高含硫條件下天然氣管道材質(zhì)適應(yīng)性評(píng)價(jià)及選材標(biāo)準(zhǔn)修改建議

劉 暢 李海濤 黎洪珍 冉紅斌

1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院 2.中國(guó)石油西南油氣田公司重慶氣礦

1 川東氣田含硫管道選材情況

川東氣田已投產(chǎn)含硫酸性氣田25個(gè)，高含硫氣藏3個(gè)，建成原料氣管道2 653 km(其中輸送高含硫天然氣的管道224.7 km)?，F(xiàn)在用于含硫管道的材質(zhì)主要有20#、ST45、L245NB、帶附加技術(shù)條件的L245NB、L245NCS。管材選用一直遵循建設(shè)時(shí)期國(guó)家或企業(yè)的規(guī)定和標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

川東氣田高含硫氣藏分布零散，要完全實(shí)現(xiàn)高低含硫分輸氣成本太高。因此后期投產(chǎn)的高含硫氣井就近進(jìn)入低含硫管輸系統(tǒng)，造成部分區(qū)域只能利用20#、ST45、L245NB等材質(zhì)的管道來輸送高含硫天然氣。按照SY/T 0599-2006《天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開裂和抗應(yīng)力腐蝕開裂的金屬材料要求》，需要對(duì)輸送高含硫的在役天然氣管道進(jìn)行更換，改造成本高，企業(yè)負(fù)擔(dān)重[1]；若繼續(xù)使用，可能因?yàn)楣懿膯栴}造成天然氣泄漏導(dǎo)致燃燒爆炸及中毒等事故，將會(huì)給附近居民、企業(yè)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和惡劣的社會(huì)影響。因此，需要對(duì)在役高含硫條件下天然氣管道材質(zhì)適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià)[2-3]，確保管道安全運(yùn)行。

表1 在役高含硫管道母材材質(zhì)統(tǒng)計(jì)表

2 管材評(píng)價(jià)

根據(jù)川東氣田天然氣輸送管道材質(zhì)使用情況，選用在役的20#、ST45、L245NB和20G、L245NB新管材進(jìn)行分析，從取樣管段的肉眼觀察、儀器側(cè)厚到室內(nèi)實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)等進(jìn)行對(duì)標(biāo)分析，評(píng)價(jià)管道材質(zhì)是否符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求[4-5]。

2.1 取樣管段評(píng)價(jià)

對(duì)選擇的5種在役管材肉眼觀察，無嚴(yán)重的腐蝕坑或鼓泡現(xiàn)象，內(nèi)壁光滑平整，且各個(gè)時(shí)鐘方向壁厚較均勻。漏磁檢測(cè)管段整體腐蝕不嚴(yán)重；相控陣檢測(cè)壁厚減薄處均為較小的點(diǎn)蝕缺陷，無較大的體積型缺陷；超聲壁厚測(cè)試發(fā)現(xiàn)池6井外輸?159×8 mm管段壁厚減薄率大于0.17 mm/a，腐蝕較重，其余管線腐蝕均為中級(jí)以下，檢測(cè)結(jié)果見表2。

2.2 理化性能分析

對(duì)比相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)在役的20#、ST45、L245NB和20#、20G、L245NB新管材是否符合相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)要求[6-7]。結(jié)果表明在役管材和新管材的理化性能滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求（表3）。

2.3 抗硫耐蝕性能分析

對(duì)選擇的5種管材進(jìn)行氫致開裂（HIC）、硫化物應(yīng)力開裂（SSC）及高溫高壓反應(yīng)釜腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)分析[8-9]（表4），結(jié)果表明5種管材均通過抗硫評(píng)定，并具有較強(qiáng)的耐蝕性能（圖1、圖2）。

從圖2可以看出，H2S分壓0.138 MPa、CO2分壓0.428 MPa時(shí)，管材的腐蝕速度是其他環(huán)境的2倍以上。

2.4 管道適應(yīng)性評(píng)價(jià)及分析

對(duì)20#（天東21井至南雅站）、ST45（涼風(fēng)站至萬州脫硫廠）、L245NB（池6井至汝溪站）天然氣管道材質(zhì)采用模糊多層次綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行適應(yīng)性評(píng)價(jià)[10-14]，結(jié)果如圖3所示。

評(píng)價(jià)結(jié)果表明，有2條管線材質(zhì)適應(yīng)性超過85

分，表現(xiàn)為良好，池6井—汝溪站（L245NB）得分84.082，接近于85分的良好界限。綜合在役管道各種性能檢測(cè)及評(píng)價(jià)結(jié)果，ST45最優(yōu)，20#和L245NB基本相同（表5）。

表2 測(cè)量結(jié)果表

表3 管道材質(zhì)性能檢測(cè)表

表4 高溫高壓（25℃，7 MPa）反應(yīng)釜腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境表

圖1 在役管材在不同環(huán)境的腐蝕速率試驗(yàn)結(jié)果圖

圖2 新管材在不同環(huán)境的腐蝕速率試驗(yàn)結(jié)果圖

圖3 在役管材適應(yīng)性評(píng)價(jià)結(jié)果圖

表5 3種棺材性能檢測(cè)及評(píng)價(jià)結(jié)果匯總表

3 管道建設(shè)費(fèi)用分析

3.1 材料價(jià)格

不同管材，材料價(jià)格不同，即使同一管材，生產(chǎn)年代不同，其價(jià)格差異較大，以內(nèi)徑150 mm管材為例，高抗硫管材與低抗硫管材在2012年價(jià)格相差 3 454 元 /t，2017 年價(jià)格相差 1 309 元 /t（表 6）。

3.2 施工費(fèi)用

高抗硫管材因需要進(jìn)行抗硫評(píng)定及熱處理，施工費(fèi)用增加，建設(shè)周期延長(zhǎng)[15]。以內(nèi)徑150 mm管材為例，對(duì)管材進(jìn)行抗SSC和HIC評(píng)定費(fèi)用約30 000/組，川東地區(qū)地處山區(qū)，施工難度比較大，若1 km有100個(gè)焊口，施工時(shí)間將延長(zhǎng)700 h。由此可見，采用高抗硫管材，建設(shè)費(fèi)用增加，建設(shè)周期延長(zhǎng)。

表6 管道（內(nèi)徑150 mm，壁厚7.5～9.5 mm）材質(zhì)價(jià)格對(duì)比表

4 含硫酸性天然氣輸送管道選材建議

4.1 選材標(biāo)準(zhǔn)

管道現(xiàn)場(chǎng)選材執(zhí)行SY/T0599-2006標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)表C.3的推薦（表7），對(duì)SSC3區(qū)推薦GB3087和GB6479的20#鋼，而未推薦GB/T 8163的20#。但川東氣田從上世紀(jì)中期開始在酸性及高酸性天然氣環(huán)境中使用GB/T8163 的20#鋼，早期的東溪?dú)馓铮缴鲜兰o(jì)70年代、80年代的臥龍河氣田，及90年代的大池干井、大天池氣田，都是酸性天然氣環(huán)境，即GB/T8163 20號(hào)鋼為川東油氣田的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)，也為川東油氣田高含硫氣井的生產(chǎn)發(fā)揮過獨(dú)特的作用。

4.2 選材試驗(yàn)

由于GB/T 8163被限制使用于所有的酸性天然氣，所以即使是H2S含量低于1%的較低酸性天然氣屬于3區(qū)（圖4）。使用管道材質(zhì)也只能選用B級(jí)鋼管甚至C級(jí)鋼管，如峰H1井、罐H2井等，其氣水分析結(jié)果見表8。

雖然從天然氣中H2S含量上來看，不屬于高含硫范疇，但是根據(jù)SY/T 0599-2006《天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開裂和抗應(yīng)力腐蝕開裂的金屬材料要求》，計(jì)算H2S及CO2分壓，查得原位pH值，再查圖4得出該工況下酸性環(huán)境的嚴(yán)重程度位于SSC3 區(qū)，應(yīng)當(dāng)選用 L245NCS 無縫鋼管。這樣一來，就將導(dǎo)致地面建設(shè)項(xiàng)目周期加長(zhǎng)，成本也大幅上升。為此，嘗試將H2S含量低于15 g/m3的管道材質(zhì)調(diào)整為L(zhǎng)245NB級(jí)無縫鋼管，并開展了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況如下：①峰H1井外輸管道采用L245NB鋼管，2011年3月23日投運(yùn)，輸壓1.6～6.0 MPa，連續(xù)氣液混輸至今未出現(xiàn)任何異常；②罐H2井外輸管道采用L245NB鋼管，2011年9月2日投運(yùn)，輸壓在3.4～7.0 MPa之間平穩(wěn)運(yùn)行，連續(xù)氣液混輸至今未出現(xiàn)任何異常。

表7 用于酸性環(huán)境的管材統(tǒng)計(jì)表

表8 管線氣、水分析統(tǒng)計(jì)表

圖4 碳鋼和低合金鋼發(fā)生SSC 可能性的判斷圖

4.3 選材建議

國(guó)內(nèi)現(xiàn)行的石油天然氣開采中用于含H2S環(huán)境材質(zhì)選擇的標(biāo)準(zhǔn)大多按照SY/T 0599-2006《天然氣地面設(shè)施抗硫化物應(yīng)力開裂和抗應(yīng)力腐蝕開裂的金屬材料要求》執(zhí)行[16]。該標(biāo)準(zhǔn)定義天然氣酸性環(huán)境并對(duì)嚴(yán)重程度進(jìn)行了分級(jí)，對(duì)材料的抗SCC和HIC性能采用開放的方式：即可以通過對(duì)材料的評(píng)定后選用。根據(jù)對(duì)20#、ST45、L245NB等幾種管材室內(nèi)分析，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)服役情況，完全可以將其作為酸性環(huán)境的抗SSC和HIC輸送含硫天然氣管材。根據(jù)在役含硫天然氣管道在川東地區(qū)使用的歷史事實(shí)和在役高含硫天然氣管道隨機(jī)抽取的送檢管材的試驗(yàn)和評(píng)價(jià)結(jié)果，建議SY/T0599標(biāo)準(zhǔn)批準(zhǔn)單位將20#鋼列入該標(biāo)準(zhǔn)的管材選擇范圍。同時(shí)，建議含硫天然氣輸送管道繼續(xù)選用20#鋼和B級(jí)鋼管，以解決中低含硫天然氣輸送管道建設(shè)成本成倍增加的問題。但根據(jù)新管材的腐蝕模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)天然氣中CO2含量超過60 g/m3時(shí)應(yīng)避免使用。

5 結(jié)論及建議

1）川東氣田含硫酸性天然氣輸送管材主要為20#、ST45、L245NB、帶附加技術(shù)條件的L245NB、L245NCS。通過理化性能、抗硫耐蝕評(píng)定等分析，在役管材是適應(yīng)現(xiàn)有生產(chǎn)環(huán)境的。

2）應(yīng)用模糊多層次綜合評(píng)價(jià)法對(duì)涼風(fēng)站—萬州站等含硫天然氣管道進(jìn)行評(píng)價(jià)，表明管道材質(zhì)是適應(yīng)的，采取相應(yīng)的防護(hù)措施，其管道材質(zhì)運(yùn)行是安全的。

3）根據(jù)在役含硫天然氣管道在川東氣田使用的歷史事實(shí)和在役含硫天然氣管道室內(nèi)試驗(yàn)和評(píng)價(jià)結(jié)果，建議將20#鋼列入SY/T0599標(biāo)準(zhǔn)的管材選擇范圍。若天然氣中CO2含量超過60 g/m3應(yīng)避免使用。

4）建議利用建立的評(píng)價(jià)方法對(duì)川東氣田壓力較高的在役高含硫管道開展適應(yīng)性評(píng)價(jià)，掌握和降低管道的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

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