， 　， ， 　(. 中海油有限天津分公司 渤西作業(yè)公司， 天津　30045；. 中海油(天津)管道技術(shù)工程有限公司， 天津　30045)

海底管道是海洋石油生產(chǎn)系統(tǒng)中輸送原油和天然氣的重要設(shè)施，一旦發(fā)生事故不僅會(huì)影響油田的正常生產(chǎn)，還會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染[1-3]。海底管道失效位置的查找及修復(fù)難度大，其安全運(yùn)營具有重要意義[4]。有關(guān)文獻(xiàn)研究表明，若天然氣管道中含有CO2、H2S或氯化物等腐蝕性組分且同時(shí)伴有積水，則極易造成管道內(nèi)腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致管壁穿孔，將嚴(yán)重威脅管道運(yùn)輸?shù)陌踩院屯暾訹5-6]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，內(nèi)腐蝕是導(dǎo)致管道失效的主要原因之一，因此采用適當(dāng)?shù)姆椒A(yù)測內(nèi)腐蝕的位置及其數(shù)量十分必要[7]。目前公認(rèn)的油氣管道腐蝕檢測的方法是內(nèi)檢測，但對(duì)于無法進(jìn)行內(nèi)檢測和不能中斷輸送的管道，內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)法(ICDA)才最為有效。

本文在分析內(nèi)腐蝕介質(zhì)、管內(nèi)積液和清管產(chǎn)物的基礎(chǔ)上，采用內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)法計(jì)算并確定出渤西南長輸海底管道某易積液管段腐蝕風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，同時(shí)利用Predict和Norsok M506兩種腐蝕預(yù)測軟件預(yù)測其內(nèi)腐蝕傾向，并計(jì)算出該管段剩余腐蝕壽命，可為類似工程的腐蝕評(píng)價(jià)提供借鑒。

1　渤西南長輸海底管道概況

1.1　受評(píng)管段簡介

渤西南長輸海底管道用于渤西終端至渤南終端天然氣輸送，于2011年投用，設(shè)計(jì)使用年限為25 a。待評(píng)價(jià)管段為QK18-1至BZ13-1主管線上的一段三通管段，長19 km，其公稱直徑為100 mm(4″)，材質(zhì)為X65，壁厚11.1 mm，內(nèi)腐蝕余量4 mm。針對(duì)該海底管道不具備開展智能內(nèi)檢測條件的特殊情況，采用直接評(píng)價(jià)法展開內(nèi)腐蝕研究，以間接確認(rèn)其內(nèi)腐蝕部位與腐蝕程度。

1.2　管線運(yùn)行工況

受評(píng)的海底管段的主要運(yùn)行參數(shù)和設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1　受評(píng)海底管段主要參數(shù)

從表1可知，該管段的實(shí)際運(yùn)行壓力低于設(shè)計(jì)壓力，但實(shí)際運(yùn)行溫度低于設(shè)計(jì)溫度。當(dāng)運(yùn)行壓力低于設(shè)計(jì)值時(shí)，管道內(nèi)介質(zhì)輸送量降低，容易形成積液從而導(dǎo)致管道腐蝕。溫度過低，容易在管道內(nèi)部結(jié)蠟，同時(shí)會(huì)令輸送介質(zhì)黏度增加。

1.3　內(nèi)腐蝕介質(zhì)

管道的內(nèi)腐蝕介質(zhì)主要來源為管內(nèi)輸送的介質(zhì)。接受評(píng)價(jià)的管段為天然氣輸送管線。天然氣中含有的水蒸氣遇冷后極易在管道較粗糙的表面附著，形成電化學(xué)腐蝕環(huán)境。同時(shí)，天然氣中的CO2是強(qiáng)腐蝕介質(zhì)，會(huì)加速管道的腐蝕。文獻(xiàn)研究表明，影響CO2腐蝕的主要因素有溫度、CO2分壓、流速和甲醇的含量[8-10]。收集的資料顯示，受評(píng)管段的CO2分壓為0.207 MPa，屬于中度腐蝕條件。天然氣的流速為0.02～1.56 m/s，根據(jù)曼得漢流型圖可知該管段流型為分層流。冬季清管后甲醇體積分?jǐn)?shù)約為60%。

2　受評(píng)管段內(nèi)腐蝕評(píng)價(jià)研究

2.1　內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)法

海底管道內(nèi)部發(fā)生腐蝕將會(huì)給管道的長期運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)，特別是對(duì)于無法進(jìn)行智能檢測的管道，長期運(yùn)行后管道內(nèi)壁的腐蝕狀況難以直接進(jìn)行檢測。美國腐蝕工程師協(xié)會(huì)認(rèn)證的內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)法是一種較好的方法[11-12]。ICDA評(píng)價(jià)的步驟主要包括預(yù)評(píng)價(jià)、間接檢測、詳細(xì)檢查和后評(píng)價(jià)[13]。該方法能有效辨識(shí)出由內(nèi)腐蝕而導(dǎo)致管道惡化的位置。ICDA方法的基本理念是判斷優(yōu)先積水位置，最先積水的地方最可能先發(fā)生腐蝕。根據(jù)NACE SP 0206—2006《干氣管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[14]，腐蝕性的水在管道中的積聚是引起天然氣管道內(nèi)腐蝕的主要原因和先決條件，水平管與傾斜下降管通常不會(huì)積液。在傾斜上升管中，重力阻滯液體向下游流動(dòng)，會(huì)發(fā)生積液，從而引起內(nèi)腐蝕。管道積水與腐蝕示意圖見圖1。

圖1　管道積水與腐蝕示意圖

2.2　間接檢測

2.2.1清管積液分析

對(duì)相同輸送介質(zhì)、相同工況下的可清管管段收集的積液進(jìn)行水質(zhì)分析，結(jié)果見表2[15]。分析結(jié)果表明，積液的總礦化度為121.32 mg/L、總硬度為3.36 mmol/L、總堿度為1.10 mmol/L、pH值為6.25。經(jīng)過結(jié)垢軟件預(yù)測，管段不會(huì)有CaCO3垢產(chǎn)生，但不排除因清管導(dǎo)致清管沉積物在三通處沉積，形成垢下腐蝕。同時(shí)進(jìn)行了SRB(細(xì)菌培養(yǎng))檢測[16]，結(jié)果表明其菌量為0 pcs/mL。

表2　積液水質(zhì)分析

2.2.2清管產(chǎn)物物相分析

對(duì)從輸送相同介質(zhì)、相同工況下的可清管管段收集的殘?jiān)M(jìn)行了X射線衍射(XRD)分析，結(jié)果見圖2。

圖2　清管殘留物XRD衍射圖譜

圖2表明，清管產(chǎn)物的主要成分為FeCO3，它是發(fā)生CO2腐蝕的典型產(chǎn)物[17]。

2.3　內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)

2.3.1一般流程

ICDA方法關(guān)鍵流程見圖3。

圖3　ICDA方法關(guān)鍵流程圖

2.3.2實(shí)際傾角計(jì)算

管道的實(shí)際傾角θ1按式(1)計(jì)算，并按式(2)將計(jì)算所得弧度轉(zhuǎn)化為角度[18]。

(1)

(2)

式(1)～ 式(2)中，Δh為管段的高程變化量，Δl為管段的距離變化量，m。文中受評(píng)管段的實(shí)際傾角隨里程變化見圖4。

圖4　受評(píng)管段里程-實(shí)際傾角圖

2.3.3臨界傾角計(jì)算

根據(jù)NACE SP 0206—2006，管段臨界傾角按式(3)計(jì)算。

(3)

式中，a為臨界傾角，(°)；ρl為液體密度，ρg為氣體密度，kg/m3；vg為表觀氣體速度，m/s；g為重力常數(shù)，m/s2；did為管道內(nèi)徑，mm。

式(3)中的氣體密度為實(shí)際氣體密度。計(jì)算時(shí)分兩步，第一步先按照理想氣體近似處理，第二步引入修正系數(shù)。根據(jù)理想氣體方程pV=nRT導(dǎo)出的理想氣體密度計(jì)算公式為：

(4)

式中，M為氣體的摩爾質(zhì)量，g/mol；p為管道內(nèi)的壓力，Pa；T為管道內(nèi)的溫度，K；R為理想氣體常數(shù)，8.314 J/(K·moL)。

引入修正系數(shù)后實(shí)際氣體的密度計(jì)算公式為：

(5)

式中，z為實(shí)際氣體的壓縮因數(shù)。任何氣體的壓縮因數(shù)均可由試驗(yàn)來確定。在理想狀態(tài)條件下，z的值為1。對(duì)于實(shí)際氣體，z是狀態(tài)的函數(shù)。

根據(jù)NACE SP 0206—2006推薦使用的流程和模型計(jì)算臨界傾角。管道評(píng)估以月為評(píng)估時(shí)間單元，采用代表管道每月可能攜液的最極端條件的最大輸氣量，獲得管道每月最大理論臨界傾角隨工藝參數(shù)的變化，進(jìn)而獲得臨界傾角的動(dòng)態(tài)變化。通過對(duì)ICDA區(qū)域進(jìn)行建模，用流動(dòng)模擬結(jié)果預(yù)測最可能發(fā)生內(nèi)腐蝕的位置，當(dāng)管道實(shí)際傾斜角大于臨界傾角時(shí)，即可能發(fā)生水的積聚而引發(fā)腐蝕。

2.3.4內(nèi)腐蝕敏感位置分析

根據(jù)項(xiàng)目資料，計(jì)算了近3 a三通至CB-A管段臨界傾角，分析存在積液風(fēng)險(xiǎn)和內(nèi)腐蝕敏感位置。以2015-08三通至CB-A管段臨界傾角分析為例，三通至CB-A管段極端積液條件為壓力2.9 MPa、溫度30 ℃、輸氣量0.86萬m3/d。該月的臨界傾角為0.22°，其中臨界傾角大于管道傾角的位置，即存在積液風(fēng)險(xiǎn)和內(nèi)腐蝕敏感位置有27處?；陧?xiàng)目基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步分析三通至CB-A管段高風(fēng)險(xiǎn)位置，得到管段積液累積時(shí)間隨液體積聚位置變化情況，見圖5。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和計(jì)算得到管段具體位置的腐蝕量，將積液位置分為3個(gè)等級(jí)，其中一級(jí)位置腐蝕風(fēng)險(xiǎn)性最高。共得到本項(xiàng)目腐蝕風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)116個(gè)，其中一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)共1個(gè)，里程位置KP19+410；二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)3個(gè)，里程位置KP7+603、KP19+430、KP19+518；三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)112個(gè)。

圖5　待評(píng)價(jià)管段積液累積時(shí)間隨液體積聚位置變化

2.4　腐蝕預(yù)測

分別利用Predict腐蝕預(yù)測軟件和Norsok M506腐蝕預(yù)測模型對(duì)受評(píng)管段的一級(jí)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)位置(KP19+410)以及3個(gè)二級(jí)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)位置(KP7+603、KP19+430、KP19+518)進(jìn)行腐蝕預(yù)測，各風(fēng)險(xiǎn)位置在2012～2015年的平均腐蝕速率預(yù)測結(jié)果見圖6。

圖6　兩種軟件對(duì)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)的腐蝕速率預(yù)測對(duì)比

從圖6可以看出，Norsok M506模型預(yù)測的腐蝕速率比Predict軟件預(yù)測的腐蝕速率大。這是由于Predict腐蝕預(yù)測考慮了醇類對(duì)CO2腐蝕的影響，因此腐蝕速率更準(zhǔn)確。

2.5　剩余壽命預(yù)測

管道的剩余壽命可以根據(jù)在預(yù)期服役條件下，所需的最小壁厚、檢查后測量的壁厚值以及估計(jì)的預(yù)期腐蝕速率加以確定。根據(jù)API 579-1/ASME FFS-1—2016《適用性評(píng)價(jià)》[19]提供的公式計(jì)算：

(6)

(7)

式中，Rlife為剩余腐蝕壽命，a；tam為管道測量剩余平均厚度，tmin為管道所需厚度，D0為管道外徑，MA為附加厚度，mm。Crate為管線內(nèi)腐蝕速率；mm/a;p′為設(shè)計(jì)壓力，S為管材的許用應(yīng)力，MPa；E為焊接接頭系數(shù)，取值0.8；YB31為系數(shù)，取值0.4。

受評(píng)管段運(yùn)行時(shí)間大約為4.5 a，最大腐蝕速率0.085 3 mm/a，設(shè)計(jì)壓力9.2 MPa，外徑114.3 mm，X65屈服強(qiáng)度為450 MPa。根據(jù)式(6)、式(7)計(jì)算管段剩余腐蝕壽命Rlife=42.3 a。

3　結(jié)語

對(duì)渤西南長輸海底天然氣輸送管道中某段不具備展開智能檢測的管段進(jìn)行內(nèi)腐蝕評(píng)價(jià)。采用清管積液水質(zhì)分析和清管產(chǎn)物物相分析等間接檢測手段初步判斷管線腐蝕以CO2腐蝕為主，不存在微生物腐蝕和沖蝕。采用內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)法確定受評(píng)管段存在116處液體易積聚進(jìn)而可能造成管道腐蝕的位置，對(duì)積液位置劃分等級(jí)。受評(píng)管段共存在一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)1個(gè)，二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)3個(gè)，三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)112個(gè)。應(yīng)用腐蝕預(yù)測軟件確定受評(píng)管段一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)KP19+410的腐蝕速率分布為0.016 7～0.151 6 mm/a，總平均速率為0.085 mm/a。根據(jù)API 579-1/ASME FFS-1準(zhǔn)則計(jì)算得到管段剩余腐蝕壽命為42.3 a。

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