塔里木河流域12伴生氣集輸管道防腐技術(shù)研究

塔里木河流域12伴生氣集輸管道防腐技術(shù)研究

塔河12個(gè)區(qū)位于新疆塔里木盆地西北部，伴隨著高度含有p2s和b2s的濕帶。如果b2s和b2s與水混合，則會(huì)形成硫酸和硫酸。這將很快加劇木材的腐蝕。目前國(guó)內(nèi)外在高含CO2和H2S氣體的輸送管道中采取了不同的防腐蝕措施,包括采用耐蝕材料如不銹鋼、合金鋼、玻璃鋼,以及特殊措施如碳鋼加緩蝕劑、碳鋼加防腐蝕涂層等;英國(guó)北海Shearwater油田防腐蝕措施是采用雙相不銹鋼進(jìn)行內(nèi)防腐蝕涂層;普光氣田防腐蝕措施采用鎳基合金鋼、抗硫管材加緩蝕劑防護(hù)。因此,管線的防腐蝕技術(shù)研究與應(yīng)用對(duì)于高含H2S以及CO2的天然氣輸送具有重要意義。1腐蝕環(huán)境分析1.1不同質(zhì)量濃度cl-1,cl-1,ph5.4的質(zhì)量濃度12區(qū)伴生氣H2S體積分?jǐn)?shù)為0.79%～6.10%,CO2體積分?jǐn)?shù)為6.7%～12.5%,飽和含水率5.06%,Cl-質(zhì)量濃度為3514mg·L-1,pH5.14;伴生氣先經(jīng)站內(nèi)油氣分離緩沖罐初分離,后進(jìn)入伴生氣分離器再分離后外輸,設(shè)計(jì)壓力1.6MPa、溫度80℃,工作壓力0.73～0.46MPa、溫度60～55℃,主干線總長(zhǎng)23.91km。1.2凝析水腐蝕集輸管道中H2S和CO2通常會(huì)導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕(全面腐蝕和局部腐蝕)和應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(H2S應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂、氫致破裂),當(dāng)天然氣中凝析水含有Cl-時(shí),腐蝕問(wèn)題將更為嚴(yán)重和復(fù)雜。1.2.1腐蝕模式確定12區(qū)伴生氣管線所處腐蝕環(huán)境為H2S-CO2-Cl-,計(jì)算設(shè)計(jì)工況條件下CO2分壓0.1072～0.2MPa,依據(jù)CO2腐蝕判斷分壓在0.021～0.21MPa之間為中等腐蝕。在CO2和H2S共存環(huán)境中,通常用判定腐蝕模式。當(dāng)時(shí)為H2S腐蝕區(qū),當(dāng)=20～500時(shí)為H2S和CO2混合腐蝕區(qū),當(dāng)時(shí)為CO2腐蝕區(qū)。通過(guò)計(jì)算可知,=1.104～15.82,按照比值與腐蝕狀態(tài)關(guān)系,集氣管線腐蝕類型主導(dǎo)因素為H2S腐蝕。無(wú)論是CO2腐蝕還是H2S腐蝕,均是一個(gè)電化學(xué)過(guò)程,通常認(rèn)為H2S和CO2共存的條件下比H2S單獨(dú)存在時(shí)腐蝕性更強(qiáng),H2S作為陰極去極化劑,因電化學(xué)腐蝕造成點(diǎn)蝕,CO2溶于水形成碳酸,進(jìn)一步降低水中的pH,增強(qiáng)了腐蝕性,加之游離水中C1-存在,加速CO2、H2S電化學(xué)腐蝕進(jìn)程,使得系統(tǒng)電化學(xué)腐蝕環(huán)境非常惡劣。1.2.2國(guó)內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算設(shè)計(jì)工況條件下H2S分壓為0.01264～0.0976MPa,原位pH為3.5～3.6,根據(jù)《天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開(kāi)裂和抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的金屬材料要求》(SY/T0599-2006),>0.0003MPa會(huì)引起材料發(fā)生硫化物應(yīng)力開(kāi)裂(SSC)。按照碳鋼和低合金鋼發(fā)生硫化物應(yīng)力開(kāi)裂(SSCC)的酸性環(huán)境的嚴(yán)重程度分布圖,該工況屬于酸性環(huán)境嚴(yán)重的區(qū)域。暴露在H2S酸性環(huán)境下的金屬材料應(yīng)考慮存在發(fā)生硫化物應(yīng)力開(kāi)裂(SSCC)、應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂(SCC)和氫致破裂(HIC)腐蝕破壞風(fēng)險(xiǎn)。1.2.3濕含hs天然氣管道采用低流速未干氣體輸送系統(tǒng)(1)高程差管線沿線高程變化由西向東逐步降低,局部管段存在低洼點(diǎn),輸送液體堆積在管道低洼處產(chǎn)生積液,存在發(fā)生積液腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。(2)流速生產(chǎn)工況下流速2.6m·s—1,其流速與《高含硫化氫氣田集輸管道系統(tǒng)內(nèi)腐蝕控制要求》(SY/T0611—2008)濕含H2S天然氣管道內(nèi)氣體的流速易控制在3～6m·s-1值相差較大,過(guò)低的流速影響氣體在管內(nèi)流動(dòng)的攜液能力,尤其是低處攜積液能力。(3)水蒸汽伴生氣含5.06%飽和水,長(zhǎng)距離輸送,溫度和壓力變化較大,液體在有限的管道空間中蒸發(fā)時(shí),蒸汽分子吸濕沉積在鋼鐵表面頂部,形成點(diǎn)蝕需要的電解質(zhì)溶液,電化學(xué)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)增加。2腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的降低對(duì)于H2S-CO2共存的腐蝕環(huán)境,需選擇適合的材料兼顧硫化物應(yīng)力腐蝕、CO2腐蝕和電化學(xué)腐蝕,還需配套相應(yīng)的工藝防腐措施來(lái)降低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。2.1其他抗側(cè)材料(1)“SS”鋼管:該鋼管是鉆井抗硫油套管,絲扣連接,其焊接性能較差,地面集輸規(guī)范中沒(méi)提及該類管材的應(yīng)用,不推薦使用。(2)內(nèi)涂層碳鋼管:普通的碳鋼管單靠?jī)?nèi)涂層或內(nèi)襯塑料是不能用來(lái)作為抗硫化物應(yīng)力開(kāi)裂管材,同時(shí)管道焊接內(nèi)補(bǔ)口困難,質(zhì)量難保證,其次內(nèi)涂層價(jià)格也相對(duì)較高,不推薦使用。(3)雙金屬?gòu)?fù)合鋼管:根據(jù)基管與襯層的結(jié)合狀態(tài),分機(jī)械復(fù)合管和冶金復(fù)合管,應(yīng)用中主要問(wèn)題是現(xiàn)場(chǎng)焊接難度大,復(fù)合管襯層厚度較薄,焊接順序先焊襯層、后焊基管,一旦焊縫處理不好會(huì)帶來(lái)晶間腐蝕隱患,同時(shí)管材價(jià)格高,不推薦使用。(4)抗硫無(wú)縫鋼管:采用抗開(kāi)裂碳鋼是含H2S油氣田常用方案,且綜合成本相對(duì)適中。決定鋼材在含H2S介質(zhì)中的抗開(kāi)裂的主要因素之一是鋼化學(xué)成分。對(duì)鋼在含H2S介質(zhì)中的耐腐蝕性有實(shí)質(zhì)性影響的是鋼的硬度、熱處理、金屬實(shí)際應(yīng)力強(qiáng)度、H2S濃度,按石油和天然氣工業(yè)-油氣開(kāi)采中用于含H2S環(huán)境的材料(NACEMR0175/ISO15156)和天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開(kāi)裂和抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的金屬材料要求(SY/T0599)標(biāo)準(zhǔn),推薦選用GB/T9711.3中L245NS材料,腐蝕余量取3mm。2.2緩蝕劑預(yù)膜的確定和緩蝕劑預(yù)膜的工作原理緩蝕劑對(duì)材料和環(huán)境體系有極強(qiáng)的針對(duì)性,合適的品種,合理應(yīng)用劑量,是保證設(shè)計(jì)壽命內(nèi)管線安全可靠的關(guān)鍵。(1)緩蝕劑評(píng)價(jià)篩選從有效性、針對(duì)性、安全性出發(fā),12區(qū)伴生氣緩蝕劑選擇油溶水分散、氣相揮發(fā)功能的陰極型有機(jī)緩蝕劑,在金屬表面上以吸附膜為主,同時(shí)考慮與甲醇、脫硫劑的相容性問(wèn)題。(a)評(píng)選原則:依據(jù)《鋼質(zhì)管道內(nèi)腐蝕控制規(guī)范》(GB/T23258—2009),結(jié)合工藝要求及區(qū)域氣候條件,主要有物化性能指標(biāo)、乳化指標(biāo)、發(fā)泡指標(biāo)、溶解及分散性、相容配伍性、緩蝕劑膜持續(xù)性、熱穩(wěn)定性、毒性,靜態(tài)下均勻腐蝕速率≤0.025mm/a,動(dòng)態(tài)下均勻腐蝕速率≤0.076mm/a,無(wú)點(diǎn)蝕傾向,緩蝕率≥90%。(b)試驗(yàn)方法及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn):首先電化學(xué)快速篩選法,通過(guò)極化曲線測(cè)定,確定緩蝕劑作用類型;其次靜態(tài)評(píng)價(jià)初選,考察60mg·L-1,80mg·L-1,100mg·L-1三種濃度下緩蝕劑性能指標(biāo),評(píng)價(jià)周期7d;最后動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)復(fù)選,模擬現(xiàn)場(chǎng)工況溫度、流速和H2S分壓、CO2分壓、Cl-濃度環(huán)境條件,考察流動(dòng)狀態(tài)條件下緩蝕能力,評(píng)價(jià)緩蝕劑的全面保護(hù)效果,評(píng)價(jià)周期3d,以此篩選出12區(qū)伴生氣腐蝕環(huán)境中最優(yōu)的緩蝕劑和最經(jīng)濟(jì)的加注濃度。(c)相溶性試驗(yàn):工藝設(shè)計(jì)上未選擇甲醇作水合物制劑,伴生氣進(jìn)輕烴站氣液兩相分離后,大量緩蝕劑隨液相進(jìn)入閉排單元,故無(wú)需開(kāi)展緩蝕劑與甲醇、脫硫劑相溶性試驗(yàn)。(2)緩蝕劑產(chǎn)品確定通過(guò)對(duì)收集的緩蝕劑樣品評(píng)價(jià)篩選,確定緩蝕劑選擇加拿大Westhaven公司產(chǎn)品,預(yù)膜和批處理采用CI-530油溶性緩蝕劑,連續(xù)加注采用WCI-731水溶性緩蝕劑。(3)緩蝕劑預(yù)涂膜設(shè)計(jì)根據(jù)國(guó)內(nèi)外和普光氣田緩蝕劑防腐蝕經(jīng)驗(yàn),緩蝕劑預(yù)涂膜對(duì)科學(xué)高效地保護(hù)管線非常關(guān)鍵。12區(qū)伴生氣主干線管線在投產(chǎn)之前,采用清管列車方式進(jìn)行了緩蝕劑預(yù)涂膜作業(yè)處理。即通過(guò)一定量的緩蝕劑在管道內(nèi)運(yùn)行,使管道內(nèi)壁附著一定厚度的緩蝕劑膜層有效控制管道內(nèi)壁在局部發(fā)生微小點(diǎn)蝕的可能性。避免管線出現(xiàn)腐蝕凹坑后,緩蝕劑不能形成完整的膜,在沒(méi)形成緩蝕劑膜的管壁部位電位較低,形成緩蝕劑膜的管壁部位電位較高,造成小陽(yáng)極大陰極腐蝕電池,加劇坑蝕部位的局部腐蝕。(a)主干線預(yù)涂膜:涂覆清管器前進(jìn)速度為2～3m·s-1,緩蝕劑與管壁接觸時(shí)間10s,緩蝕膜厚不小于0.1mm,緩蝕劑預(yù)膜工作原理如圖1所示。首先,清管作業(yè):清管是緩蝕劑預(yù)膜成敗最關(guān)鍵的一步。若清洗不徹底管壁上會(huì)存在細(xì)膩粉塵雜質(zhì),消耗緩蝕劑有效組分,在管壁雜質(zhì)覆蓋處形成松散保護(hù)膜,影響緩蝕劑保護(hù)膜持久性。施工期間的清管作業(yè)使管線達(dá)到了正常通氣投產(chǎn)條件,但并不滿足緩蝕劑預(yù)膜管壁清潔度要求。為使管壁獲得理想清潔度和干燥度,確保緩蝕劑預(yù)涂膜能在管壁形成完整的保護(hù)膜,先用直板鋼刷清管器和測(cè)徑皮碗清管器對(duì)管線內(nèi)部進(jìn)行清掃作業(yè),確認(rèn)彎頭處清管器通過(guò)能力和管內(nèi)雜質(zhì)量,再用海綿清管器排水作業(yè)確認(rèn)管壁清潔干燥程度,確認(rèn)管內(nèi)壁達(dá)到緩蝕劑預(yù)膜要求。清管作業(yè)程序?yàn)橹卑迩骞芷?不帶鋼刷)+直板清管器(帶鋼刷)+皮腕清管器(90%測(cè)徑板)+海綿清管器,清管器國(guó)內(nèi)采購(gòu)、機(jī)械清管器過(guò)盈量3%～4%。海綿清管器過(guò)盈量8%～9%,從清管-置換—干燥-充壓-預(yù)膜—投產(chǎn)系統(tǒng)考慮,清管氣源采用氮?dú)狻Ｒ罁?jù)《高酸性氣田集輸管道緩蝕劑預(yù)涂膜技術(shù)規(guī)程》(Q/SH10250741—2010),清管所需氣量的計(jì)算見(jiàn)式(1)。式中:Q1為清管所需氮?dú)饬?m3;p1為清管器運(yùn)行壓力,kPa;p0為清管器背壓,kPa;n為清管次數(shù);pa為當(dāng)?shù)卮髿鈮?kPa;Tn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的絕對(duì)溫度,Tn=293.15K;Tg為管道內(nèi)氮?dú)獾慕^對(duì)溫度,單位為開(kāi)氏溫度;Tg=273.15+T;D為管道直徑,m;L為管道長(zhǎng)度,m;ZR為工作狀態(tài)下的壓縮系數(shù);Zn為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的壓縮系數(shù);pn為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,pn=101.325kPa。預(yù)膜前清管運(yùn)行壓力、背壓、壓差、氮?dú)饬?、時(shí)間、運(yùn)行速度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。其次,緩蝕劑用量:依據(jù)緩蝕劑物化性能指標(biāo)、主管線長(zhǎng)度、施工作業(yè)條件等因素,主干線直接采用CI-530油溶性緩蝕劑為預(yù)膜緩蝕劑。依據(jù)《高酸性氣田集輸管道緩蝕劑預(yù)涂膜技術(shù)規(guī)程》(Q/SH10250741—2010),緩蝕劑使用量的計(jì)算見(jiàn)式(2)。式中:K為附加量系數(shù),一般為1.15;Q為緩蝕劑使用量,L;D1為管道內(nèi)徑,mm;H為緩釋劑成膜厚度,mm,一般為0.076～0.125mm;L為管道總長(zhǎng)度,mm;Q1為管線上支管段三通、排污口等容積,L。按照現(xiàn)場(chǎng)緩蝕劑儲(chǔ)存密封艙長(zhǎng)度90m、管徑DN250,長(zhǎng)度23.91km,成膜厚度0.1mm、同時(shí)考慮接入支線三通容積用量、泵注過(guò)程中20%損耗量,計(jì)算緩蝕劑總需求量5670L。各節(jié)點(diǎn)緩蝕劑容積量和折合管長(zhǎng)度計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。最后,預(yù)涂膜作業(yè):采取90m密封艙滿艙作業(yè)方式。檢測(cè)主干線氮?dú)庵脫Q含氧量簇2%,水露點(diǎn)<-30℃,充壓建立0.2MPa背壓。選擇Westhaven公司預(yù)膜涂覆清管器,為解決管線距離長(zhǎng)和表面粗糙度大對(duì)清管器磨損,易出現(xiàn)竄氣導(dǎo)致作業(yè)失敗的風(fēng)險(xiǎn),前導(dǎo)向清管器過(guò)盈量3%～4%,長(zhǎng)度68m,后覆膜清管器過(guò)盈量2%～2.5%,長(zhǎng)度65cm。加注CI-530緩蝕劑4800L,控制起點(diǎn)壓力0.4～0.5MPa、終點(diǎn)壓力0.15MPa、壓差為0.2～0.3MPa、預(yù)膜氮?dú)饬髁?200m3·h-1,清管器前進(jìn)速度3～2.5m·s-1,緩蝕劑與管壁成膜接觸時(shí)間20～25s,緩釋劑成膜厚度≥0.1mm。作業(yè)完成后前清管器磨損量2.1%,后清管器磨損量1.2%,回收緩蝕劑殘液2100L左右,滿足預(yù)膜方案目標(biāo)值。(b)正常加注:生產(chǎn)工況下緩蝕劑加注一般為間歇加注、連續(xù)加注或這兩種方法聯(lián)合使用,加注量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù),國(guó)內(nèi)通常按0.1～1.4L/104m3選取,國(guó)外通常按0.35～0.65L/104m3選取,具體取值根據(jù)實(shí)際腐蝕嚴(yán)重程度來(lái)確定,考慮12區(qū)伴生氣腐蝕屬中等腐蝕,采用WCI-731緩蝕劑連續(xù)加注方式,加注量1.4L/104m3,折算加注濃度140mg·L-1。(c)批處理:批處理是緩蝕劑防護(hù)工藝關(guān)鍵的一步,其目的是有效控制酸氣管道的腐蝕,通過(guò)清管排積液和緩蝕劑在管線上形成粘性極強(qiáng)的薄膜,從而有效防止采出液中H2S,CO2,Cl-造成的腐蝕,最大程度地保護(hù)管道的安全運(yùn)行。批處理作業(yè)頻率次數(shù),需根據(jù)12區(qū)伴生氣管線腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),結(jié)合伴生氣介質(zhì)物性分析和生產(chǎn)運(yùn)行工況確定。推薦批處理選用CI-530油溶性緩蝕劑一季度一次,作業(yè)方式與緩蝕劑預(yù)膜方式基本相同,不同之處是批處理直接采用伴生氣(酸性天然氣)作為動(dòng)力源,推動(dòng)預(yù)膜涂覆清管器夾緩蝕劑段塞的方法進(jìn)行。3腐蝕檢測(cè)技術(shù)腐蝕監(jiān)測(cè)方法從原理上分為物理測(cè)試(失重掛片法、電阻法、氫監(jiān)測(cè))、電化學(xué)測(cè)試(線性極化電阻法)、化學(xué)分析(分析Fe2+,CI-,H2S,CO2,pH,細(xì)菌等),為系統(tǒng)評(píng)價(jià)腐蝕因素、預(yù)測(cè)、腐蝕風(fēng)險(xiǎn)、監(jiān)測(cè)緩蝕劑效果、優(yōu)化緩蝕劑應(yīng)用提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ),12區(qū)伴生氣管線采取以掛片監(jiān)測(cè)為主、電阻探針監(jiān)測(cè)為輔的原則,建立掛片失重法+電阻探針聯(lián)合監(jiān)測(cè)的內(nèi)腐蝕檢測(cè)網(wǎng)絡(luò),通過(guò)監(jiān)測(cè)管道內(nèi)腐蝕狀況,對(duì)所投加的緩蝕劑進(jìn)行對(duì)比分析,考察緩蝕劑的緩蝕效果,及時(shí)指導(dǎo)緩蝕劑現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用優(yōu)化調(diào)整,通過(guò)腐蝕掛片數(shù)據(jù)與電阻探針數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,配套定期對(duì)輸送介質(zhì)取樣化學(xué)分析,進(jìn)一步了解管線腐蝕形態(tài)和腐蝕