塔里木河流域12伴生氣集輸管道防腐技術研究

塔里木河流域12伴生氣集輸管道防腐技術研究

塔河12個區(qū)位于新疆塔里木盆地西北部，伴隨著高度含有p2s和b2s的濕帶。如果b2s和b2s與水混合，則會形成硫酸和硫酸。這將很快加劇木材的腐蝕。目前國內外在高含CO2和H2S氣體的輸送管道中采取了不同的防腐蝕措施,包括采用耐蝕材料如不銹鋼、合金鋼、玻璃鋼,以及特殊措施如碳鋼加緩蝕劑、碳鋼加防腐蝕涂層等;英國北海Shearwater油田防腐蝕措施是采用雙相不銹鋼進行內防腐蝕涂層;普光氣田防腐蝕措施采用鎳基合金鋼、抗硫管材加緩蝕劑防護。因此,管線的防腐蝕技術研究與應用對于高含H2S以及CO2的天然氣輸送具有重要意義。1腐蝕環(huán)境分析1.1不同質量濃度cl-1,cl-1,ph5.4的質量濃度12區(qū)伴生氣H2S體積分數為0.79%～6.10%,CO2體積分數為6.7%～12.5%,飽和含水率5.06%,Cl-質量濃度為3514mg·L-1,pH5.14;伴生氣先經站內油氣分離緩沖罐初分離,后進入伴生氣分離器再分離后外輸,設計壓力1.6MPa、溫度80℃,工作壓力0.73～0.46MPa、溫度60～55℃,主干線總長23.91km。1.2凝析水腐蝕集輸管道中H2S和CO2通常會導致電化學腐蝕(全面腐蝕和局部腐蝕)和應力腐蝕開裂(H2S應力腐蝕開裂、氫致破裂),當天然氣中凝析水含有Cl-時,腐蝕問題將更為嚴重和復雜。1.2.1腐蝕模式確定12區(qū)伴生氣管線所處腐蝕環(huán)境為H2S-CO2-Cl-,計算設計工況條件下CO2分壓0.1072～0.2MPa,依據CO2腐蝕判斷分壓在0.021～0.21MPa之間為中等腐蝕。在CO2和H2S共存環(huán)境中,通常用判定腐蝕模式。當時為H2S腐蝕區(qū),當=20～500時為H2S和CO2混合腐蝕區(qū),當時為CO2腐蝕區(qū)。通過計算可知,=1.104～15.82,按照比值與腐蝕狀態(tài)關系,集氣管線腐蝕類型主導因素為H2S腐蝕。無論是CO2腐蝕還是H2S腐蝕,均是一個電化學過程,通常認為H2S和CO2共存的條件下比H2S單獨存在時腐蝕性更強,H2S作為陰極去極化劑,因電化學腐蝕造成點蝕,CO2溶于水形成碳酸,進一步降低水中的pH,增強了腐蝕性,加之游離水中C1-存在,加速CO2、H2S電化學腐蝕進程,使得系統(tǒng)電化學腐蝕環(huán)境非常惡劣。1.2.2國內試驗結果計算設計工況條件下H2S分壓為0.01264～0.0976MPa,原位pH為3.5～3.6,根據《天然氣地面設施抗硫化物應力開裂和抗應力腐蝕開裂的金屬材料要求》(SY/T0599-2006),>0.0003MPa會引起材料發(fā)生硫化物應力開裂(SSC)。按照碳鋼和低合金鋼發(fā)生硫化物應力開裂(SSCC)的酸性環(huán)境的嚴重程度分布圖,該工況屬于酸性環(huán)境嚴重的區(qū)域。暴露在H2S酸性環(huán)境下的金屬材料應考慮存在發(fā)生硫化物應力開裂(SSCC)、應力腐蝕開裂(SCC)和氫致破裂(HIC)腐蝕破壞風險。1.2.3濕含hs天然氣管道采用低流速未干氣體輸送系統(tǒng)(1)高程差管線沿線高程變化由西向東逐步降低,局部管段存在低洼點,輸送液體堆積在管道低洼處產生積液,存在發(fā)生積液腐蝕風險。(2)流速生產工況下流速2.6m·s—1,其流速與《高含硫化氫氣田集輸管道系統(tǒng)內腐蝕控制要求》(SY/T0611—2008)濕含H2S天然氣管道內氣體的流速易控制在3～6m·s-1值相差較大,過低的流速影響氣體在管內流動的攜液能力,尤其是低處攜積液能力。(3)水蒸汽伴生氣含5.06%飽和水,長距離輸送,溫度和壓力變化較大,液體在有限的管道空間中蒸發(fā)時,蒸汽分子吸濕沉積在鋼鐵表面頂部,形成點蝕需要的電解質溶液,電化學腐蝕風險增加。2腐蝕風險的降低對于H2S-CO2共存的腐蝕環(huán)境,需選擇適合的材料兼顧硫化物應力腐蝕、CO2腐蝕和電化學腐蝕,還需配套相應的工藝防腐措施來降低腐蝕風險。2.1其他抗側材料(1)“SS”鋼管:該鋼管是鉆井抗硫油套管,絲扣連接,其焊接性能較差,地面集輸規(guī)范中沒提及該類管材的應用,不推薦使用。(2)內涂層碳鋼管:普通的碳鋼管單靠內涂層或內襯塑料是不能用來作為抗硫化物應力開裂管材,同時管道焊接內補口困難,質量難保證,其次內涂層價格也相對較高,不推薦使用。(3)雙金屬復合鋼管:根據基管與襯層的結合狀態(tài),分機械復合管和冶金復合管,應用中主要問題是現場焊接難度大,復合管襯層厚度較薄,焊接順序先焊襯層、后焊基管,一旦焊縫處理不好會帶來晶間腐蝕隱患,同時管材價格高,不推薦使用。(4)抗硫無縫鋼管:采用抗開裂碳鋼是含H2S油氣田常用方案,且綜合成本相對適中。決定鋼材在含H2S介質中的抗開裂的主要因素之一是鋼化學成分。對鋼在含H2S介質中的耐腐蝕性有實質性影響的是鋼的硬度、熱處理、金屬實際應力強度、H2S濃度,按石油和天然氣工業(yè)-油氣開采中用于含H2S環(huán)境的材料(NACEMR0175/ISO15156)和天然氣地面設施抗硫化物應力開裂和抗應力腐蝕開裂的金屬材料要求(SY/T0599)標準,推薦選用GB/T9711.3中L245NS材料,腐蝕余量取3mm。2.2緩蝕劑預膜的確定和緩蝕劑預膜的工作原理緩蝕劑對材料和環(huán)境體系有極強的針對性,合適的品種,合理應用劑量,是保證設計壽命內管線安全可靠的關鍵。(1)緩蝕劑評價篩選從有效性、針對性、安全性出發(fā),12區(qū)伴生氣緩蝕劑選擇油溶水分散、氣相揮發(fā)功能的陰極型有機緩蝕劑,在金屬表面上以吸附膜為主,同時考慮與甲醇、脫硫劑的相容性問題。(a)評選原則:依據《鋼質管道內腐蝕控制規(guī)范》(GB/T23258—2009),結合工藝要求及區(qū)域氣候條件,主要有物化性能指標、乳化指標、發(fā)泡指標、溶解及分散性、相容配伍性、緩蝕劑膜持續(xù)性、熱穩(wěn)定性、毒性,靜態(tài)下均勻腐蝕速率≤0.025mm/a,動態(tài)下均勻腐蝕速率≤0.076mm/a,無點蝕傾向,緩蝕率≥90%。(b)試驗方法及評價標準:首先電化學快速篩選法,通過極化曲線測定,確定緩蝕劑作用類型;其次靜態(tài)評價初選,考察60mg·L-1,80mg·L-1,100mg·L-1三種濃度下緩蝕劑性能指標,評價周期7d;最后動態(tài)評價復選,模擬現場工況溫度、流速和H2S分壓、CO2分壓、Cl-濃度環(huán)境條件,考察流動狀態(tài)條件下緩蝕能力,評價緩蝕劑的全面保護效果,評價周期3d,以此篩選出12區(qū)伴生氣腐蝕環(huán)境中最優(yōu)的緩蝕劑和最經濟的加注濃度。(c)相溶性試驗:工藝設計上未選擇甲醇作水合物制劑,伴生氣進輕烴站氣液兩相分離后,大量緩蝕劑隨液相進入閉排單元,故無需開展緩蝕劑與甲醇、脫硫劑相溶性試驗。(2)緩蝕劑產品確定通過對收集的緩蝕劑樣品評價篩選,確定緩蝕劑選擇加拿大Westhaven公司產品,預膜和批處理采用CI-530油溶性緩蝕劑,連續(xù)加注采用WCI-731水溶性緩蝕劑。(3)緩蝕劑預涂膜設計根據國內外和普光氣田緩蝕劑防腐蝕經驗,緩蝕劑預涂膜對科學高效地保護管線非常關鍵。12區(qū)伴生氣主干線管線在投產之前,采用清管列車方式進行了緩蝕劑預涂膜作業(yè)處理。即通過一定量的緩蝕劑在管道內運行,使管道內壁附著一定厚度的緩蝕劑膜層有效控制管道內壁在局部發(fā)生微小點蝕的可能性。避免管線出現腐蝕凹坑后,緩蝕劑不能形成完整的膜,在沒形成緩蝕劑膜的管壁部位電位較低,形成緩蝕劑膜的管壁部位電位較高,造成小陽極大陰極腐蝕電池,加劇坑蝕部位的局部腐蝕。(a)主干線預涂膜:涂覆清管器前進速度為2～3m·s-1,緩蝕劑與管壁接觸時間10s,緩蝕膜厚不小于0.1mm,緩蝕劑預膜工作原理如圖1所示。首先,清管作業(yè):清管是緩蝕劑預膜成敗最關鍵的一步。若清洗不徹底管壁上會存在細膩粉塵雜質,消耗緩蝕劑有效組分,在管壁雜質覆蓋處形成松散保護膜,影響緩蝕劑保護膜持久性。施工期間的清管作業(yè)使管線達到了正常通氣投產條件,但并不滿足緩蝕劑預膜管壁清潔度要求。為使管壁獲得理想清潔度和干燥度,確保緩蝕劑預涂膜能在管壁形成完整的保護膜,先用直板鋼刷清管器和測徑皮碗清管器對管線內部進行清掃作業(yè),確認彎頭處清管器通過能力和管內雜質量,再用海綿清管器排水作業(yè)確認管壁清潔干燥程度,確認管內壁達到緩蝕劑預膜要求。清管作業(yè)程序為直板清管器(不帶鋼刷)+直板清管器(帶鋼刷)+皮腕清管器(90%測徑板)+海綿清管器,清管器國內采購、機械清管器過盈量3%～4%。海綿清管器過盈量8%～9%,從清管-置換—干燥-充壓-預膜—投產系統(tǒng)考慮,清管氣源采用氮氣。依據《高酸性氣田集輸管道緩蝕劑預涂膜技術規(guī)程》(Q/SH10250741—2010),清管所需氣量的計算見式(1)。式中:Q1為清管所需氮氣量,m3;p1為清管器運行壓力,kPa;p0為清管器背壓,kPa;n為清管次數;pa為當地大氣壓,kPa;Tn為標準狀態(tài)下的絕對溫度,Tn=293.15K;Tg為管道內氮氣的絕對溫度,單位為開氏溫度;Tg=273.15+T;D為管道直徑,m;L為管道長度,m;ZR為工作狀態(tài)下的壓縮系數;Zn為標準狀態(tài)下的壓縮系數;pn為標準大氣壓,pn=101.325kPa。預膜前清管運行壓力、背壓、壓差、氮氣量、時間、運行速度計算結果見表1。其次,緩蝕劑用量:依據緩蝕劑物化性能指標、主管線長度、施工作業(yè)條件等因素,主干線直接采用CI-530油溶性緩蝕劑為預膜緩蝕劑。依據《高酸性氣田集輸管道緩蝕劑預涂膜技術規(guī)程》(Q/SH10250741—2010),緩蝕劑使用量的計算見式(2)。式中:K為附加量系數,一般為1.15;Q為緩蝕劑使用量,L;D1為管道內徑,mm;H為緩釋劑成膜厚度,mm,一般為0.076～0.125mm;L為管道總長度,mm;Q1為管線上支管段三通、排污口等容積,L。按照現場緩蝕劑儲存密封艙長度90m、管徑DN250,長度23.91km,成膜厚度0.1mm、同時考慮接入支線三通容積用量、泵注過程中20%損耗量,計算緩蝕劑總需求量5670L。各節(jié)點緩蝕劑容積量和折合管長度計算結果見表2。最后,預涂膜作業(yè):采取90m密封艙滿艙作業(yè)方式。檢測主干線氮氣置換含氧量簇2%,水露點<-30℃,充壓建立0.2MPa背壓。選擇Westhaven公司預膜涂覆清管器,為解決管線距離長和表面粗糙度大對清管器磨損,易出現竄氣導致作業(yè)失敗的風險,前導向清管器過盈量3%～4%,長度68m,后覆膜清管器過盈量2%～2.5%,長度65cm。加注CI-530緩蝕劑4800L,控制起點壓力0.4～0.5MPa、終點壓力0.15MPa、壓差為0.2～0.3MPa、預膜氮氣流量1200m3·h-1,清管器前進速度3～2.5m·s-1,緩蝕劑與管壁成膜接觸時間20～25s,緩釋劑成膜厚度≥0.1mm。作業(yè)完成后前清管器磨損量2.1%,后清管器磨損量1.2%,回收緩蝕劑殘液2100L左右,滿足預膜方案目標值。(b)正常加注:生產工況下緩蝕劑加注一般為間歇加注、連續(xù)加注或這兩種方法聯合使用,加注量經驗數據,國內通常按0.1～1.4L/104m3選取,國外通常按0.35～0.65L/104m3選取,具體取值根據實際腐蝕嚴重程度來確定,考慮12區(qū)伴生氣腐蝕屬中等腐蝕,采用WCI-731緩蝕劑連續(xù)加注方式,加注量1.4L/104m3,折算加注濃度140mg·L-1。(c)批處理:批處理是緩蝕劑防護工藝關鍵的一步,其目的是有效控制酸氣管道的腐蝕,通過清管排積液和緩蝕劑在管線上形成粘性極強的薄膜,從而有效防止采出液中H2S,CO2,Cl-造成的腐蝕,最大程度地保護管道的安全運行。批處理作業(yè)頻率次數,需根據12區(qū)伴生氣管線腐蝕監(jiān)測數據,結合伴生氣介質物性分析和生產運行工況確定。推薦批處理選用CI-530油溶性緩蝕劑一季度一次,作業(yè)方式與緩蝕劑預膜方式基本相同,不同之處是批處理直接采用伴生氣(酸性天然氣)作為動力源,推動預膜涂覆清管器夾緩蝕劑段塞的方法進行。3腐蝕檢測技術腐蝕監(jiān)測方法從原理上分為物理測試(失重掛片法、電阻法、氫監(jiān)測)、電化學測試(線性極化電阻法)、化學分析(分析Fe2+,CI-,H2S,CO2,pH,細菌等),為系統(tǒng)評價腐蝕因素、預測、腐蝕風險、監(jiān)測緩蝕劑效果、優(yōu)化緩蝕劑應用提供數據基礎,12區(qū)伴生氣管線采取以掛片監(jiān)測為主、電阻探針監(jiān)測為輔的原則,建立掛片失重法+電阻探針聯合監(jiān)測的內腐蝕檢測網絡,通過監(jiān)測管道內腐蝕狀況,對所投加的緩蝕劑進行對比分析,考察緩蝕劑的緩蝕效果,及時指導緩蝕劑現場應用優(yōu)化調整,通過腐蝕掛片數據與電阻探針數據進行比較,配套定期對輸送介質取樣化學分析,進一步了解管線腐蝕形態(tài)和腐蝕