雅克拉氣田集氣管線內(nèi)腐蝕分析及材質(zhì)選用

羊東明 李亞光

1.中國石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院 2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院

雅克拉氣田集氣管線內(nèi)腐蝕分析及材質(zhì)選用

羊東明1李亞光2

1.中國石化西北油田分公司工程技術(shù)研究院 2.中國石油大學(xué)（北京）石油工程學(xué)院

塔里木盆地雅克拉氣田井流物具有高含CO2、高含Cl－、低含H2S、低p H值的特點(diǎn)，投產(chǎn)1年多后，集輸管線距井口150 m處相繼出現(xiàn)爆管、穿孔、管壁減薄等腐蝕現(xiàn)象。隨著氣田開發(fā)時(shí)間的延長，氣井含水量上升，腐蝕環(huán)境進(jìn)一步惡化，腐蝕也逐漸從井口方向延伸至進(jìn)站端。為此，分析了氣田集氣管線腐蝕環(huán)境、腐蝕規(guī)律特征、腐蝕影響因素（溫度、CO2分壓、p H值、Cl－含量、多相流流態(tài)及流速、水蒸氣冷凝率），確定了集氣管線腐蝕主要是CO2腐蝕，同時(shí)沖擊流流態(tài)下高速氣流的沖刷和Cl－的存在加劇了腐蝕進(jìn)程。同時(shí)，對集氣管線的管材進(jìn)行了篩選，不同材質(zhì)耐腐蝕性能分析表明：集氣管材抗腐蝕性能由強(qiáng)到弱排序?yàn)?2Cr、316L、玻璃鋼、13Cr、1Cr13、06Cr13、3Cr、16Mn、L360；彎頭抗腐蝕性能由強(qiáng)到弱排序?yàn)?Cr13、16 Mn滲氮、15Cr Mo、16Mn。最后從技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的角度分析認(rèn)為：集氣管材宜選用316L＋20號(hào)鋼的雙金屬管材和富含環(huán)氧樹脂內(nèi)襯高壓玻璃管材，彎頭宜選用1Cr13和16 Mn滲氮高壓直角彎頭。

塔里木盆地 雅克拉氣田 CO2含量 Cl－含量 H2S含量 高速氣流沖刷 腐蝕分析 材質(zhì)選用

雅克拉氣田位于塔里木盆地北部，直井的集氣管線為 114 mm×8 mm，水平井的集氣管線為 168 mm×11 mm，材質(zhì)為16 Mn、20號(hào)鋼。2005年11月集氣管線投運(yùn)，在高含CO2、高含Cl－、高流速的腐蝕環(huán)境下，2007年3月，集輸管線距井口150 m處出現(xiàn)爆管、穿孔、管道壁減薄等腐蝕現(xiàn)象［1－6］。隨著管線服役年限增長，氣井含水量上升，腐蝕環(huán)境進(jìn)一步惡化，腐蝕從井口逐漸向進(jìn)站方向延伸，腐蝕部位集中在井口節(jié)流閥后管線底部和彎頭、進(jìn)站閥組前管線底部和彎頭等處，腐蝕表象為孔洞狀、蜂窩狀、臺(tái)地狀、潰瘍狀、溝槽狀。超聲波測厚結(jié)果顯示井口直管段平均腐蝕速率為2.81 mm／a，井口彎頭段平均腐蝕速率為4.24 mm／a，進(jìn)站管線直管段平均腐蝕速率為0.55 mm／a，進(jìn)站管線彎頭段平均腐蝕速率為0.79 mm／a。腐蝕成為制約氣田安全開發(fā)的瓶頸問題。

1 集氣管線內(nèi)腐蝕分析

1.1 腐蝕環(huán)境分析

集氣管線內(nèi)的流動(dòng)介質(zhì)為天然氣、凝析油、地層水（凝析水）多相流，集輸壓力為8.5～7.2 MPa，集輸溫度為60～45℃，流動(dòng)介質(zhì)中的CO2含量為2.31%～6.27%，H2S含量為0.000 3%～0.028 9%，含水率為0.75%～89.03%，Cl－含量為2 290.54～157 000.00 mg／L，p H值為5.0～6.6，其腐蝕環(huán)境具有CO2含量高、H2S含量低、Cl－含量高、p H值低的“兩高兩低”特點(diǎn)。計(jì)算得到CO2分壓位0.139～0.508 MPa，H2S分壓為0.000 026～0.001 430 MPa。

在CO2和H2S共存環(huán)境下，通常用兩者的分壓比值（pCO2／pH2S）來判定腐蝕模式：當(dāng)pCO2／pH2S小于20時(shí)為H2S腐蝕區(qū)；當(dāng)pCO2／pH2S介于20～500時(shí)為H2S和CO2混合腐蝕區(qū)；當(dāng)pCO2／pH2S大于500時(shí)為CO2腐蝕區(qū)。通過計(jì)算可知，集氣管線腐蝕類型為CO2腐蝕，只有YK16井pCO2／pH2S為356.1，屬于H2S和CO2混合腐蝕，但仍以CO2腐蝕為主，可見集氣管線的腐蝕環(huán)境為CO2—Cl－“甜氣”腐蝕環(huán)境。

1.2 腐蝕規(guī)律特征分析

集氣管線腐蝕呈一定的規(guī)律性［7－10］，腐蝕部位分布在3個(gè)不同的集輸區(qū)域內(nèi)，其中距井口150 m集輸管線處的內(nèi)腐蝕最嚴(yán)重，距進(jìn)站200 m集輸管線處的內(nèi)腐蝕相對較輕，中間部位管線無明顯腐蝕現(xiàn)象。腐蝕集中在管線焊縫、管底、彎頭3個(gè)部位，其中焊縫腐蝕占總腐蝕的43.5%，表現(xiàn)為焊縫熱影響區(qū)底部環(huán)向、軸向裂縫穿孔和臺(tái)地狀腐蝕形貌；管底本體腐蝕占總腐蝕的26.1%，表現(xiàn)為管線底部孔洞狀、潰瘍狀、溝槽狀的腐蝕形貌，彎頭腐蝕占總腐蝕的21.7%，表現(xiàn)為彎頭底部整體均勻減薄，彎頭“肘”部出現(xiàn)溝槽狀和蜂窩狀腐蝕形貌，部分高產(chǎn)井井口地面管線頂部出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕。

2 CO2腐蝕影響因素分析

CO2腐蝕影響因素分為內(nèi)部因素和外部因素［11］。內(nèi)部因素取決于材料成分、材料組織，外部因素取決于溫度、CO2分壓、p H值、Cl－含量、多相流流態(tài)及流速、水蒸氣冷凝率。

2.1 溫度

氣田集氣工況模擬研究結(jié)果表明：在80～110℃時(shí)管線腐蝕最嚴(yán)重，在93℃時(shí)管線出現(xiàn)腐蝕高峰值，在45～60℃時(shí)，管線腐蝕產(chǎn)物FeCO3疏松且無附著力，很難在管壁上連續(xù)成膜。由于腐蝕產(chǎn)物不具備保護(hù)作用，腐蝕形式表現(xiàn)為均勻腐蝕［12］。

2.2 CO2分壓

根據(jù)API《井口裝置和采油樹設(shè)備規(guī)范》有關(guān)CO2腐蝕的判斷可知：CO2分壓大于0.21 MPa時(shí)為嚴(yán)重腐蝕；CO2分壓介于0.05～0.21 MPa為中等腐蝕；CO2分壓小于0.05 MPa時(shí)無腐蝕。雅克拉氣田集氣管線CO2分壓為0.139～0.508 MPa，屬中度—嚴(yán)重程度腐蝕。

采用Waard公式對集氣管線CO2腐蝕進(jìn)行預(yù)測計(jì)算，其CO2腐蝕速率超過NACE標(biāo)準(zhǔn)極嚴(yán)重腐蝕速率的規(guī)定［NACE標(biāo)準(zhǔn)《油田生產(chǎn)中腐蝕掛片的準(zhǔn)備和安裝以及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析》（RP－0775－05）規(guī)定均勻腐蝕速率大于0.254 mm／a為極嚴(yán)重腐蝕］（表1）。

2.3 Cl－含量

目前氣田生產(chǎn)井都含有游離水，且其中Cl－含量為2 290.54～157 000.00 mg／L，Cl－是活性陰離子，半徑小、極性強(qiáng)、遷移率高，易穿透腐蝕產(chǎn)物形成腐蝕小孔，碳鋼腐蝕速度隨著Cl－含量增加而急劇增加，從而進(jìn)一步加速點(diǎn)（孔）蝕的形成［13］。

表1 雅克拉氣田集氣管線CO2腐蝕速率預(yù)測計(jì)算結(jié)果表

2.4 p H值

電化學(xué)測試表明：當(dāng)p H值介于4.0～6.0時(shí)，CO2飽和溶液中裸鋼腐蝕速度高于相同p H值N2飽和溶液中裸鋼的腐蝕速度；p H值介于5.0～6.6時(shí)，不僅CO2腐蝕受到影響，F(xiàn)eCO3溶解度也會(huì)受到影響，接近鋼表面的Fe2＋在局部沉積為FeCO3膜，促進(jìn)沉積物下的局部腐蝕。

2.5 流體流態(tài)

集氣管線內(nèi)為氣、油、水多相流，流型隨著管徑、流體特性和管道傾斜度的改變而發(fā)生變化，根據(jù)氣田氣相和液相（油、水）的流速計(jì)算結(jié)果（表2），結(jié)合曼德漢（Mandan）流型圖，得出集氣管線內(nèi)介質(zhì)流態(tài)主要為沖擊流及分層流。

表2 雅克拉氣田集氣管線氣液兩相流速計(jì)算結(jié)果表

分層流水平管段，液相處于管線底部，氣相處于管線頂部，氣液間具有較光滑的界面，管路無明顯壓力波動(dòng)，流體沖擊腐蝕較弱，腐蝕主要為水與腐蝕性介質(zhì)的電化學(xué)腐蝕，腐蝕程度受含水量和Cl－影響較大；分層流地勢傾斜上升管段，液體在凹形彎處的上段一側(cè)不斷滯留引起管線栓塞，阻滯氣流通過，產(chǎn)生段塞作用，腐蝕程度受段塞頻率影響較大。YK8、YK9、YK10、YK11井集氣管線在管線底部呈現(xiàn)孔洞狀、潰瘍狀形貌，且其沿介質(zhì)輸送方向呈線形分布，驗(yàn)證了管線底部電化學(xué)腐蝕和極強(qiáng)段塞作用導(dǎo)致腐蝕速率增加。

沖擊流會(huì)在管線產(chǎn)生較高的內(nèi)在紊流，高速紊流造成管壁出現(xiàn)很高的剪切應(yīng)力，在流動(dòng)和剪切的共同作用下，沖蝕效應(yīng)產(chǎn)生流動(dòng)腐蝕，使管壁表面膜和FeCO3腐蝕產(chǎn)物被損壞剝落，新金屬基體裸露與腐蝕介質(zhì)接觸，加速了電化學(xué)和物理腐蝕過程（圖1），YK1、YK2、YK6H、YK5H、YK7CH井口直管段和彎頭處管底部呈現(xiàn)蜂窩狀、溝槽狀形貌，驗(yàn)證了極強(qiáng)的沖擊力和剪切力引起的流體流動(dòng)腐蝕導(dǎo)致腐蝕速率增加。

圖1 沖擊腐蝕示意圖

2.6 水蒸氣冷凝率

地面井場部位集氣管線頂部發(fā)生的腐蝕為水蒸氣冷凝率較大所致，水蒸氣冷凝率較大一方面是由于采氣樹針閥或油嘴的節(jié)流膨脹效應(yīng)所致，另一方面是由于井口管線沿地表敷設(shè)，雖有黃夾克保溫層，但沙漠地帶季節(jié)環(huán)境和晝夜溫度差較大，冬季和夜晚溫度低，水蒸氣易冷凝成水膜，浸潤管壁表面產(chǎn)生強(qiáng)烈腐蝕，同時(shí)溶解了CO2的酸性水膜附著在管壁上形成FeCO3腐蝕產(chǎn)物膜，因流體的強(qiáng)烈沖刷導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物膜破裂，加劇腐蝕（圖2）。由于井口段管線內(nèi)大量的過飽和水已析出，進(jìn)站段管線雖然也有少量管道暴露在地面上，但已很難再形成冷凝水，因此，進(jìn)站段管線腐蝕較輕。

圖2 水蒸氣冷凝腐蝕示意圖

2.7 焊接

管道焊接后，焊渣、焊瘤的存在將從兩個(gè)方面加劇焊口及其附近熱影響區(qū)管道的腐蝕：①焊渣、焊瘤為活性點(diǎn)，其電極電位發(fā)生變化，較本體的電極電位低，更易發(fā)生腐蝕；②焊渣、焊瘤的存在使管道內(nèi)存在凸出部分，造成焊口附近形成紊流，產(chǎn)生強(qiáng)烈的液擊現(xiàn)象，從而形成空泡腐蝕和沖擊腐蝕，加速焊口和焊口附近區(qū)域的腐蝕。YK2、YK9、YK10井發(fā)生在焊口和焊口附近區(qū)域的腐蝕穿孔，驗(yàn)證了管材縫隙腐蝕及沖擊腐蝕的存在。

2.8 材料

在CO2—Cl－組成的腐蝕環(huán)境中，腐蝕產(chǎn)物膜一旦形成，腐蝕行為將與之密切相關(guān)，腐蝕速度將受膜的結(jié)構(gòu)、厚度、穩(wěn)定性及滲透性能影響，最終導(dǎo)致管材表面發(fā)生均勻腐蝕或局部腐蝕，表現(xiàn)為管材壁厚逐漸變薄和點(diǎn)蝕穿孔。在濕相CO2環(huán)境下碳鋼的腐蝕可導(dǎo)致產(chǎn)生縫隙腐蝕、均勻腐蝕和點(diǎn)蝕。研究成果表明，普通碳鋼管材不適用于CO2—Cl－組成的“甜氣”環(huán)境，這一點(diǎn)與集氣管線16 Mn管材和20號(hào)鋼耐蝕性差十分吻合。

3 集氣管道的管材選用

國內(nèi)外油氣田對CO2、Cl－腐蝕環(huán)境耐蝕性管材選擇主要以耐蝕合金（CRA）為主，但由于介質(zhì)環(huán)境差異較大，耐蝕合金品種眾多，性能各異，價(jià)格差異也大，玻璃鋼管材憑借對腐蝕介質(zhì)良好的耐腐蝕性能已得到普遍應(yīng)用［14］，因此，如何根據(jù)介質(zhì)環(huán)境、材料性能選擇既安全可靠又經(jīng)濟(jì)實(shí)用的材料尤為重要。由于集氣管線工作壓力較高，其選材在考慮承壓的同時(shí)，還要考慮CO2、Cl－的腐蝕因素及沖擊腐蝕因素。

3.1 管線材質(zhì)篩選

管線材質(zhì)篩選結(jié)果顯示：①根據(jù)各類耐腐蝕合金對材料的腐蝕情況，鎳基合金和22Cr耐蝕性能最好，但非常不經(jīng)濟(jì)。②單從CO2、Cl－、環(huán)境溫度3方面分析選材，13Cr（馬氏體）完全可以滿足其耐蝕性能要求，但13Cr材料在有NaCl、CaCl2、MgCl2介質(zhì)存在時(shí)，Cl－引起的局部點(diǎn)蝕抵抗力較差，隨著氣田開發(fā)的延續(xù)，天然氣含水不斷上升，Cl－點(diǎn)蝕問題將日趨嚴(yán)重，因此也不適合。③室內(nèi)試驗(yàn)分析評(píng)價(jià)材質(zhì)抗腐性能強(qiáng)弱排序?yàn)椋?2Cr、316L、高壓玻璃鋼、13Cr、06Cr13、1Cr13、3Cr、L360、16Mn；現(xiàn)場試驗(yàn)材質(zhì)抗蝕性能強(qiáng)弱排序?yàn)椋?16L、高壓玻璃鋼、13Cr、06Cr13、16Mn。④316L材料中有鉬元素存在，玻璃鋼為環(huán)氧樹脂材料，兩者對非氧化性介質(zhì)的抗蝕能力較強(qiáng)，從性價(jià)比方面分析最為合適的抗腐蝕材料應(yīng)該是玻璃鋼，其次是316 L。

3.2 彎頭結(jié)構(gòu)及材質(zhì)篩選

圓管彎頭是集氣管線中常用管件，在內(nèi)壓作用下，其強(qiáng)度比同條件下直管段的強(qiáng)度低，內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的最大環(huán)向應(yīng)力在彎頭的內(nèi)弧面上，而外弧面和兩側(cè)的環(huán)向應(yīng)力都比直管段的環(huán)向應(yīng)力小。沖蝕作用使圓管彎頭管壁內(nèi)部遭受機(jī)械力破壞而局部變薄，在一定壓力下易導(dǎo)致泄露或爆裂。因此，選用合適的彎頭，采取相應(yīng)防沖蝕措施，提高材料表面抗沖蝕磨損能力，可避免傳統(tǒng)彎頭因高流速?zèng)_刷而導(dǎo)致的沖刷腐蝕。通過分析可知，圓管彎頭沖刷磨損量與輸送流體速度的立方成正比，與輸送氣流撞擊角度的大小相關(guān)，因此，借鑒“90°彎管效應(yīng)”，從彎頭結(jié)構(gòu)形式和材質(zhì)兩方面解決彎頭拐彎處的流態(tài)問題。

1）選用一種不改變流體走向、具備一定壁厚、材質(zhì)具有耐CO2腐蝕、耐高壓沖刷破壞的直角彎頭，解決彎頭拐彎處“肘”部流態(tài)產(chǎn)生沖刷磨損導(dǎo)致材料表面的破壞問題。

2）高壓直角彎頭口徑與管線管徑一致，壁厚是圓管煨制彎頭的2.5倍，其內(nèi)壁制成階梯式形狀，改變輸送氣流撞擊角度的大小，避開撞擊角90°時(shí)氣流垂直撞擊管壁沖刷磨損最嚴(yán)重區(qū)域，延長彎頭壽命。

3）高壓直角彎頭外側(cè)頸部加長形成短圓管，通過焊接配對凹凸面對焊鋼質(zhì)管法蘭，與原集氣管線法蘭連接，避免安裝動(dòng)火施工。

4）室內(nèi)試驗(yàn)分析表明，材質(zhì)抗腐性能強(qiáng)弱排序?yàn)椋?Cr13、16Mn滲氮、15Cr Mo，現(xiàn)場試驗(yàn)材質(zhì)抗蝕性能強(qiáng)弱排序?yàn)椋?Cr13、16Mn滲氮、15Cr Mo。

3.3 材質(zhì)現(xiàn)場試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證材質(zhì)選擇的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性，2008年3月通過鍛造工藝加工了1Cr13、16Mn滲氮、15Cr Mo高壓直角彎頭開展防腐試驗(yàn)，由現(xiàn)場試驗(yàn)腐蝕數(shù)據(jù)可以看出，高壓直角彎頭較90°圓管彎頭的腐蝕速率明顯降低，其中1Cr13高壓直角彎頭的腐蝕速率降為5.744 5 mm／a，16Mn滲氮高壓直角彎頭的腐蝕速率降為5.079 6 mm／a，15Cr Mo高壓直角彎頭的腐蝕速率降為4.937 5 mm／a，滿足現(xiàn)場生產(chǎn)要求。

2008年5月選用西安向陽航天材料股份有限公司的基材為20號(hào)鋼、襯材為316L的雙金屬復(fù)合管開展防腐試驗(yàn)。2008年8月選用了Ameromn公司0.25 mm厚富含環(huán)氧樹脂內(nèi)襯的高壓玻璃鋼管開展防腐試驗(yàn)?，F(xiàn)場試驗(yàn)腐蝕數(shù)據(jù)表明，玻璃鋼管和316L均有較強(qiáng)的抗腐蝕性能，投運(yùn)至今未出現(xiàn)腐蝕穿孔問題，滿足現(xiàn)場生產(chǎn)要求。

4 結(jié)論

1）雅克拉凝析氣田集氣管線主要是CO2腐蝕，沖擊流流態(tài)加劇了腐蝕進(jìn)程。集氣管材抗腐蝕性能強(qiáng)弱排序?yàn)?2Cr、316L、玻璃鋼等，彎頭材質(zhì)抗腐蝕性能強(qiáng)弱排序?yàn)?Cr13、16Mn滲氮、15Cr Mo等。

2）316 L＋20號(hào)鋼雙金屬管材和富含環(huán)氧樹脂內(nèi)襯高壓玻璃管材、Cr13和16Mn滲氮高壓直角彎頭在雅克拉凝析氣田的成功應(yīng)用，不僅解決了集氣管線的腐蝕問題，節(jié)約了大量的投資，也為其他氣田高含CO2區(qū)塊的開發(fā)提供了很好的經(jīng)驗(yàn)借鑒和技術(shù)支持。

3）由于玻璃鋼管材有老化、溶脹、接頭等方面的薄弱點(diǎn)，316 L不銹鋼在Cl－存在的情況下會(huì)發(fā)生點(diǎn)蝕，需要在應(yīng)用中予以高度重視。

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Internal corrosion analysis and material selection of gas gathering lines in the Yakela Gas Field，Southwest Tarim Basin

Yang Dongming1，Li Yaguang2
（1.Engineering and Technology Research Institute of Sinopec Northwest Oilfield Company，Urumqi，Xinjiang 830011，China；2.School of Petroleum Engineering，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

NATUR.GAS IND.VOLUME 32，ISSUE 10，pp.74－77，10／25／2012.（ISSN 1000－0976；In Chinese）

The well fluids in the Yakela Gas Field，Tarim Basin，are of high CO2and Cl－content，low H2S content，and low p H value.So only one year after the gathering lines in this field were put into operation，many kinds of corrosion problems occurred at the lines of 150 meters away from the well head，such as tube rupture，perforation and wall thinning，etc.The water content of the gas well became increasing and the corrosive environment was deteriorating as time went by.Meanwhile，corrosion gradually extended from the wellhead to the entrance to gas gathering stations.This paper hereby analyzes the corrosive environment of gas gathering lines，characteristics of corrosion，and corrosion factors including temperature，partial pressure of CO2，p H value，Cl－content，flow pattern and multiphase flow rate，and the condensation ratio of water vapor.It is found out that the main corrosion in the gas gathering lines is CO2corrosion and the presence of high－speed air scour and Cl－flow aggravates the corrosion process.A study is also performed of the pipeline materials，the anti－corrosion performances of the materials for gas gathering lines have been determined from the best to the worst：22Cr，316L，GFRP（glass fiber reinforced plastics），13Cr，1Cr13，06Cr13，3Cr，16Mn and L360；while that for elbow are 1Cr13，16 Mn nitriding，15Cr Mo and 16 Mn.Finally，from the perspective of technical feasibility and economic rationality，bimetallic steel pipes of 316L and 20＃steel and high－pressure liner glass pipes rich in epoxy resin should be selected for the gas gathering lines，high pressure and right－angled elbows with 1Cr13 and 16Mn nitriding should be better selected.

Tarim Basin，Yakela Gas Field，CO2，Cl－，H2S，high－speed air scour，corrosion analysis，material selection

羊東明等.雅克拉氣田集氣管線內(nèi)腐蝕分析及材質(zhì)選用.天然氣工業(yè)，2012，32（10）：74－77.

10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.018

羊東明，女，1962年生，高級(jí)工程師，碩士；主要從事油氣田腐蝕與防腐工藝方面的研究工作。地址：（830011）新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市長春南路466號(hào)B－403室。電話：（0991）3161096，18999621255。E－mail：xbjydm＠163.com

（修改回稿日期 2012－08－12 編輯 何 明）

DOI：10.3787／j.issn.1000－0976.2012.10.018

Yang Dongming，senior engineer，born in 1962，holds an M.Sc.Degree and is mainly engaged in research works into oil and gas field corrosion and anti－corrosion process.

Add：Room B－403，No.466，South Changchun Rd.，Urumqi，Xinjiang 830011，P.R.China

E－mail：xbjydm＠163.com