唐超(中國石油天然氣銷售西南分公司云南代表處,云南 昆明 650000)

天然氣集輸干線腐蝕失效原因與控制措施

唐超(中國石油天然氣銷售西南分公司云南代表處,云南 昆明 650000)

天然氣集輸干線的完整性對氣田安全生產(chǎn)有重要作用。本文以西部某氣田集輸干線腐蝕沖孔事件為例，從腐蝕機(jī)理、生產(chǎn)工藝、控制措施等方面進(jìn)行分析集輸干線失效的原因，并提出相應(yīng)的控制措施。

集輸干線；失效原因；安全性；天然氣

天然氣田集輸干線的完整性對氣田安全生產(chǎn)意義重大，然而由于腐蝕現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重阻礙了氣田的正常運(yùn)行。西部某氣田投產(chǎn)以來就不斷發(fā)生多次管道腐蝕失效事件，導(dǎo)致單井停產(chǎn)、裝置停運(yùn)等嚴(yán)重后果，查明天然氣集輸干線失效的原因，提出針對性的技術(shù)措施對該氣田的平穩(wěn)運(yùn)行有重要作用。

1 腐蝕原因

氣田生產(chǎn)過程中，H2S、CO2和Cl-在有水存在的環(huán)境下都會導(dǎo)致腐蝕。其中CO2腐蝕是最普通的腐蝕形式。針對該氣田投產(chǎn)以來的情況，認(rèn)為主要存在以下幾種原因：CO2腐蝕、渦流沖蝕、電偶腐蝕、綜合腐蝕等。

(1)CO2腐蝕 CO2本身不產(chǎn)生腐蝕，但當(dāng)其溶于水時(shí)，就具有了腐蝕性，這是電化學(xué)腐蝕的一種，其基本原理和步驟如下：

CO2(氣)+H2O →CO2(溶解)；CO2(溶解)+H2O →H2CO3；

H2CO3+e-→H++HCO3-；2H →H2；Fe→Fe2+2e-；

CO2+H2O+Fe→FeCO3(碳酸鐵)+H2

CO2腐蝕速度取決于CO2氣體的分壓，這個(gè)分壓指CO2在液相的溶解度。API SPEC 6A規(guī)定了CO2腐蝕的判別標(biāo)準(zhǔn)：

當(dāng)CO2分壓小于0.05MPa(絕)一般不考慮腐蝕作用；當(dāng)CO2分壓在0.05～0.21MPa(絕)，應(yīng)考慮腐蝕作用；當(dāng)CO2分壓大于0.21MPa(絕)，有明顯腐蝕。

對于該氣田而言，CO2的摩爾組成0.35%，正常的管道運(yùn)行壓力12MPa，其氣相的CO2分壓為0.042MPa，根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，可以不考慮CO2腐蝕作用，但從管道和容器拆檢的情況來看，腐蝕卻表現(xiàn)為典型的CO2腐蝕形貌，即坑蝕和臺面腐蝕。在流動狀態(tài)下，具有在流動方向上的延伸槽，是一種典型的流動誘導(dǎo)局部腐蝕。

鐵在CO2的酸性環(huán)境下，生成碳酸鐵鹽，部分在金屬表現(xiàn)形成一層碳酸鹽垢層，一定程度保護(hù)了金屬被進(jìn)一步腐蝕。但碳酸鐵鹽也可以溶解于酸性溶液中，在一定條件下，溶解在溶液中的碳酸鐵鹽與垢層達(dá)到平衡。這種平衡是動態(tài)的，條件改變時(shí)，垢層會變薄甚至?xí)适ТM，腐蝕加劇。這種條件不僅與流態(tài)有關(guān)，而且與溫度也密切相關(guān)。前人研究表明：在60～100℃時(shí)，破壞尤為嚴(yán)重，當(dāng)溫度低于60～70℃時(shí)，腐蝕速度將會隨溫度升高而加大；當(dāng)溫度高于80～100℃，腐蝕速度將會隨著溫度升高而降低。該氣田內(nèi)部集輸干線的溫度約在70℃左右，剛好處于CO2腐蝕溫度敏感區(qū)域。

(2)渦流腐蝕 二股流匯合時(shí)，會發(fā)生流態(tài)變化，從而導(dǎo)致腐蝕的發(fā)生。通過模擬二股流匯合可知在氣流交匯處，存在低速渦流區(qū)。在該區(qū)域腐蝕性組分和水分會由于流速突然減小而出現(xiàn)水汽的凝結(jié)，形成典型的酸性腐蝕環(huán)境，而且氣流匯合處渦流強(qiáng)度大且存在壁面剪切力。在渦流的循環(huán)往復(fù)剪切作用下，腐蝕產(chǎn)物膜對壁面的粘附力減弱，進(jìn)而會加劇管道內(nèi)壁的沖刷腐蝕。在有緩蝕劑加注作為防腐措施的場合，也會因渦流的存在，導(dǎo)致緩蝕劑在該處不能有效附著，管道得不到保護(hù)。

(3)沖蝕 當(dāng)流體的流速過快時(shí)，會對管道產(chǎn)生沖蝕。這主要是因?yàn)楦咚倭黧w對碳酸鹽鐵垢層的侵蝕。速度越高，這種破壞作用越明顯，因此，在管道的設(shè)計(jì)均對流速有一定的要求，對于碳鋼管道而言，一般要求的流體流速不得超過9m/s。研究區(qū)集氣站至油氣處理廠管道的管徑為508mm，計(jì)算的流速為流速約為6.5m/s，可見流速引起的沖蝕不是其爆管的主因，主因是其流態(tài)是渦流的原因。

(4)電偶腐蝕 不同材質(zhì)的金屬相連時(shí)，由于其電位不一樣，在溶液中存在著電位差，從而導(dǎo)致其中一種金屬被腐蝕，這種腐蝕被稱為電偶腐蝕。研究表明當(dāng)316和16Mn二種材料放在溶液中時(shí)，16Mn首先被腐蝕，而且其腐蝕速率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其單獨(dú)在溶液中的速率，這個(gè)原因就是因?yàn)?16和16Mn存著電位差,16Mn為犧牲陽極，被腐蝕，而316作為陰極，得到保護(hù)。該原理是研究氣田支線爆管的主要原因之一。

2 腐蝕控制措施

(1)采用復(fù)合管代替碳鋼管道 采用較高等級材質(zhì)的鋼材是控制腐蝕的本質(zhì)安全措施。該氣田在發(fā)生腐蝕失效后逐漸在內(nèi)部集輸所有的三通更換為L415+316L 復(fù)合管直插三通，同時(shí)，為減少支線流速過大引起渦流，單井支線與集氣干線碰頭前也采用了一段較大管徑的管道。為有效消除電偶腐蝕，增加了復(fù)合管短節(jié)，短節(jié)一半為復(fù)合管，一半采用內(nèi)涂層，有利于現(xiàn)場焊接，也消除電偶腐蝕。由于316的抗沖蝕效果好，采用復(fù)合管，即使緩蝕劑不能附著，也可有效防止渦流腐蝕。該措施一定程度消除了電偶腐蝕，但腐蝕狀況依然未能徹底消除。316與碳鋼之間存在著電偶腐蝕，導(dǎo)更換為碳碳+316的復(fù)合管，使用效果良好。(2)選擇合適的緩蝕劑。緩蝕劑對碳鋼管道的保護(hù)有重要作用。在管道投產(chǎn)使用之前，對管道進(jìn)行緩蝕劑預(yù)膜很有必要緩蝕劑類型的選擇和加注量的確定要通過實(shí)驗(yàn)室評定來確定，但實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行緩蝕劑配伍實(shí)驗(yàn)時(shí)，一般是在靜態(tài)，而生產(chǎn)的管道卻是流動狀態(tài)，因此還需要結(jié)合其他手段，以保證管道的完整性。(3)壁厚檢測。如果管線采用了較低等級材質(zhì)和管道和設(shè)備，那么進(jìn)行定期檢測是非常有必要的。通過檢測比如壁厚檢測或超聲波檢測焊縫，可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷，掌握管道的腐蝕情況，及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

3 結(jié)語

氣田集輸干線的腐蝕是其失效的重要原因，研究氣田生產(chǎn)過程中主要存在CO2腐蝕、渦流沖蝕、電偶腐蝕、綜合腐蝕等。其中CO2腐蝕是腐蝕的起因，其他的腐蝕形式大大加劇了腐蝕?？赏ㄟ^采取高等級材質(zhì)的管道、選取合適的緩蝕劑以及壁厚檢測對腐蝕進(jìn)行控制。

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