油氣混輸海底管道緩蝕劑評(píng)價(jià)研究及優(yōu)化建議

楊 勇, 鄒 浪, 謝志前, 李春輝, 王吉成, 吳 攀

(中海石油深海開發(fā)有限公司,廣東 珠海 519000)

隨著海洋油氣勘探的技術(shù)不斷發(fā)展,海上石油、天然氣資源將成為全球能源行業(yè)新的增長(zhǎng)點(diǎn)[1]。海底管道作為海上油氣生產(chǎn)的“生命線”,連接海上油氣處理平臺(tái)、陸岸終端和儲(chǔ)油輪等油氣設(shè)施,形成一個(gè)完整的油氣生產(chǎn)系統(tǒng)[2]。中國(guó)自1985年在渤海埕北油田建成國(guó)內(nèi)第一條油氣海底管道以來,已在不同海域鋪設(shè)總長(zhǎng)超過6 000 km的海底管道,可見海底管道在國(guó)內(nèi)海洋油氣領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用[3-4]。與此同時(shí),因油氣中的CO2和H2S等酸性氣體的存在,使得油氣管道時(shí)刻面臨著內(nèi)腐蝕問題。如何降低海底管道腐蝕速率及延長(zhǎng)使用壽命一直都是研究人員所關(guān)注的焦點(diǎn)[5-6]。

加注緩蝕劑、管道內(nèi)應(yīng)用涂層和提高材質(zhì)等級(jí)等措施是常見的管道防腐措施,而緩蝕劑因其具有經(jīng)濟(jì)、高效的優(yōu)點(diǎn),成為海底管道最主要、最有效的防腐措施[7]。由于油氣組分、海底管線運(yùn)行工況等變化的原因,按照海底管道完整性要求,需定期(一般為兩年)對(duì)緩蝕劑效果進(jìn)行評(píng)估。針對(duì)緩蝕劑的使用和技術(shù)特點(diǎn),以中國(guó)南海某油氣混輸海底管道為例,采用高溫高壓反應(yīng)釜進(jìn)行室內(nèi)評(píng)價(jià),以掌握緩蝕劑的質(zhì)量和使用效果,同時(shí)根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)取樣間隔時(shí)間、藥劑的注入濃度等方面給出優(yōu)化建議[8]。

1 工況參數(shù)

此次室內(nèi)評(píng)價(jià)的在用緩蝕劑型號(hào)為BH601,海管的輸送介質(zhì)及運(yùn)行工況見表1。

表1 海底管道介質(zhì)及運(yùn)行工況參數(shù)

2 評(píng)價(jià)方案

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)介質(zhì)包括緩蝕劑BH601、現(xiàn)場(chǎng)水或模擬水、根據(jù)油品報(bào)告配制的模擬油、根據(jù)組分報(bào)告配制的模擬天然氣,緩蝕劑BH601和現(xiàn)場(chǎng)水直接從現(xiàn)場(chǎng)取樣得到。試驗(yàn)用腐蝕試片為X65試片,尺寸為40 mm×13.1 mm×2.10 mm,孔徑4 mm,加工精度±0.1 mm,各腐蝕試片的幾何尺寸和表面處理狀態(tài)參考文獻(xiàn)[9]。根據(jù)海底管道輸送量不同分為目前工況和提產(chǎn)工況,在提產(chǎn)工況下海底管道入口壓力、溫度和酸洗氣體含量等有不同程度上升,并據(jù)此設(shè)計(jì)試驗(yàn)條件,見表2。

表2 室內(nèi)試驗(yàn)條件

2.2 評(píng)價(jià)方案

(1)試驗(yàn)準(zhǔn)備

取6片腐蝕試片,試驗(yàn)開始前將試片用酒精、丙酮除油,吹干后,在電子天平(0.1 mg)上稱質(zhì)量并記錄。將處理后的試片安裝在高溫高壓反應(yīng)釜攪拌軸上,其中3個(gè)試片位于攪拌軸的下部,確保在試驗(yàn)過程中試片浸入溶液中;另外3個(gè)試片在攪拌軸的上部,確保試驗(yàn)過程中試片處于氣相環(huán)境中。水樣界面位于底部掛片與頂部掛片之間,用以模擬海底管道內(nèi)氣油水三相的關(guān)系。

(2)試驗(yàn)過程

試片安裝完畢后,將事先配制好并加入150 μg/g緩蝕劑的試驗(yàn)介質(zhì)倒入反應(yīng)釜,隨后將反應(yīng)釜密封緊固,用惰性氣體對(duì)反應(yīng)釜除氧2 h。除氧結(jié)束后打開加熱控制器,按照表1設(shè)定試驗(yàn)溫度,待反應(yīng)釜內(nèi)溫度升到設(shè)定溫度并保持穩(wěn)定后,按照表2條件分別通入對(duì)應(yīng)分壓的CO2和H2S,最后通入氮?dú)庵猎囼?yàn)壓力并設(shè)置試驗(yàn)轉(zhuǎn)速。

試驗(yàn)結(jié)束后,關(guān)閉加熱器,使用專用泄放管線將壓力泄放至安全區(qū)域,取出試片,放入酸清洗液中浸泡5 min,用鑷子夾少量脫脂棉輕拭試片表面的腐蝕產(chǎn)物,用自來水沖去表面殘酸后,立即將試片浸入氫氧化鈉溶液(質(zhì)量濃度為60 g/L)中,30 s 后再用自來水沖洗,然后放入無水乙醇中浸泡約5 min,清洗脫水兩次。將清洗后的試片用乙醇、丙酮處理后冷風(fēng)吹干,用電子天平稱取腐蝕后試樣的質(zhì)量。每個(gè)試片在清洗前后需用相機(jī)記錄宏觀形貌,若發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕需用光學(xué)顯微鏡觀察試片表面點(diǎn)蝕情況,測(cè)量點(diǎn)蝕深度、點(diǎn)蝕率等。

(3)數(shù)據(jù)處理

按照如下公式分別計(jì)算每片試片的腐蝕速率和緩蝕率,最后取3片試片的平均值作為材料在該環(huán)境下的腐蝕速率和緩蝕率[10]。

均勻腐蝕速率(v):

(1)

式中:v為均勻腐蝕速率,mm/a;m為試驗(yàn)前的試片質(zhì)量,g;mt為試驗(yàn)后的試片質(zhì)量,g;S1為試片的總面積,cm2;ρ為試片材料的密度,g/cm3;t為試驗(yàn)時(shí)間,h。

緩蝕率(Z):

(2)

式中:Z為緩蝕率,%;v0為未加緩蝕劑時(shí)金屬的腐蝕速率,mm/a;v為添加緩蝕劑后的腐蝕速率,mm/a。

3 緩蝕效果評(píng)價(jià)

3.1 目前工況

根據(jù)目前運(yùn)行工況參數(shù)分別設(shè)計(jì)海底管道入口和出口的試驗(yàn)條件(即表2中的試驗(yàn)1和試驗(yàn)2),并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行緩蝕率的計(jì)算,結(jié)果見表3和表4。

表3 目前工況下管道入口的緩蝕效果

表4 目前工況下管道出口的緩蝕效果

從表3和表4可以看出,在目前海管入口和出口環(huán)境中,現(xiàn)場(chǎng)水液相空白腐蝕速率較高,達(dá)到嚴(yán)重腐蝕范圍,按照150 μg/g加注緩蝕劑后在液相和氣相中緩蝕作用明顯,氣相和液相緩蝕率均達(dá)到85%以上,添加后的腐蝕速率都低于 0.025 4 mm/a,屬于輕度腐蝕范圍。

3.2 提產(chǎn)工況

為了模擬海底管道在提產(chǎn)工況下的腐蝕情況,分別設(shè)計(jì)了海底管道入口和出口在提產(chǎn)工況下的試驗(yàn)條件,并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行緩蝕率的計(jì)算,結(jié)果見表5和表6。

表5 提產(chǎn)工況下管道入口的緩蝕效果

表6 提產(chǎn)工況下管道出口的緩蝕效果

從表5看出,在提產(chǎn)工況海管入口環(huán)境中,現(xiàn)場(chǎng)水液相和氣相的腐蝕速率較高,分別達(dá)到嚴(yán)重腐蝕和中度腐蝕范圍,按照加注量150 μg/g注入緩蝕劑后緩蝕作用明顯,液相緩蝕率為91.39%,氣相緩蝕率為88.22%,添加緩蝕劑后液相和氣相腐蝕速率已分別低于0.076 mm/a和0.025 4 mm/a,處于中度和輕度腐蝕。分析表4和表6可知,在提產(chǎn)工況下海管出口處的腐蝕速率變化不大。

4 評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

為了更好地評(píng)價(jià)緩蝕劑的緩蝕性能,將本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)與兩年前的數(shù)據(jù)進(jìn)行縱向?qū)Ρ取１?和表8分別是試驗(yàn)條件和評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比情況,數(shù)據(jù)中已剔除提產(chǎn)工況下海管出口數(shù)據(jù)。

表7 緩蝕劑應(yīng)用效果評(píng)價(jià)條件對(duì)比

表8 緩蝕劑應(yīng)用效果評(píng)價(jià)結(jié)果對(duì)比

從表7可以看出,該海底管線服役溫度和CO2含量相比兩年前均有小幅上升,H2S含量下降為兩年前的1/2,提產(chǎn)工況海管腐蝕環(huán)境中H2S含量下降為兩年前的1/3。從表8本次和上次緩蝕劑應(yīng)用效果評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出,各試驗(yàn)條件下空白腐蝕速率均明顯大于兩年前,按150 μg/g注入濃度加注緩蝕劑后緩蝕效率明顯高于兩年前。

分析認(rèn)為出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因在于現(xiàn)場(chǎng)水中可能含有一些緩蝕性成分,于是為了屏蔽影響,利用模擬水在目前工況試驗(yàn)條件下進(jìn)行海管入口的緩蝕性能評(píng)價(jià)試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果見表9。

表9 模擬水目前工況下的緩蝕效果

分析表9數(shù)據(jù)可知,在目前工況海管入口環(huán)境中,模擬水液相和氣相空白腐蝕速率均明顯高于現(xiàn)場(chǎng)水,分別達(dá)到了嚴(yán)重腐蝕和中度腐蝕范圍,按照150 μg/g注入濃度加入緩蝕劑后緩蝕效果明顯,液相緩蝕率達(dá)到94.76%,氣相緩蝕率為85.71%。

因此,分析認(rèn)為導(dǎo)致本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)與上次試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)較大誤差的原因有兩個(gè):一是現(xiàn)場(chǎng)水中殘存的緩蝕劑含量不同,影響了空白腐蝕速率和緩蝕性能;二是試驗(yàn)條件在溫度、CO2和H2S酸性氣體含量的差異對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響。

5 結(jié)論與優(yōu)化建議

5.1 結(jié) 論

(1)在目前工況和提產(chǎn)工況下海管入口和出口環(huán)境中,現(xiàn)場(chǎng)水液相和氣相腐蝕速率較高,按照推薦濃度加注緩蝕劑后緩蝕效果明顯,液相和氣相緩蝕速率均高于85%。

(2)在目前工況海管入口環(huán)境中,開展模擬水緩蝕效果評(píng)價(jià)驗(yàn)證性試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果顯示空白條件下模擬水腐蝕速率高于現(xiàn)場(chǎng)水,說明現(xiàn)場(chǎng)水中含有緩蝕性成分,因含量不同導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)在縱向?qū)Ρ壬喜町愝^大。

(3)從緩蝕劑效果評(píng)價(jià)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),BH601在目前工況下的加注方式、注入濃度均能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)要求,在液相和氣相中緩蝕效果良好,能夠確保海底管線腐蝕速率處于可接受范圍;提產(chǎn)工況下腐蝕工況趨于惡化,有必要針對(duì)緩蝕劑注入類型或加注濃度進(jìn)行優(yōu)化,確保腐蝕速率可控。

5.2 優(yōu)化建議

(1)開展海底管線緩蝕劑應(yīng)用效果評(píng)價(jià)時(shí),以現(xiàn)場(chǎng)水結(jié)果為主,取樣時(shí)應(yīng)暫停藥劑注入至少3 h,盡量避免藥劑殘留導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)出現(xiàn)誤差。

(2)海底管道運(yùn)行過程中應(yīng)嚴(yán)格控制CO2和H2S的含量,同時(shí)盡可能地減少產(chǎn)量波動(dòng)幅度,提產(chǎn)時(shí)應(yīng)少量多次進(jìn)行,避免造成海管腐蝕加劇。

(3)開展海底管道緩蝕劑殘存濃度檢測(cè),檢測(cè)海底管道緩蝕劑加注量,在確保海底管道防護(hù)效果的同時(shí),可根據(jù)緩蝕效率和腐蝕速率對(duì)藥劑注入濃度進(jìn)行優(yōu)化,降低藥劑成本。

(4)在海底管道進(jìn)出口加裝在線腐蝕監(jiān)測(cè)儀器,實(shí)時(shí)關(guān)注海底管道腐蝕數(shù)據(jù)變化情況。如發(fā)現(xiàn)異常,及時(shí)開展原因分析。