天然氣集輸干線腐蝕失效原因與控制措施

唐超(中國石油天然氣銷售西南分公司云南代表處,云南 昆明 650000)

天然氣集輸干線腐蝕失效原因與控制措施

唐超(中國石油天然氣銷售西南分公司云南代表處,云南 昆明 650000)

天然氣集輸干線的完整性對氣田安全生產(chǎn)有重要作用。本文以西部某氣田集輸干線腐蝕沖孔事件為例，從腐蝕機理、生產(chǎn)工藝、控制措施等方面進行分析集輸干線失效的原因，并提出相應(yīng)的控制措施。

集輸干線；失效原因；安全性；天然氣

天然氣田集輸干線的完整性對氣田安全生產(chǎn)意義重大，然而由于腐蝕現(xiàn)象時有發(fā)生，嚴重阻礙了氣田的正常運行。西部某氣田投產(chǎn)以來就不斷發(fā)生多次管道腐蝕失效事件，導(dǎo)致單井停產(chǎn)、裝置停運等嚴重后果，查明天然氣集輸干線失效的原因，提出針對性的技術(shù)措施對該氣田的平穩(wěn)運行有重要作用。

1 腐蝕原因

氣田生產(chǎn)過程中，H2S、CO2和Cl-在有水存在的環(huán)境下都會導(dǎo)致腐蝕。其中CO2腐蝕是最普通的腐蝕形式。針對該氣田投產(chǎn)以來的情況，認為主要存在以下幾種原因：CO2腐蝕、渦流沖蝕、電偶腐蝕、綜合腐蝕等。

(1)CO2腐蝕 CO2本身不產(chǎn)生腐蝕，但當(dāng)其溶于水時，就具有了腐蝕性，這是電化學(xué)腐蝕的一種，其基本原理和步驟如下：

CO2(氣)+H2O →CO2(溶解)；CO2(溶解)+H2O →H2CO3；

H2CO3+e-→H++HCO3-；2H →H2；Fe→Fe2+2e-；

CO2+H2O+Fe→FeCO3(碳酸鐵)+H2

CO2腐蝕速度取決于CO2氣體的分壓，這個分壓指CO2在液相的溶解度。API SPEC 6A規(guī)定了CO2腐蝕的判別標準：

當(dāng)CO2分壓小于0.05MPa(絕)一般不考慮腐蝕作用；當(dāng)CO2分壓在0.05～0.21MPa(絕)，應(yīng)考慮腐蝕作用；當(dāng)CO2分壓大于0.21MPa(絕)，有明顯腐蝕。

對于該氣田而言，CO2的摩爾組成0.35%，正常的管道運行壓力12MPa，其氣相的CO2分壓為0.042MPa，根據(jù)上述標準，可以不考慮CO2腐蝕作用，但從管道和容器拆檢的情況來看，腐蝕卻表現(xiàn)為典型的CO2腐蝕形貌，即坑蝕和臺面腐蝕。在流動狀態(tài)下，具有在流動方向上的延伸槽，是一種典型的流動誘導(dǎo)局部腐蝕。

鐵在CO2的酸性環(huán)境下，生成碳酸鐵鹽，部分在金屬表現(xiàn)形成一層碳酸鹽垢層，一定程度保護了金屬被進一步腐蝕。但碳酸鐵鹽也可以溶解于酸性溶液中，在一定條件下，溶解在溶液中的碳酸鐵鹽與垢層達到平衡。這種平衡是動態(tài)的，條件改變時，垢層會變薄甚至?xí)适ТM，腐蝕加劇。這種條件不僅與流態(tài)有關(guān)，而且與溫度也密切相關(guān)。前人研究表明：在60～100℃時，破壞尤為嚴重，當(dāng)溫度低于60～70℃時，腐蝕速度將會隨溫度升高而加大；當(dāng)溫度高于80～100℃，腐蝕速度將會隨著溫度升高而降低。該氣田內(nèi)部集輸干線的溫度約在70℃左右，剛好處于CO2腐蝕溫度敏感區(qū)域。

(2)渦流腐蝕 二股流匯合時，會發(fā)生流態(tài)變化，從而導(dǎo)致腐蝕的發(fā)生。通過模擬二股流匯合可知在氣流交匯處，存在低速渦流區(qū)。在該區(qū)域腐蝕性組分和水分會由于流速突然減小而出現(xiàn)水汽的凝結(jié)，形成典型的酸性腐蝕環(huán)境，而且氣流匯合處渦流強度大且存在壁面剪切力。在渦流的循環(huán)往復(fù)剪切作用下，腐蝕產(chǎn)物膜對壁面的粘附力減弱，進而會加劇管道內(nèi)壁的沖刷腐蝕。在有緩蝕劑加注作為防腐措施的場合，也會因渦流的存在，導(dǎo)致緩蝕劑在該處不能有效附著，管道得不到保護。

(3)沖蝕 當(dāng)流體的流速過快時，會對管道產(chǎn)生沖蝕。這主要是因為高速流體對碳酸鹽鐵垢層的侵蝕。速度越高，這種破壞作用越明顯，因此，在管道的設(shè)計均對流速有一定的要求，對于碳鋼管道而言，一般要求的流體流速不得超過9m/s。研究區(qū)集氣站至油氣處理廠管道的管徑為508mm，計算的流速為流速約為6.5m/s，可見流速引起的沖蝕不是其爆管的主因，主因是其流態(tài)是渦流的原因。

(4)電偶腐蝕 不同材質(zhì)的金屬相連時，由于其電位不一樣，在溶液中存在著電位差，從而導(dǎo)致其中一種金屬被腐蝕，這種腐蝕被稱為電偶腐蝕。研究表明當(dāng)316和16Mn二種材料放在溶液中時，16Mn首先被腐蝕，而且其腐蝕速率要遠遠大于其單獨在溶液中的速率，這個原因就是因為316和16Mn存著電位差,16Mn為犧牲陽極，被腐蝕，而316作為陰極，得到保護。該原理是研究氣田支線爆管的主要原因之一。

2 腐蝕控制措施

(1)采用復(fù)合管代替碳鋼管道 采用較高等級材質(zhì)的鋼材是控制腐蝕的本質(zhì)安全措施。該氣田在發(fā)生腐蝕失效后逐漸在內(nèi)部集輸所有的三通更換為L415+316L 復(fù)合管直插三通，同時，為減少支線流速過大引起渦流，單井支線與集氣干線碰頭前也采用了一段較大管徑的管道。為有效消除電偶腐蝕，增加了復(fù)合管短節(jié)，短節(jié)一半為復(fù)合管，一半采用內(nèi)涂層，有利于現(xiàn)場焊接，也消除電偶腐蝕。由于316的抗沖蝕效果好，采用復(fù)合管，即使緩蝕劑不能附著，也可有效防止渦流腐蝕。該措施一定程度消除了電偶腐蝕，但腐蝕狀況依然未能徹底消除。316與碳鋼之間存在著電偶腐蝕，導(dǎo)更換為碳碳+316的復(fù)合管，使用效果良好。(2)選擇合適的緩蝕劑。緩蝕劑對碳鋼管道的保護有重要作用。在管道投產(chǎn)使用之前，對管道進行緩蝕劑預(yù)膜很有必要緩蝕劑類型的選擇和加注量的確定要通過實驗室評定來確定，但實驗室進行緩蝕劑配伍實驗時，一般是在靜態(tài)，而生產(chǎn)的管道卻是流動狀態(tài)，因此還需要結(jié)合其他手段，以保證管道的完整性。(3)壁厚檢測。如果管線采用了較低等級材質(zhì)和管道和設(shè)備，那么進行定期檢測是非常有必要的。通過檢測比如壁厚檢測或超聲波檢測焊縫，可以及時發(fā)現(xiàn)缺陷，掌握管道的腐蝕情況，及時進行相應(yīng)的處理。

3 結(jié)語

氣田集輸干線的腐蝕是其失效的重要原因，研究氣田生產(chǎn)過程中主要存在CO2腐蝕、渦流沖蝕、電偶腐蝕、綜合腐蝕等。其中CO2腐蝕是腐蝕的起因，其他的腐蝕形式大大加劇了腐蝕。可通過采取高等級材質(zhì)的管道、選取合適的緩蝕劑以及壁厚檢測對腐蝕進行控制。

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