co2凝析气田碳钢管道穿孔失效分析.pdf

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1、6 4 l 2 年 6 月 C O 2 凝析气田碳钢管道穿孔失效分析 鲜宁 1 ,2 汤晓勇 施岱艳 1 ,2 荣 明 朱昌军 3 1 中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司。 四J I I 成都6 1 0 0 1 7 2 中国石油集团石油管工程重点实验室 ， 四川成都6 1 0 0 1 7 3 中国石油塔里木油田公司 ， 新疆库尔勒8 4 1 0 0 0 摘要 ： 某 C O 凝析气 田集输 工艺采用 气液混输 ， 站场 内管道采 用碳钢+ 缓蚀剂方案。气 田地面集输试 运行后 ， 产气量剧增 ， 在碳钢管 网中的部分流场突变 区域发现 了穿孔泄漏。 通过对材料理化检验 、 腐 蚀特征分

2、析 ， 并结合 管输介 质的流速和流态对碳 钢管道 的失效原 因进行 了综合分析 ， 结果 表 明： 流 动加速 腐蚀是碳钢 管道壁 厚减 薄穿孔破 坏 的主 要原 因， 流速 、 流态是 影响流动加速 腐蚀 的重要 因 素。现场失效案例说 明即使流速按 A P 1 1 4 E规定进行控制， 仍不 能完全确保 管道 不遭 受流 动加速腐 蚀 ， 在工程设计 中还 应考 虑一些其他 的措施和手段来降低 流动腐蚀风 险。 关键 词 ： C O ： 腐蚀 ； 气液 两相流 ； 流动加速 腐蚀 ； 凝析 气田 文 献标识 码 ： B 文章编号： 1 0 0 6 5 5 3 9 ( 2 0 1 2 )

3、0 3 一 O 0 6 4 0 4 0前 言 某 C O 凝析气 田采用气液混输的集输工艺 ， 液相 为凝 析油和少量凝析水 ，气相为含少量 C O ： 的天然 气。井 口来气管道为 1 6 8的 3 1 6 L复合管。 集气站站 内管道为碳钢管道 ，加注缓蚀剂进行 内腐蚀控制 。 站 场 内每 口单 井 来气 的碳 钢 管 道均 由 1 6 8变 径 成 1 1 4后进 入 l 9的汇管 。单井 产气 量 6 6 x l 0 4 l O O x 1 0 4 m3 d ， 凝析油产量约 6 0 8 0 m3 d 。 凝析水产量约 1 2 m 。投产 运行 6个 月后 。碳钢管 道在 1 6 8

4、转 为 q b l 1 4附近区域 的 1 1 4碳钢管段 出现严重 的壁厚减 薄 ， 靠近大小头处发生穿孔泄漏 。为了找出导致管道 壁厚减薄穿孑 L 的原因， 降低或避免凝析气田在以后 的 开发过程中发生类似问题 对该大小头后小直径管道 穿孔 原 因进 行 了分析 。 1腐蚀特征分析 通过现场调研发现 ：该站场内 1 6 8的碳钢管道 未出现明显 的壁厚减薄现象 ，壁厚减薄现象主要集 中在流场突变附近区域 ， 特别是连接 1 6 8碳钢管道 和 l 1 4碳 钢 管 道 用 大小 头 后 的 1 1 4碳 钢 直 管段 。 从现场取 回一段靠近大小头 的 1 1 4样 品管段( 约 7 0

5、e m长 ) ， 并按 图 1 所示将样 品管段截为三段 ， 采用 超声波测厚仪对减薄区域进行壁厚检查。穿孔区域的 最小管道壁厚仅为 0 2 0 3 m m， 沿远离大小头的方向 ( 流体介质流动方 向) 壁厚逐渐增加 ， 至取回管段 的末 端 ， 其最小管道壁厚在 3 4 m m左右。 结合现场调研情 收 稿 日期 ： 2 0 1 2 - 0 1 0 5 基 金项 目 ： 中国石 油集 团工程设计有限责任公 司西南分公司基础研究资助项 目( J C F 一 2 0 1 1 - 2 4 ) 作 者简 介 ： 鲜宁( 1 9 8 0 一 ) ， 男 ， 重庆人 ， 工程师 ， 硕士 ， 从事材料

6、腐蚀 与防护技术研究与设计工作 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o mCORROS I ON AND CORROSI ON PR。O E C T1 0期 N 与防护I 6 7 T E l腐 t虫 与 防 护 lI=， ， 4失效原 因分析 综上分析可知 ， 管道腐蚀主要表现为 C O ： 腐蚀 。 影 响 C O 腐蚀 的因素多种多样 ， 已有 的实验 室研 究表 明 ： 水 的润湿性 、 温度 、 分压 、 p H值 、 流速流态等 因素 都

7、会影响 C O ： 腐蚀速率 2 - 1 0 , 1 7 。在现场工况环境下 ， 温 度 、 分压 、 p H值都容易控制 但水润性很复杂 ， 对于多 相流管道 ， 水的润湿程度与管 网中流动状态有关 ， 因 此 ， 在实际管道 中的 C O 腐蚀 ， 多相流流动状态是一 个重要的影响因素。 管道壁厚减薄 的区域主要集 中在流场突变附近 区域 ， 根据流体动力学原理 天然气流动方 向发生突 变 ， 天然气流速 、 压力将发生变化 ， 并可能在该区域产 生旋 涡 。在 这些 流场 突变 区域 ， 液 相 的 流速 会发 生 显 著变化， 造成液相成湍流态 ， 加速腐蚀。图 4为以大小 头连接的突

8、缩管道中气液两相流的流线分布示意图， 输送 介 质 由大 口径 管道 流 向小 口径管 道 大 口径 管 道 一侧 为层流 ， 小 口径管道一侧 由于流速变化 ， 流态逐 渐过渡变化为雾状流。 图 4突缩管段流线分布示意图 由图 4可见 ， 在大小头连接小 口径管段的附近区 域 ， 流态不稳定。在该区域存在湍流情况 ， 流速增大 ， 增加了腐蚀介质的扩散交换 ， 同时 ， 由于湍流作用 ， 该 区域的剪切力较大 。 腐蚀产物在水力学作用下更容易 被剥离 ， 无法形成稳定 的腐蚀产物膜 以保护管道 。管 道内壁 由于没有稳定的腐蚀产物膜保护 使得湍流区 的管段 内表 面一直保持新鲜金属基体暴露在

9、腐蚀性 介质 中， 使得腐蚀速率一直保持在较高水平。 此外 ， 该 凝 析 气 田产 出 大 量 的凝 析 油 但 凝 析 油 的带水能力远低于原油 ， 凝析油与水形成 的乳化液在 流体动力学作用下极易破碎 ， 使得管道 内壁被充分润 湿 。对 流 态稳 定 区域 内的 管道 ， 1 6 8管 道 内为层 流 。 由于凝析油含量远高于凝析水量 ， 油水混合物主要 以 油包水的形式存在 ， 大大降低了凝析水对管壁的润湿 程度 ， 减轻管壁腐蚀 ， 起 到保护作用 ： 1 1 4管道 内为 雾状流 ， 尽管油水混合物更易破碎 ， 但 由于雾化后 ， 液 态水可接触管壁的数量 降低 ， 接触 面积增

10、大 ， 单位 面 积内管壁 的水润湿程度下降 ， 导致管壁 内腐蚀降低 。 但是 ， 对于流场突变的区域 ， 油水混合物更易破碎 ， 液 态水充分润湿 了紊乱 区的管壁 ， 原有 的凝析油保护作 用消失 ， 因此 ， 腐蚀速率增加。 综合分析 ， 由于流场突变 ， 在这些 区域 的剪切力 将 骤然增 大 ， 腐蚀反应过程 中的传质速度也 明显加 快 。同时 ， 在流场突变区域 ， 由于温度场和压力场也将 发生变化 ， 原本溶解在液体 中的气体将会释放 出来 ， 不断有气泡在金属表面爆裂 。 对局部表面带来较大 的 冲击力。在流体动力和腐蚀的共 同作用下 ， 湍流 区的 水润湿程度增加 ， 管壁

11、无法形成稳定 的腐蚀产物膜 ， 控制腐蚀速率 的传质速度加快 ， 由于流体动力学因素 诱 导 的流 速加 速腐 蚀 ， 导 致流 场 突变 区域 的壁 厚减 薄 突 出 5结论 与建议 分析结果显示 。 流动加速腐蚀是该凝析气 田碳钢 管 道壁厚减薄穿孔的主要原 因。此外 ， 对于输送有腐 蚀性介质 的气液混输用碳钢管道 。 即使流速限制满足 A P I 1 4 E标准中规定的冲刷腐蚀临界流速 。 仍不能完全 确保管道不会遭受流动腐蚀。因此 ， 在工程设计中， 还 应考虑一些其他的措施和手段来降低流动腐蚀风险。 根据流动加速腐蚀 的特点和腐蚀机理 建议 以下 改进 措 施 ： a ) 尽可能减

12、小流体的湍流度。在管网的工艺设计 过程中， 减少或避免流场突变 。 选择合适 的流速 ， 减小 气 液两 相流 的湍 流程度 。 b ) 选用耐蚀合金 。对于 C O ： 凝析气 田， 选用奥 氏 体不锈钢 3 1 6或 3 1 6 L 、 双相不锈钢 2 2 C r 均具有较好 的耐蚀 性能 C ) 当选择碳钢+ 缓蚀剂方案 时 ， 缓蚀剂筛选尽可 能采用动态腐蚀试验进行评价。 参考文献 ： 1 No r s o k S t a n d a r d M一 5 0 6 2 0 0 5 ， C O2 C o r r o s i o n Ra t e Ca l c u l a t i o n Mo

13、 d e l S 2 鲜 宁， 孙素芳， 姜放 ， 等 ， CO 气田开发 的腐蚀预测 与控 制措施 J ， 天然气与石 油， 2 0 1 1 ， 2 9 ( 2 ) ： 6 2 6 6 3 克曼尼 M B， 史密斯 LM 油 气生产 中的 CO 腐蚀控制 设计考虑因素 M 北京 ： 石油工业 出版社， 2 0 0 2 1 5 4 J e p s o n w P T h e E ff e c t o f F l o w C h a r a c t e r i s t i c s o n S we e t ( 下 转第 7 7页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m