長慶油田某單井管道彎頭腐蝕原因分析

楊耀輝，王 新，馮 濤，李林峰，焦英芹，張彥軍

1.中國石油集團工程技術(shù)研究有限公司，天津 300451

2.中國石油長慶油田分公司第三采油廠，寧夏銀川 750000

3.中國石油長慶油田分公司第十一采油廠，甘肅慶陽 745000

隨著油田開發(fā)進入中后期，采出液含水量上升[1]，管道內(nèi)腐蝕日益嚴重[2]。長慶油田某采油井于2020 年建成投產(chǎn)，采用兩級節(jié)流后進加熱爐、計量分離器的生產(chǎn)工藝。2021年7月，發(fā)現(xiàn)二級節(jié)流后彎頭部位壁厚明顯減薄，對彎頭進行了更換。

1 腐蝕彎頭概況

腐蝕減薄彎頭為90°彎頭，材質(zhì)為20鋼，規(guī)格為?114.3 mm × 22 mm，運行壓力14.0 MPa、溫度60 ℃、流速約9.0 m/s，日產(chǎn)氣50×104m3，日產(chǎn)油100 m3。產(chǎn)出液中含有少量砂粒，目前沒有安裝除砂裝置。天然氣中含有0.45%的CO2，并且采出液pH值低至4.52，酸性環(huán)境會加劇管道的內(nèi)腐蝕[3-5]。

圖1 為彎頭宏觀腐蝕照片?？梢园l(fā)現(xiàn)，彎頭內(nèi)壁存在明顯的腐蝕溝槽，內(nèi)壁附有紅棕色和黑色腐蝕產(chǎn)物，具有明顯的沖刷腐蝕特征[6]。

圖1 彎頭宏觀腐蝕照片

2 試驗方法

2.1 彎頭壁厚測量

采用德國MiniTest 7200 FH 測厚儀對彎頭0 點位（外弧側(cè)）、3點位、6點位（內(nèi)弧側(cè)）、9點位的壁厚進行了測量，考察彎頭壁厚減薄情況。

2.2 彎頭成分分析

采用SPECTRO LMX06 直讀光譜儀對腐蝕減薄部位進行化學(xué)成分分析，考察彎頭材質(zhì)是否符合標(biāo)準要求。

2.3 彎頭金相組織分析

采用徠卡DM4M金相顯微鏡對彎頭的金相組織進行微觀分析，考察彎頭的金相組織是否有粗大晶粒和/或夾雜物存在。

2.4 彎頭腐蝕產(chǎn)物形貌和成分分析

從彎頭腐蝕減薄處取樣，采用JSM-5600LV 型掃描電鏡觀察彎頭腐蝕處微觀形貌，采用EPMA-1 600電子探針對腐蝕產(chǎn)物進行元素分析。

2.5 彎頭流體動力學(xué)仿真模擬

針對?114.3 mm × 22 mm 彎頭內(nèi)的油-氣兩相流的流體力學(xué)行為進行模擬計算。管徑D70.5 mm，曲率半徑R=2D，彎頭入口、出口直管段長為5D。采用歐拉模型描述甲烷混合氣相，采用離散顆粒方法描述凝析油相，選用標(biāo)準k-ε湍流模型描述液相湍動，顆粒磨蝕與沉積模型模擬計算20 鋼管壁的沖蝕速率。出口壓力為14.0 MPa，溫度為60 ℃，氣體流量為50 × 104m3/d，油流量為100 m3/d。考察油氣混輸管道內(nèi)速度場、壓力場、管壁壓力和沖蝕速率的分布規(guī)律。

3 結(jié)果分析

3.1 彎頭壁厚測量結(jié)果

采用超聲測厚儀對彎頭進行了壁厚測量，測量位置示意如圖2所示，測量結(jié)果見表1。

表1 壁厚測量結(jié)果

表2 為彎頭化學(xué)成分分析結(jié)果。由檢測結(jié)果可知，彎頭的化學(xué)成分符合GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》中20鋼的材質(zhì)要求。

圖2 壁厚測量位置示意

由測量結(jié)果可以看出，彎頭的0 點位置最薄，壁厚13.97～15.30 mm；3 點位置和9 點位置居中，壁厚16.42～19.49 mm；內(nèi)弧側(cè)最厚，壁厚22.14～24.30 mm。外弧側(cè)最薄處壁厚減薄約10.03 mm，年均腐蝕速率為7.4 mm/a。

3.2 材質(zhì)成分分析

表2 為彎頭化學(xué)成分分析結(jié)果。由檢測結(jié)果可知，彎頭的化學(xué)成分符合GB/T 699—2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》中20鋼的材質(zhì)要求。

3.3 金相分析

圖3 為試樣的金相組織照片，可以發(fā)現(xiàn)樣品主要由鐵素體等軸晶（白色）+片狀珠光體（黑色）組成，且組織均勻、晶粒細小。在鐵素體上均勻分布少量結(jié)晶過程析出的三次滲碳體，晶界處存在少量的第二相組織。根據(jù)GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》，組織未見異常，未出現(xiàn)大尺寸夾雜物。

圖3 金相組織照片

3.4 腐蝕產(chǎn)物分析

圖4、圖5 分別為彎頭腐蝕表面微觀形貌及元素分析譜圖，表3為腐蝕表面元素分析結(jié)果。

表3 腐蝕表面元素分析結(jié)果

圖4 腐蝕表面微觀形貌

圖5 腐蝕表面元素分析譜圖

通過SEM 圖片可知，樣品表面附有大量顆粒狀腐蝕產(chǎn)物，腐蝕形貌不規(guī)則。

表3試樣的EDS 元素分析結(jié)果表明，試樣的主要成分為Fe、O、C 等元素，由現(xiàn)場水質(zhì)分析和天然氣分析結(jié)果可知，地下水pH 值為4.52，為酸性介質(zhì)，天然氣含0.45%的CO2，因此彎頭發(fā)生了二氧化碳腐蝕。

常規(guī)的CO2腐蝕會對金屬基體表面造成腐蝕并形成腐蝕產(chǎn)物膜覆蓋，不會造成明顯的溝槽狀腐蝕，而由彎頭的宏觀腐蝕形貌可以看出，發(fā)生了比較明顯的溝槽狀腐蝕。另外，由于彎頭處于高流速的運行環(huán)境，并且現(xiàn)場無除砂裝置，綜合分析，彎頭腐蝕為CO2腐蝕和沖刷腐蝕共同作用的結(jié)果[7-8]。

3.5 流體仿真模擬

彎頭內(nèi)部流速矢量分布（流動方向從左至右）如圖6 所示。由圖6 可知，彎頭外弧側(cè)的局部速度小于彎頭內(nèi)弧側(cè)的局部速度。這與彎頭內(nèi)部發(fā)生的二次流現(xiàn)象一致，即彎頭內(nèi)弧側(cè)高速流體向彎頭外弧側(cè)低速區(qū)流動，湍動增強，在一定程度上增加了對彎頭外側(cè)壁面的沖刷程度。

圖6 彎頭內(nèi)部流速矢量分布

圖7 為彎頭內(nèi)流體靜壓分布云圖（流動方向從左至右）。彎頭0 點鐘方向（外弧側(cè)）靜壓最大，在彎管6點鐘方向（內(nèi)弧側(cè)）靜壓最小，這與上述速度分布結(jié)果相一致，符合流體機械能守恒規(guī)律。

圖7 彎頭內(nèi)流體靜壓分布云圖

彎頭腐蝕速率模擬結(jié)果如圖8所示。

圖8 彎頭腐蝕速率模擬結(jié)果

彎頭壁面外弧側(cè)的沖刷腐蝕程度大于彎頭內(nèi)弧側(cè)，流體的流動剪切沖刷主要發(fā)生在彎頭外弧側(cè)，內(nèi)弧側(cè)的腐蝕速率相對較小，這與表1 壁厚測量結(jié)果具有一致的規(guī)律，且在油氣流動下游端的彎頭外弧側(cè)管壁最薄。參比圖中沖刷腐蝕速率顏色條，可知局部最大腐蝕速率大約為3.5 mm/a，小于由壁厚減薄計算得到的7.4 mm/a，這可能與未考慮固體顆粒和化學(xué)腐蝕等影響有關(guān)。

3 結(jié)論

1）彎頭的化學(xué)成分分析和剩余壁厚測量結(jié)果表明，彎頭的化學(xué)成分符合GB/T 699—2015 中20鋼的材質(zhì)要求，彎頭6點位置（內(nèi)弧側(cè)）剩余壁厚最大，3 點位置和9 點位置居中，外弧側(cè)最薄處壁厚減薄約為10.03 mm，年均腐蝕速率為7.4 mm/a。

2）腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物主要是Fe、O、C等元素，結(jié)合彎頭腐蝕形貌及服役環(huán)境，確定彎頭腐蝕減薄是CO2腐蝕和沖刷腐蝕共同作用的結(jié)果。

3）通過油-氣兩相流流體力學(xué)模擬計算，彎頭0 點鐘方向（外弧側(cè)）流速最小，在彎頭6 點鐘方向（內(nèi)弧側(cè)）流速最大；彎頭內(nèi)流體流動靜壓在0 點鐘方向（外弧側(cè)）靜壓最大，在6 點鐘方向（內(nèi)弧側(cè)）靜壓最?。槐诿鏇_蝕主要發(fā)生在彎頭外弧側(cè)，內(nèi)弧側(cè)沖蝕速率相對較小，規(guī)律與實際腐蝕結(jié)果相吻合。