朱景義 趙海燕 巴璽立 李志彪 潘力

（1.中國石油天然氣股份有限公司規(guī)劃總院；2.中國石油集團(tuán)工程有限公司北京項(xiàng)目管理分公司）

0 引言

氣田集輸采用氣液混輸工藝能夠簡化地面集輸工藝流程、減少管材投資、降低管理費(fèi)用［1］。但是，采用氣液混輸工藝的酸性氣田在實(shí)際運(yùn)行中，由于碳鋼管道腐蝕較為嚴(yán)重，造成壁厚減薄、強(qiáng)度減弱，繼而引發(fā)管道穿孔或爆管事件，嚴(yán)重影響了正常生產(chǎn)，且存在較大安全隱患。

1 腐蝕機(jī)理和管道失效情況

目前，氣田集輸管道以碳鋼管為主。酸性氣田在氣液混輸工況下，H2S或 CO2溶于水形成弱酸，引起碳鋼管道較為嚴(yán)重的腐蝕。其中，H2S腐蝕為電化學(xué)腐蝕、氫致開裂和硫化物應(yīng)力腐蝕開裂，典型特征是局部腐蝕；CO2腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕和局部電偶腐蝕，典型特征是均勻腐蝕和局部腐蝕。此外，C1-會促進(jìn)局部腐蝕，使腐蝕向管材基體縱深發(fā)展而形成氯化物點(diǎn)蝕，最終導(dǎo)致管道穿孔。影響H2S、CO2和C1-腐蝕速率的主要因素有介質(zhì)pH值、介質(zhì)溫度、H2S分壓、CO2分壓、C1-濃度和管道流速等。

酸性氣田氣液混輸管道運(yùn)行工況往往較為復(fù)雜，如，在塔里木油田牙哈、迪那、克深和塔中等區(qū)塊，氣井高壓高產(chǎn)，井流物普遍含 CO2，部分區(qū)塊含有H2S，C1-濃度大部分在10×104mg/L以上，部分井井口溫度高達(dá)90 ℃。此類極端苛刻的氣質(zhì)條件和集輸工況，對集輸管道材質(zhì)的適用性提出了極高的要求。部分區(qū)塊選用的碳鋼管道多次出現(xiàn)失效事件，表現(xiàn)出一定的不適用性，突出表現(xiàn)為 CO2腐蝕失效。

如，迪那氣田集氣干管自2009年投產(chǎn)以來共發(fā)生過12起失效事件［2］，經(jīng)分析均為60 ℃以上的CO2腐蝕，腐蝕位置有管道三通處的局部腐蝕也有直管段的均勻腐蝕。牙哈氣田也發(fā)生過多次碳鋼管失效事件，最終通過更換為雙金屬復(fù)合管解決。迪那氣田集氣干管CO2腐蝕失效情況見圖1所示。

圖1 迪那氣田集氣干管CO2腐蝕失效情況

2 可選管材適用性分析

現(xiàn)階段氣田集輸管道可選材質(zhì)類型主要有碳鋼管、耐腐蝕合金管和雙金屬復(fù)合管等。

2.1 碳鋼管

碳鋼管制造工藝成熟、規(guī)格齊全、管材造價(jià)低、抗氯化物腐蝕能力較強(qiáng)，在各氣田應(yīng)用廣泛。但碳鋼管 CO2腐蝕較為嚴(yán)重，溫度是主要影響因素，在運(yùn)行溫度T≥50 ℃的敏感區(qū)腐蝕速率迅速上升，CO2分壓對腐蝕速率影響較小。根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，目前尚無有效緩蝕劑適用于 T≥50 ℃的含CO2工況，這也是迪那等區(qū)塊在投加緩蝕劑后仍然發(fā)生嚴(yán)重管道腐蝕的原因之一。因此，含CO2工況下當(dāng)T≥50 ℃時(shí)碳鋼管不適用；當(dāng) T＜50 ℃時(shí)，碳鋼的 CO2腐蝕速率下降明顯，處于輕度或中度腐蝕，此時(shí)碳鋼管+緩蝕劑方案具有較好的適用性。

含H2S工況下，碳鋼管+緩蝕劑方案在國內(nèi)外已有成熟使用經(jīng)驗(yàn)，抗硫管材規(guī)格型號齊全，具有良好的適用性。

2.2 耐腐蝕合金管

可用于集輸管道的耐腐蝕合金類型有 316L不銹鋼、2205雙相不銹鋼和825鎳基合金。

1）316L不銹鋼

316L不銹鋼具有較強(qiáng)的耐腐蝕性、良好的機(jī)械力學(xué)和焊接性能，但316L不銹鋼對C1-比較敏感，溫度和C1-濃度越高越易發(fā)生氯化物腐蝕。對含CO2工況，316L不銹鋼適用性較好，在一定限制條件范圍內(nèi)其耐蝕性能滿足氣田集輸使用要求。由于316L不銹鋼易發(fā)生硫化物應(yīng)力開裂，在含H2S氣田其應(yīng)用范圍被嚴(yán)格限制，具體可參考ISO 15156-3-2015《Petroleum and Natural Gas Industries—Materials for Use in H2S-Containing Environments in Oil and Gas Production—Part 3: Cracking-Resistant CRAs（Corrosion-Resistant Alloys）and Other Alloys》（石油天然氣工業(yè)油氣開采中用于含 H2S環(huán)境的材料第3部分：抗開裂CRAs（耐蝕合金）和其他合金）。

2）2205雙相不銹鋼

2205雙相不銹鋼主要由奧氏體和鐵素體兩相組成，具有良好的機(jī)械力學(xué)性能和耐腐蝕性。在有氯化物存在的含CO2工況，2205雙相不銹鋼具有比316L更加優(yōu)秀的抗點(diǎn)蝕及應(yīng)力腐蝕的能力，適用于各類含CO2氣田集輸工況。2205雙相不銹鋼同樣易發(fā)生硫化物應(yīng)力開裂，且由于雙相結(jié)構(gòu)比316L不銹鋼更易受低 pH和高H2S分壓影響，表現(xiàn)為相間氫致開裂和穿晶腐蝕，因此在各類含H2S工況下不宜使用。

3）825鎳基合金管

825鎳基合金是鈦穩(wěn)定化處理的全奧氏體鎳鐵鉻合金，具有耐各種形式腐蝕破壞的能力，并且兼有很好的力學(xué)和加工性能。鎳基合金在溫度小于149 ℃時(shí)能夠用于任何 H2S分壓、Cl-濃度以及 pH值環(huán)境［3］。試驗(yàn)研究和實(shí)際應(yīng)用顯示，825鎳基合金同樣適用于各類含 CO2工況以及 H2S與CO2共存工況。但825鎳基合金熔點(diǎn)較低，導(dǎo)熱系數(shù)較碳素鋼低得多，焊接工藝要求高、難度大。

綜上所述，316L不銹鋼適用于限制條件范圍內(nèi)的含CO2工況；2205雙相不銹鋼適用于各類含CO2工況；在各類含H2S工況，316L不銹鋼適用性較差，2205雙相不銹鋼不適用；825鎳基合金耐蝕性能最好，適用于各類酸性氣田集輸工況。

2.3 雙金屬復(fù)合管

雙金屬復(fù)合管是以碳鋼管為基體，以耐腐蝕合金為內(nèi)襯防腐層，可充分發(fā)揮碳鋼管的機(jī)械性能和耐腐蝕合金的耐蝕性能，從而降低管道建設(shè)和運(yùn)行成本。按照基管和襯管的復(fù)合工藝劃分，雙金屬復(fù)合管分為襯里（機(jī)械式）和內(nèi)覆（冶金式）兩大類。機(jī)械式復(fù)合工藝有水下爆燃復(fù)合、水力液壓復(fù)合等，冶金式復(fù)合工藝有復(fù)合板焊接法、離心鑄造法等。通常冶金復(fù)合管性能優(yōu)于機(jī)械復(fù)合管，但冶金復(fù)合生產(chǎn)工藝復(fù)雜、制造成本較高，目前應(yīng)用的主要是機(jī)械式復(fù)合管。

目前，雙金屬復(fù)合管可選內(nèi)襯材質(zhì)主要有316L不銹鋼、2205雙相不銹鋼和825鎳基合金等。2205雙相不銹鋼屈服強(qiáng)度較高，與L415及以下鋼級復(fù)合時(shí)只能采用冶金復(fù)合，制管難度較大；825復(fù)合管制造工藝與316L復(fù)合管相似，但價(jià)格較高。因此，目前內(nèi)襯材質(zhì)主要使用316L不銹鋼。

雙金屬復(fù)合管由于結(jié)構(gòu)獨(dú)特，焊接施工要求極高，對管材圓度、焊材、焊接環(huán)境、焊接工序、保護(hù)措施、焊后處理及檢驗(yàn)等都有嚴(yán)格要求。在雙金屬復(fù)合管應(yīng)用初期，由于焊接施工經(jīng)驗(yàn)較少，曾出現(xiàn)一次焊接合格率低導(dǎo)致大量返工的情況。

目前，在酸性氣田集輸系統(tǒng)中，316L雙金屬復(fù)合管主要應(yīng)用于 T≥50 ℃的含 CO2工況，其防腐蝕性能與316L不銹鋼管基本一致。在高含Cl-工況下316L雙金屬復(fù)合管也限制使用，建議根據(jù)溫度、Cl-濃度和pH值確定其適用性。

3 耐腐蝕管材經(jīng)濟(jì)性分析

雙金屬復(fù)合管和耐腐蝕合金管均具有較好的耐腐蝕性，在某些集輸工況下二者從技術(shù)上均滿足要求，但工程造價(jià)差異較大。

采用2017年度主材價(jià)格（含稅），計(jì)算分析常用設(shè)計(jì)壓力下（以16 MPa為例）兩類管材的價(jià)格，價(jià)格對比見表1。表1中，雙金屬復(fù)合管壁厚為碳鋼基管壁厚+耐腐蝕合金襯管壁厚，價(jià)格數(shù)據(jù)為每公里主材價(jià)格。

表1 不同管道材質(zhì)主材價(jià)格對比（2017年價(jià)格數(shù)據(jù)）

通過對不同管道材質(zhì)主材價(jià)格的分析可以看出，在經(jīng)濟(jì)性方面，總體上316L雙金屬復(fù)合管具有優(yōu)勢，825鎳基合金雙金屬復(fù)合管價(jià)格較高，約為316L雙金屬復(fù)合管的2.5倍左右；316L不銹鋼管和825鎳基合金管屈服強(qiáng)度低，同壓力下壁厚大、用量多，主材價(jià)格高于316L雙金屬復(fù)合管，且在直徑168.3 mm及以上隨著管徑增大價(jià)格差距加大，825鎳基合金管單價(jià)高，約為316L雙金屬復(fù)合管的6～9倍；2205雙相不銹鋼屈服強(qiáng)度較高，用鋼量少，在直徑168.3 mm以下管徑與316L雙金屬復(fù)合管價(jià)格相差不大或略有優(yōu)勢。

4 酸性氣田集輸管材選用建議

4.1 含CO2工況

T＜50 ℃時(shí)推薦使用碳鋼管同時(shí)輔助投加緩蝕劑；T≥50 ℃時(shí)推薦采用316L不銹鋼雙金屬復(fù)合管，管徑168.3 mm及以下管道可選用2205雙相不銹鋼管，316L不銹鋼使用限制條件見表2。

表2 316L不銹鋼在含CO2工況下使用限制條件［4］

4.2 含H2S工況

推薦使用抗硫碳鋼管同時(shí)輔助投加緩蝕劑，管材選用具體要求可參考SY/T 0599—2006《天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開裂和抗應(yīng)力腐蝕開裂的金屬材料要求》。

4.3 H2S與CO2共存工況

T＜50 ℃時(shí)主要考慮 H2S腐蝕，管材選用同僅含 H2S工況；T≥50 ℃時(shí)需同時(shí)考慮 H2S和 CO2腐蝕，情況最為復(fù)雜，可選管材有抗硫碳鋼管同時(shí)輔助投加緩蝕劑、825雙金屬復(fù)合管和 825鎳基合金管，管材的具體選用應(yīng)通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選確定。