大慶油田有限責(zé)任公司第六采油廠

截至2019年底，喇嘛甸油田共建成各類地面管道9 304 km，其中運(yùn)行20年以上的管道2 551 km，占總數(shù)的27.42%。油田地面系統(tǒng)管道腐蝕老化嚴(yán)重，埋地管道穿孔率為1.387 km-1·a-1，超出股份公司考核指標(biāo)，影響了油田生產(chǎn)。為此，針對(duì)喇嘛甸油田埋地管道開展了管道腐蝕機(jī)理與防治對(duì)策的分析與研究。

1 埋地管道腐蝕機(jī)理

1.1 管道外腐蝕

1.1.1 土壤腐蝕性強(qiáng)

大慶油田采油六廠自然地勢(shì)低洼，地下水位高，土壤電阻率低，平均土壤電阻率為8.74 Ω·m，導(dǎo)致土壤腐蝕性強(qiáng)[1]。埋地腐蝕掛片20組，60個(gè)掛片（圖1、圖2），分布在全廠6個(gè)聯(lián)合站，14個(gè)轉(zhuǎn)油站，平均質(zhì)量腐蝕速率為7.02 g/(dm2·a)，平均點(diǎn)蝕速率為0.76 mm/a，最大點(diǎn)蝕速率為1.36 mm/a，屬于重腐蝕區(qū)。

圖1 測(cè)量氧化還原電位Fig.1 Redox potential measurement

圖2 埋設(shè)掛片F(xiàn)ig.2 Burying coupons

1.1.2 外防腐層失效導(dǎo)致腐蝕

由圖3統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，由于外防腐層本身質(zhì)量問題，失效穿孔后未按規(guī)范修復(fù)，以及在基建施工中受到外力破壞、外補(bǔ)口不達(dá)標(biāo)等因素影響，導(dǎo)致裸露的管體夾克層內(nèi)進(jìn)水，直接接觸土壤發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

圖3 金屬管道外腐蝕穿孔因素實(shí)物圖Fig.3 Real product picture of metal pipeline external corrosion perforation factors

1.2 管道內(nèi)腐蝕

1.2.1 宏觀腐蝕形貌分析

2019年，在注聚管道內(nèi)腐蝕機(jī)理的分析上，加大了現(xiàn)場取樣數(shù)量和頻次，共計(jì)分析注聚管道腐蝕穿孔數(shù)據(jù)13 424條，細(xì)菌、硫化物、溶解氧含量等數(shù)據(jù)分析1 291組，現(xiàn)場取樣剖切加工腐蝕管段480組，對(duì)內(nèi)腐蝕機(jī)理有了更加深入認(rèn)識(shí)[2]。對(duì)喇7-31等16口井內(nèi)腐蝕產(chǎn)物宏觀形貌、微觀形貌進(jìn)行化驗(yàn)分析。

表1是對(duì)剖切16組管段樣品進(jìn)行宏觀觀察的結(jié)果。涂層出現(xiàn)大面積漏點(diǎn)、起泡，涂層大面積脫落，基材銹蝕嚴(yán)重，多數(shù)管道涂層對(duì)管道基體失去保護(hù)作用。

運(yùn)行5年以上的管道，漏點(diǎn)、附著力等涂層指標(biāo)不合格，有5條管道局部腐蝕較為嚴(yán)重，剩余壁厚只有20%～50%。

1.2.2 微觀腐蝕形貌分析

對(duì)喇7-31井等16口井進(jìn)行電鏡、X射線衍射分析的結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物為碳、硫、氧、鋇、鐵等離子組分[3]。圖4為喇7-31井1#樣品X射線衍射分析圖、元素組成表以及電鏡掃描照片。

通過對(duì)圖5喇1#樣品的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，確定了腐蝕產(chǎn)物的相對(duì)含量。

能譜分析表明：腐蝕（表2）主要是硫化亞鐵、四氧化三鐵等細(xì)菌作用下的電化學(xué)腐蝕，相對(duì)含量構(gòu)成見表3。利用同樣的化驗(yàn)分析方法，對(duì)采油六廠注聚管道16口井失效樣品進(jìn)行檢測(cè)，其中，9口井有氧腐蝕參與，占比56.2%，16口井有細(xì)菌腐蝕參與，占比100%。

表1 腐蝕管段宏觀形貌分析Tab.1 Macro morphology analysis of corroded pipe section

圖4 喇1#樣品X射線衍射分析圖、元素組成表、電鏡掃描照片F(xiàn)ig.4 La 1#sample X-ray diffraction analysis chart，element composition table，electron microscope scanning photos

圖5 喇1#樣品能譜分析Fig.5 La 1#sample spectrum analysis diagram

表2 喇1#樣品能譜分析腐蝕產(chǎn)物構(gòu)成Tab.2 Composition of corrosion products of La 1#sample by energy spectrum analysis

從腐蝕類型看（表4），細(xì)菌腐蝕是主要影響因素，占比75%。由于內(nèi)防腐涂層失效，管道介質(zhì)中存在的三種菌（SRB、FB、TGB）形成共生體系，在內(nèi)涂層破損處著床形成固著菌，約2～3年時(shí)間會(huì)在管壁表面形成菌瘤（圖6），第四年菌瘤內(nèi)部加速電化學(xué)腐蝕，腐蝕速率可達(dá)3～5 mm/a。微觀分析中細(xì)菌腐蝕約4年即可造成管線穿孔，與采油六廠注聚金屬管線投產(chǎn)后4～5年爆發(fā)式腐蝕穿孔時(shí)間相吻合。1.2.3注聚金屬管道缺少內(nèi)補(bǔ)口技術(shù)，導(dǎo)致焊縫區(qū)腐蝕穿孔

表3 管段腐蝕產(chǎn)物物相定量分析對(duì)比Tab.3 Comparison of section corrosion products phase quantitative analysis%

表4 腐蝕管段腐蝕因素對(duì)比Tab.4 Corrosion factor comparison of corrosion section

圖6 5#樣品細(xì)菌共生菌瘤下腐蝕Fig.6 5#sample symbiotic bacteria corrosion under the tumor

通過對(duì)圖7焊口腐蝕穿孔管段分析，發(fā)現(xiàn)管段焊口處由于沒有內(nèi)補(bǔ)口，在內(nèi)補(bǔ)口施工中，焊縫熱影響區(qū)內(nèi)防腐層脫落，細(xì)菌直接附著在金屬表面形成菌瘤，導(dǎo)致腐蝕穿孔。

圖7 注聚金屬管道焊縫附近發(fā)生的內(nèi)腐蝕穿孔Fig.7 Internal corrosion perforation near the polymer injection pipeline weld joint

2 防治對(duì)策

針對(duì)喇嘛甸油田腐蝕特點(diǎn)，加強(qiáng)管道完整性管理，推廣應(yīng)用新型涂層配套技術(shù)和區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)，建立完善腐蝕管段樣品庫，提高埋地管道運(yùn)行維護(hù)管理水平。

2.1 加強(qiáng)管道完整性管理工作

2.1.1 建立全過程質(zhì)量控制體系

建立管道從規(guī)劃設(shè)計(jì)→物資采購→基建施工→竣工檢測(cè)→運(yùn)行檢測(cè)→運(yùn)行維護(hù)→穿孔修復(fù)→建立管道修復(fù)管理平臺(tái)的全過程質(zhì)量控制體系，重點(diǎn)抓好建設(shè)期完整性管理，加強(qiáng)源頭把關(guān)，對(duì)管道進(jìn)行全生命周期管理，提高管道完整性管理水平。

2.1.2 建立完善管道腐蝕樣品庫

為全面掌握埋地管道腐蝕狀況、檢驗(yàn)防腐效果，分系統(tǒng)建立喇嘛甸油田腐蝕失效樣品庫[4]。搜集各類管道失效樣品144件，依據(jù)地面系統(tǒng)劃分為注聚、注水、集輸系統(tǒng)3個(gè)部分。注聚系統(tǒng)管道收集34口井102件腐蝕樣品，集輸系統(tǒng)收集17口井40件腐蝕樣品，注水系統(tǒng)收集2口井2件腐蝕樣品，為深入分析管道失效原因、制定具體的管理措施和技術(shù)對(duì)策提供了詳細(xì)依據(jù)。

每件腐蝕失效樣品均配備紙質(zhì)與電子檔案，能直觀了解管道基本信息、運(yùn)行信息、失效次數(shù)、腐蝕樣貌等信息，為量化分析管道的失效原因奠定了基礎(chǔ)。

2.1.3 開展管道內(nèi)涂層質(zhì)量檢測(cè)

為了提高注聚金屬管道熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)涂層質(zhì)量，規(guī)劃所成立了管道檢測(cè)組，從SY/T0442—2010《鋼質(zhì)管道熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)防腐層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》10項(xiàng)指標(biāo)中選取4項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)（外觀、厚度、漏點(diǎn)、附著力），開展管道內(nèi)涂層質(zhì)量快速檢測(cè)[5]。

2018年共抽檢4個(gè)生產(chǎn)廠家的26批次產(chǎn)品，合計(jì)79件樣品。有8批次產(chǎn)品4項(xiàng)指標(biāo)全都合格，已有31.67 km不合格管材被退回，取消管道訂貨50 km。為此通過開展內(nèi)涂層快速檢測(cè)工作，督促廠家積極查找不足，優(yōu)化工藝參數(shù)。從第14批次開始，各廠家環(huán)氧粉末內(nèi)涂層厚度明顯提高，廠內(nèi)四項(xiàng)快檢指標(biāo)合格率由前13批次的0上升到后13批次的62%，產(chǎn)品質(zhì)量得到穩(wěn)定提升。

2019年共抽檢380 km金屬管道，共計(jì)38批次123件樣品。經(jīng)廠內(nèi)質(zhì)量快速檢測(cè)，熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)涂層質(zhì)量均合格。

2.1.4 開展雙高管道的識(shí)別評(píng)價(jià)工作

按照油田公司加強(qiáng)埋地管道完整性管理的要求，2019年全廠9 304 km管道已全部實(shí)現(xiàn)高后果區(qū)識(shí)別、高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，共識(shí)別出高后果區(qū)管道731 km，評(píng)價(jià)出高風(fēng)險(xiǎn)管道1 286 km。

2.1.5 開發(fā)埋地管網(wǎng)技術(shù)管理平臺(tái)

根據(jù)喇嘛甸油田地面生產(chǎn)需要，研發(fā)埋地管網(wǎng)技術(shù)管理平臺(tái)[6]，實(shí)現(xiàn)A4+A5數(shù)據(jù)及地圖整合，實(shí)現(xiàn)地圖主頁、管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、穿孔數(shù)據(jù)、陰極保護(hù)數(shù)據(jù)、管道腐蝕樣品庫、區(qū)塊管理、統(tǒng)計(jì)分析8個(gè)功能數(shù)據(jù)信息查詢、分析統(tǒng)計(jì)功能；平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了管道A5數(shù)據(jù)與A4數(shù)據(jù)的對(duì)接與展示；實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的整合、分析，直觀展示統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)結(jié)果；實(shí)現(xiàn)了管道穿孔預(yù)警功能；根據(jù)管道使用年限、長度及穿孔次數(shù)，自動(dòng)計(jì)算管道穿孔率；評(píng)估管道使用風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)管道進(jìn)行更換預(yù)警，提高了埋地管道管理水平。

2.1.6 開展管道穿孔專業(yè)化修復(fù)

在失效管道修復(fù)上[7]，實(shí)現(xiàn)了專業(yè)化修復(fù)，建立了維修管理規(guī)范化、施工運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)化、驗(yàn)收結(jié)算程序化、數(shù)據(jù)查詢信息化的管理模式，實(shí)現(xiàn)了穿孔維修全過程的“閉環(huán)”管理。提高了失效管道維修質(zhì)量，一次合格率100%，安全環(huán)保合格率100%。提升了維修效率，油井管線維修平均縮短16 h，水井注入時(shí)率提高0.25個(gè)百分點(diǎn)。

2.2 外腐蝕控制

2.2.1 推廣區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)

為了控制埋地管道外腐蝕速率，2003開始推廣應(yīng)用大區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)[8]，利用自主研發(fā)的油管輔助陽極技術(shù)，降低工程投資，利用自動(dòng)調(diào)控技術(shù)，提高陰極保護(hù)運(yùn)行率。推廣建設(shè)4座大區(qū)域陰極保護(hù)站，保護(hù)44座計(jì)量間631 km集輸管道，共有恒電位儀51臺(tái)，現(xiàn)有效運(yùn)行46臺(tái)，運(yùn)行率90.2%，有效降低了外腐蝕穿孔速率。實(shí)施大區(qū)域陰極保護(hù)的喇501轉(zhuǎn)油站下轄47口油井，共計(jì)38 km集輸管道，在喇北北塊強(qiáng)腐蝕區(qū)運(yùn)行16年，穿孔率為0.37 km-1·a-1，同區(qū)塊未實(shí)施陰極保護(hù)的喇641轉(zhuǎn)油站穿孔率為1.26 km-1·a-1，保護(hù)效果顯著。

2.2.2 開展廢舊油管輔助陽極技術(shù)研究

2018年在喇5014#及喇5010#計(jì)量間陰極保護(hù)站陽極井維修中，利用廢舊油管代替輔助陽極[9]，使用打樁機(jī)打樁的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鉆井方式，新建兩口廢舊油管輔助陽極井（圖8）。兩年平穩(wěn)運(yùn)行，保護(hù)電位平均達(dá)到-1.05 V，有效保護(hù)了兩座計(jì)量間8.48 km管道，節(jié)約投資32萬元。

圖8 快速打樁法廢舊油管輔助陽極實(shí)物圖片F(xiàn)ig.8 Real product picture of quickly piling method waste tubing auxiliary anode

2018年下半年在打樁法基礎(chǔ)上改進(jìn)為立式淺埋廢舊油管輔助陽極。

2.2.3 陰極保護(hù)自動(dòng)調(diào)控技術(shù)

目前的陰極保護(hù)系統(tǒng)，保護(hù)電位需要人工頻繁調(diào)節(jié)，對(duì)陰極保護(hù)運(yùn)行率造成很大影響。為了提高陰極保護(hù)裝置運(yùn)行率及保護(hù)效果[10]，研究應(yīng)用了自動(dòng)調(diào)控技術(shù)，該技術(shù)以電位自動(dòng)遙測(cè)分機(jī)、極化探頭、恒電位儀管理裝置為核心，通過數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、自動(dòng)分析、自行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)設(shè)備自動(dòng)化運(yùn)行。

2018年在喇700轉(zhuǎn)油放水站及喇7006#計(jì)量間陰極保護(hù)站建設(shè)中應(yīng)用了陰極保護(hù)智能管理系統(tǒng)，站內(nèi)設(shè)置管理裝置1臺(tái)，自動(dòng)遙測(cè)分機(jī)3臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動(dòng)采集自動(dòng)調(diào)控功能[10]。自投運(yùn)以來，斷電保護(hù)電位在-0.85～-1.2 V之間，陰極保護(hù)裝置運(yùn)行率提高到100%，保護(hù)效果見表5。

2.3 內(nèi)腐蝕控制

對(duì)補(bǔ)口成熟技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研，經(jīng)過現(xiàn)場應(yīng)用試驗(yàn)，初步確定了4種管道防腐工藝：①針對(duì)熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)涂層管道，使用堆焊補(bǔ)口、機(jī)械壓接接頭兩種補(bǔ)口技術(shù)；②針對(duì)高分子熱熔內(nèi)涂層管道，管段中間用螺紋連接，兩側(cè)采用機(jī)械壓接接頭；③針對(duì)鈦石墨納米內(nèi)涂層管道，管段中間、兩側(cè)采用新型無損焊接接頭方式連接；④應(yīng)用管道在線擠涂技術(shù)，兩側(cè)采用機(jī)械免焊接頭連接方式。

表5 電位自動(dòng)遙測(cè)分級(jí)運(yùn)行數(shù)據(jù)Tab.5 Data of automatic telemetry classification operation

3 結(jié)束語

通過對(duì)喇嘛甸油田埋地管道腐蝕機(jī)理及防治對(duì)策分析研究發(fā)現(xiàn)，要控制埋地管道失效率，首先在源頭上要把住質(zhì)量關(guān)，加大防腐涂層質(zhì)量檢測(cè)工作，杜絕不合格管道入廠。在外腐蝕控制上繼續(xù)推廣應(yīng)用區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)，應(yīng)用廢舊油管作為輔助陽極，降低了投資；應(yīng)用陰極保護(hù)自動(dòng)調(diào)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)陰極保護(hù)數(shù)字化管理。在內(nèi)腐蝕控制上，推廣應(yīng)用新型涂層及內(nèi)補(bǔ)口配套技術(shù)，有效控制埋地管道失效率，提高埋地管道運(yùn)行維護(hù)管理水平。