕速率、電化學(xué)信號(hào)、近壁剪切應(yīng)力等測(cè)試，并模擬不同傾角管路腐蝕情況。

（4）完成腐蝕實(shí)驗(yàn)后氣液兩相在氣液腐蝕分離器內(nèi)實(shí)現(xiàn)分離，液相經(jīng)溫度控制后進(jìn)入循環(huán)泵進(jìn)行下一周次循環(huán)；氣相經(jīng)氣體換熱器E-1002和冷卻器E-1001降溫后，進(jìn)入氣液分離器V-1004再次分離少量油水，隨后進(jìn)入循環(huán)壓縮機(jī)和高壓氣體緩沖罐，開始下一周次循環(huán)。

（5）實(shí)驗(yàn)完成后腐蝕介質(zhì)排放至污水收集罐T-1003，污水經(jīng)過濾器F-1401處理后排放，油經(jīng)增壓泵P-1005返回至油儲(chǔ)罐T-1002再次回收利用。

（6）為保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試儀器，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，排凈試驗(yàn)回路設(shè)備及管道內(nèi)的液體，通入氮?dú)馕⒄龎罕４妗?/p>

1.4 氣相頂部腐蝕工藝原理

氣相腐蝕模擬環(huán)路的壓力和流速由介質(zhì)供應(yīng)與動(dòng)力模塊完成控制，氣體溫度控制由實(shí)驗(yàn)環(huán)路進(jìn)口處的電加熱器EH-1001和氣體換熱器E-1002實(shí)現(xiàn)。頂部腐蝕模擬環(huán)路上設(shè)置頂部腐蝕模擬測(cè)試管段，管段上設(shè)有腐蝕探針和pH探針等監(jiān)測(cè)或測(cè)試功能，測(cè)試管段的管壁溫度控制由冷卻銅管實(shí)現(xiàn)。

1.5 氣相頂部腐蝕模操作步驟

（1）將水儲(chǔ)罐T-1001內(nèi)的水進(jìn)行氣提除氧，同時(shí)，整個(gè)模擬環(huán)路均抽真空、充氮除氧。

（2）利用補(bǔ)氣壓縮機(jī)CYL-1001將CO2和N2按比例注入密閉環(huán)路系統(tǒng)，至實(shí)驗(yàn)設(shè)定壓力后，啟動(dòng)循環(huán)壓縮機(jī)CYL-1002，開啟電加熱器EH-1001，回路內(nèi)氣體經(jīng)多次循環(huán)升溫。

（3）當(dāng)氣體升溫至預(yù)定溫度，啟動(dòng)水相注入泵P-1007，向試驗(yàn)管段注入游離水，氣液混合。

（4）經(jīng)混合后的氣液兩相，回至氣液腐蝕分離器V-1003進(jìn)行分離，飽和濕氣進(jìn)入頂部腐蝕模擬測(cè)試管段。

（5）開始計(jì)時(shí)測(cè)試，銅管通入冷卻水，啟動(dòng)頂部腐蝕冷凝系統(tǒng)。

（6）測(cè)試完成后，氣體排放至室外安全區(qū)。

（7）為保護(hù)試驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試儀器，實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，排凈試驗(yàn)回路設(shè)備及管道內(nèi)的液體，通入氮?dú)馕⒄龎罕４妗?/p>

2 結(jié)語

深水多相流動(dòng)動(dòng)態(tài)腐蝕評(píng)系統(tǒng)具備油氣水、油水、氣水等多相流動(dòng)對(duì)管道腐蝕性評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)、測(cè)試能力，將提升工程設(shè)計(jì)水平，推動(dòng)新技術(shù)、新方法、新產(chǎn)品、新工藝轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，持續(xù)提高我國(guó)深水流動(dòng)安全保障工程自主研發(fā)能力，增強(qiáng)國(guó)際上競(jìng)爭(zhēng)力；同時(shí)建立深水多相流研究隊(duì)伍，具備從井筒、海底管道到下游設(shè)施的多相流動(dòng)安全、多相腐蝕等核心技術(shù)研究、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，為流?dòng)安全保障關(guān)鍵核心技術(shù)提供條件支撐。