塔河油田長輸熱油管道的防腐工藝設(shè)計

張 漪，何 舒，楊 光

（1.中石化銷售有限公司華中分公司湖北輸油處，湖北 武漢430010；2.中石化西北油田分公司油氣運銷部，新疆 巴州842100）

引 言

金屬腐蝕是金屬與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用或物理溶解作用而導(dǎo)致金屬損壞成為金屬化合物而遭受破壞的一種現(xiàn)象。由于塔河油田采出液礦化度高，氯離子含量大，含有二氧化碳、硫化氫、溶解氧、泥沙和硫酸鹽還原菌等微生物，加之高溫，高壓、流速及流態(tài)變化等相互作用，對輸油管線、設(shè)備造成嚴(yán)重腐蝕，加之土壤、雜散電流、微生物等對埋地管道造成的外腐蝕和輸油管道腐蝕問題遍及油田開采、儲運等各個環(huán)節(jié)。根據(jù)統(tǒng)計，目前塔河油田集輸管道全長7 349.82km，2013年共發(fā)生1 136次腐蝕穿孔，其中井下33次，地面系統(tǒng)1 103處，較2012年增長188%。輸油管道的腐蝕問題已成為制約油田安全生產(chǎn)與降本增效的重要因素之一。

本文從長輸熱油管道的保溫，外防腐以及陰極保護(hù)等所需考慮的因素出發(fā)，通過對熱傳導(dǎo)機(jī)理及金屬管道腐蝕機(jī)理的分析，結(jié)合對管道外部周圍環(huán)境腐蝕性的數(shù)據(jù)比較，并且廣泛了解、分析以及比較目前已有的防腐材料的防腐性能，旨在延長管道使用壽命，減少腐蝕造成的巨大損失。

1 熱油管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

1.1 地形地貌情況

管道途經(jīng)地區(qū)均屬位于天山南麓、塔克拉瑪干沙漠北緣的戈壁荒漠地區(qū)，系新疆塔里木盆地中部地區(qū)。沿線地形平緩開闊，地勢最高處海拔955m，最低處海拔900m，平均高程在34m左右。

地貌以戈壁礫石沙灘為主，約占全線70%，部分為鹽漬化堿灘和荒草灘，中灶火段帶狀分布著一些紅柳沙包。地貌單元劃分如下:平緩戈壁242km，半荒漠輕鹽漬化植物地段60km，輕鹽漬化荒草灘段28km，稀灌木叢夾草地微丘20km。

1.2 沿線地質(zhì)情況

地質(zhì)構(gòu)成主要為第四紀(jì)內(nèi)陸山麓堆積和新生代陸相沉積。主要由棕色荒漠土、戈壁砂性土、龜裂性土和殘余鹽土組成。管道埋深范圍內(nèi)土壤表層多為戈壁砂性土，0.5m以下多為粘砂土（含礫石）、亞砂土、粉細(xì)砂土。鹽分膠結(jié)密實。土層內(nèi)含有硫酸鹽，為輕鹽漬化帶，個別地段系鹽漬化地區(qū)。

1.3 管道沿線地溫情況

通過測量，得到管道埋深處沿線平均地溫（見表1）。

表1 管道埋深處沿線平均地溫表（℃）

1.4 輸油干線管徑及材質(zhì)

干線管徑 Φ355.6×6.4（7.1）mm，材質(zhì) L360（X52）。

根據(jù)管道沿線的不同情況和不同條件，劃分不同的段落，按照普通級和加強級區(qū)別對待。根據(jù)管線不同地段的地貌以及土壤腐蝕性分析，沼澤、鹽堿地及中強腐蝕土壤地段為219.591km，戈壁及弱腐蝕土壤地段為130.409km（見表2）。

表2 管線不同地段的地貌、土壤腐蝕性（部分列表）

2 熱油管線基本工藝設(shè)計

2.1 管道外部覆蓋層

由于塔河油田原油采出液存在高CO2、高H2S、高cl－和低PH值等特點，管道腐蝕方式以H2S／CO2環(huán)境的點蝕為主。加熱輸送管道應(yīng)采用保溫和防腐的復(fù)合結(jié)構(gòu)。底層防腐層選用環(huán)氧底漆，中間層用硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料作隔熱層，其上包覆高（中）密度的聚乙烯作為保護(hù)層。防腐保溫層采用硬質(zhì)聚氨酯泡沫聚乙烯黑夾克覆蓋層。

經(jīng)過對基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的分析與整理，通過分析以上兩張圖表可知，在C站場之前的土壤腐蝕等級達(dá)到強級別的只有16.803km，占管長的10% 不到，所以決定在A到C站間的非強腐蝕段采用普通級防腐層，少部分強腐蝕段采用加強級防腐層，在C到E站間全部采用加強級防腐層。其中普通級防腐段全長160.197km，加強級防腐段全長189.803km。

2.2 管道的陰極保護(hù)

綜合考慮，決定選擇強制電流法作為陰極保護(hù)方法。

3 熱油管線相關(guān)計算說明

3.1 覆蓋層厚度

1）底漆厚度。根據(jù)《SY／T0442－97鋼質(zhì)管道熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)涂層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，再結(jié)合經(jīng)濟(jì)性的原則，選擇普通級防腐段熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)涂層厚度為250μm；選擇加強級防腐段熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)涂層厚度為350μm。

2）保溫層厚度。根據(jù)《SY／T0415－1996埋地鋼質(zhì)管道硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料防腐保溫層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，埋地鋼質(zhì)管道硬質(zhì)聚氨醋泡沫塑料防腐保溫層中的保溫層，其經(jīng)濟(jì)厚度，按下述公式計算:

式中:δ－ 保溫層厚度，m；D1－分別為保溫層內(nèi)徑、外徑，m；h－管道中心距地面深度，1.5m；t1－介質(zhì)溫度，60℃；t2－ 距地面h處的土壤溫度，0℃；λ－保溫材料導(dǎo)熱系數(shù)，0.025W／（m·℃）；λι－土壤導(dǎo)熱系數(shù)，1W／（m·℃）；a－保溫層外表面向土壤的放熱系數(shù)，W／（m2·℃）；B－熱能價格，元／（MW·h）；H－ 年運行時間，350×24h；A－ 防腐保溫層單位造價，元／m3；N－ 保溫工程投資年分?jǐn)偮?0.5%。

對于普通級防腐，D＝356.1mm，D1＝412.916mm；

對于加強級防腐，D＝356.3mm，D1＝413.216mm。

鑒于普通級與加強級的D1差距不大，且為了降低經(jīng)濟(jì)成本，決定采用同一尺寸的聚乙烯外保護(hù)套管，即取D1＝413.216mm，故普通級防腐段δ＝28.558mm，加強級防腐段δ＝28.458mm。

3）保護(hù)層厚度。根據(jù)《CJ／T114－2000高密度聚乙烯外護(hù)管聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料預(yù)制直埋保溫管件》的要求，決定取外護(hù)管壁厚為7.0mm，公稱外徑為427.216mm。

3.2 陰極保護(hù)計算

1）保護(hù)參數(shù)的選擇。自然電位:－0.55V，最小保護(hù)電位:－0.85V，最大保護(hù)電位:－1.25V，覆蓋層電阻:10 000 000Ω·mm2／m，鋼管電阻率:0.135Ω·mm2／m，保護(hù)電流密度應(yīng)根據(jù)覆蓋層電阻:40μA／m2。

2）管道陰極保護(hù)范圍的計算。由SY／T0036－2000《埋地鋼質(zhì)管道強制電流陰極保護(hù)設(shè)計規(guī)范》的公式4.0.4－2計算:

①單位長度管路電阻rT＝1.7367×10－5Ω／m。

②計算管地過渡電阻RT＝8.9513×10－3Ω·m。

③計算衰減因素a＝4.407×10－51／m。

④計算保護(hù)長度L。

有限長管道的計算:

式中:Lmax－管道一側(cè)的保護(hù)長度，m；Emax－最大偏移電位，一般取0.65～0.70V；Emin－最小偏移電位，一般取0.30V。

所以一個陰極保護(hù)站的最大保護(hù)距離為66.58km，站點在長度的中間。

陰極保護(hù)站的數(shù)目由《石油工業(yè)中的腐蝕與防護(hù)》中公式（7－4）計算:N＝5.2（取6）。

結(jié)合實際情況，將6 個站分別命名為 a、b、c、d、e、f，其中，經(jīng)過保護(hù)長度的計算校核，A、C、E熱泵站可分別與a、c、f陰保站合并建站，其余各站均勻分布。

5）計算保護(hù)電流。

式中:I0－匯點一側(cè)的電流，A。

3.3 陽極接地裝置的計算

3.3.1 陽極接地電阻計算

設(shè)計時陽極接地電阻RA取0.5Ω，根據(jù)熱油管線沿線地質(zhì)構(gòu)成對全線的輔助陽極均采用水平淺埋的形式。

A站（起點站）:由于a地區(qū)土壤的腐蝕性強，取土壤電阻率為10Ω.m。

取n＝6，η＝0.85

式中:n－陽極支數(shù)；η－陽極屏蔽系數(shù)；R1一支立式全埋陽極接地電阻，Ω；R2－一支水平全埋陽極接地電阻，Ω；ρ－陽極設(shè)置處的土壤電阻率，Ω·m；L－陽極長度，取1m；d－陽極直徑，取0.075m；t－地表到陽極中部的距離，取1m。

其他站點同理。

3.3.2 輔助陽極壽命的計算

根據(jù)SY／T0036－2000《埋地鋼質(zhì)管道強制電流陰極保護(hù)設(shè)計規(guī)范》中公式4.0.7試算滿足陽極20年工作壽命的陽極總質(zhì)量:

式中:G－陽極總質(zhì)量，kg；T－陽極設(shè)計壽命，20a；g－ 陽極消耗率，kg／（A·a）；I－陽極工作電流，I＝2I0＝2.9250A；K－陽極利用系數(shù)，取0.7～0.85。

根據(jù)《地下金屬管道的腐蝕與防護(hù)》表2－5常用石墨陽極規(guī)格，陰極保護(hù)站選擇兩支陽極質(zhì)量為10kg的能滿足陽極20年的工作壽命。

3.3.3 輔助陽極支數(shù)n的計算

輔助陽極的支數(shù)是由陽極的設(shè)計壽命及消耗率所決定，可先計算陽極的總重量，再從接地電阻和規(guī)格型號選取陽極的支數(shù)。一般陽極的設(shè)計壽命為15－20年。

已知:陽極工作電流I＝2I0＝2.925 0A，單支陽極費用假定250元；整流器效率一般為0.7；電費假定為0.80元／（kW·h）；折舊系數(shù)為10%；利用系數(shù)取1.3；陽極設(shè)計壽命20a；CRF取0.11。

A站:單支陽極接地電阻為:3.325Ω。

式中:I－陽極工作電流，A；R－單支陽極接地電阻，Ω；R－利用系數(shù)；M－整流器效率。

其他站點同理。

3.4 電源功率的計算

根據(jù)被保護(hù)系統(tǒng)所需要的總電流和總電壓來選擇直流電源的類型和規(guī)格。系統(tǒng)的總電流I＝2I0，系統(tǒng)的總電壓為:V＝I（Ra＋RL＋Rc）

式中:Ra－陽極地床接地電阻，0.5Ω；Rc－陰極／土壤界面的過渡電阻（Ω）；RL－導(dǎo)線總電阻，1.72×10－3；Vr－陽極和陰極斷路時的反電動勢（V），焦炭地床為2V。

A站:一側(cè)保護(hù)長度ι＝29.5km，站內(nèi)選擇4支陽極并聯(lián)連接，這樣陽極接地電阻會更小。則陽極總接地電阻Ra:

考慮20% 的電功率余量，a站最終選擇的電源功率為25.57W。其他站點同理。

4 結(jié)論及認(rèn)識

1）根據(jù)石油行業(yè)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，通過分析，對熱油管線的底層、保溫層、保護(hù)層的選材及厚度進(jìn)行了確定。

2）通過計算分析，制定出陰保站的分布方案。

3）以a站為例，通過計算分析，得出輔助陽極的支數(shù)。

4）以a站為例，通過計算分析，確定了強制電流陰極保護(hù)系統(tǒng)的電源功率。

［1］SY／T0415－1996，埋地鋼質(zhì)管道硬質(zhì)聚氨酯泡沫塑料防腐保溫層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］SY／T0442－97，鋼質(zhì)管道熔結(jié)環(huán)氧粉末內(nèi)涂層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［3］CJ／T114－2000，高密度聚乙烯外護(hù)管聚氨酯硬質(zhì)泡沫塑料預(yù)制直埋保溫管件［S］.

［4］盧綺敏.石油工業(yè)中的腐蝕與防護(hù)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2001:294.

［5］俞蓉蓉，蔡志章.地下金屬管道的腐蝕與防護(hù)［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1998:183.