油田注水抗腐蝕管道材質(zhì)的選擇

桑元龍，胡力耀，王文燦，孫 海

中國(guó)石油工程建設(shè)有限公司中東地區(qū)公司，北京 100011

油田注水管道輸送的是處理后的油田產(chǎn)出水，產(chǎn)出水往往具有高壓、高溫、高氯離子含量等特性，因此產(chǎn)出水的腐蝕性往往很強(qiáng)，這就導(dǎo)致了不少油田注水管道出現(xiàn)腐蝕穿孔，從而引起污水泄漏等問題，給油田的正常生產(chǎn)造成困擾，同時(shí)泄漏的污水也會(huì)污染環(huán)境。如何正確地選擇油田注水管道的材質(zhì)，是油田正常生產(chǎn)、安全運(yùn)行以及滿足環(huán)境保護(hù)等要求的保證。本文在實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納了油田注水管道材質(zhì)選擇和腐蝕控制方法。

1 油田注水管道腐蝕原因分析

油田產(chǎn)出水之所以腐蝕性較強(qiáng)，是油田產(chǎn)出水自身的特性決定的，主要特性有以下幾點(diǎn)。

1.1 礦化度

油田產(chǎn)出水的腐蝕性通常也以礦化度來描述，依據(jù)造成腐蝕的程度，一般把污水分為三個(gè)等級(jí)。

（1）輕腐蝕污水：礦化度小于12 000 mg/L。

（2） 中腐蝕污水：礦化度為12000～20000mg/L。

（3）重腐蝕污水：礦化度大于20 000 mg/L。

根據(jù)目前接觸到的項(xiàng)目，油田產(chǎn)出水的礦化度基本都大于20 000 mg/L，屬于重腐蝕污水。礦化度越高，產(chǎn)出水越容易在管道中結(jié)垢，形成垢下腐蝕，而產(chǎn)出水含有的氯離子和細(xì)菌，也加速了垢下腐蝕的速度。

1.2 氯離子含量

油田產(chǎn)出水中往往氯離子含量比較高，一般產(chǎn)出水中氯離子質(zhì)量濃度均超過100 000 mg/L。氯離子的危害會(huì)造成金屬管道點(diǎn)蝕，造成管道局部腐蝕穿孔，見圖1。

1.3 氧含量

氧本身具有較大的電負(fù)性和較高的電極電位，具有較強(qiáng)的氧化勢(shì)和陰極去極化能力。在油田產(chǎn)出水系統(tǒng)中溶解氧與金屬發(fā)生如下電化學(xué)反應(yīng)：

陽(yáng)極：Fe→Fe2++2e

圖1 油田注水管道腐蝕穿孔現(xiàn)場(chǎng)照片

陰極：O2+2 H2O+4e→4OH-

生成的Fe（OH）2極易被氧化成膠體顆粒Fe（OH）3，使水中不溶解固體顆粒含量上升，引起管道的堵塞。同時(shí)，水中H2S或CO2的存在，對(duì)氧腐蝕又有很大的促進(jìn)作用。

1.4 硫化氫含量

產(chǎn)出水中的H2S具有腐蝕性，可生成FeS沉淀，F(xiàn)eS易和原油粘結(jié)在一起堵塞油管；同時(shí)，在粘結(jié)部位由于形成電位差原因還能引起局部腐蝕。H2S還引起污水pH值變化，加速腐蝕，當(dāng)H2S含量高時(shí)還可向鋼鐵內(nèi)部滲透形成氫脆，引起鋼鐵晶格變異性破壞。

溶解于產(chǎn)出水中的H2S來源：一是從油層中帶來的，二是水中硫酸鹽還原菌將有機(jī)物分解（異化作用）所產(chǎn)生的，三是水中硫酸鹽（CaSO4）和原油中烴還原產(chǎn)生的，四是硫酸鹽還原菌對(duì)硫酸鹽的還原。

1.5 細(xì)菌

產(chǎn)出水中可能存在硫酸鹽還原菌（SRB），SRB是油田污水中危害最大的細(xì)菌，在44～55℃、pH值為7.0～8.0條件下最適宜生長(zhǎng)繁殖。SRB細(xì)菌會(huì)引起管道點(diǎn)蝕并最終腐蝕穿孔。

1.6 其他因素

其他因素如懸浮物、含油量、設(shè)計(jì)因素（流速低、配管轉(zhuǎn)彎多、間歇操作）、材質(zhì)因素、焊縫缺陷因素等，這些都是引起腐蝕的重要原因。

2 油田注水管道材質(zhì)的選擇

油田注水管道材質(zhì)選擇可以考慮以下幾種類型。

2.1 碳鋼管道（考慮腐蝕余量+化學(xué)藥劑注入）

油田注水管道采用碳鋼材質(zhì)是一種比較經(jīng)濟(jì)的選擇，但也是風(fēng)險(xiǎn)最大的一種選擇，如果在設(shè)計(jì)階段不給予特殊的考慮，往往容易造成碳鋼注水管道腐蝕穿孔，因此如果選擇碳鋼材質(zhì)的注水管道，需要給予如下考慮。

（1）考慮一定的腐蝕裕量：如管道考慮6 mm腐蝕裕量。

（2）嚴(yán)格控制產(chǎn)出水中溶解氧含量：溶解氧含量最好控制在10～20 μg/L[1]，水處理設(shè)施中需要增設(shè)真空脫氧塔和/或加注除氧劑。

（3）加注化學(xué)藥劑：加注緩蝕劑（建議使用鈍化膜型緩蝕劑，如鉬酸鹽）、加注除氧劑（如加注飽和亞硫酸鈉溶液）、加注殺菌劑、加注pH值調(diào)和藥劑（調(diào)和后pH值為7±0.5）。

（4）其他需要考慮的條件：盡量保證產(chǎn)出水的流速＞1.5 m/s，水處理設(shè)施采用氮?dú)飧綦x防止曝氧。

2.2 碳鋼管道+等徑壓縮HDPE內(nèi)襯

等徑壓縮HDPE管技術(shù)是在主管道內(nèi)插入一條高密度聚乙烯管（HDPE）的方法，這項(xiàng)技術(shù)既適用于新建注水管道，也適用于舊管道改造。由于HDPE管造價(jià)低廉，且耐腐蝕性和耐磨性都非常好，也不容易結(jié)垢，因此使用該項(xiàng)技術(shù)是比較經(jīng)濟(jì)的一種選擇。

該技術(shù)原理是：將外徑比主管道內(nèi)徑稍大一點(diǎn)的HDPE管，經(jīng)過多級(jí)徑向均勻壓縮裝置暫時(shí)減小HDPE管的外徑，此壓縮是采用滾輪滾動(dòng)壓縮的；而后由牽引機(jī)牽引，將縮徑的HDPE管插入主管道中，經(jīng)過不小于24 h后，HDPE管自然恢復(fù)到原來的直徑，也可采用輔助壓力、溫度措施使其恢復(fù)，這樣穿插入的HDPE管就與主管道結(jié)合在一起了，達(dá)到增強(qiáng)和內(nèi)防腐的目的。該項(xiàng)技術(shù)的施工原理如圖2所示。

該項(xiàng)技術(shù)適用于工作壓力≤35 MPa、DN100～DN1200管道的內(nèi)襯操作，且施工距離長(zhǎng)（一次性穿管能達(dá)到1.5 km）。缺點(diǎn)是：每隔1.5 km需要有一處法蘭連接點(diǎn)。法蘭屬于異形結(jié)構(gòu)，法蘭的外防腐不容易施工，推薦使用Denso礦脂帶或者STOPAQ黏彈體加外保護(hù)帶的防腐處理方法對(duì)法蘭進(jìn)行防腐。同時(shí)，管道彎頭最好也采用法蘭連接，否則在拖拽HDPE管時(shí)，鋼絲纜繩有可能磨損彎頭，導(dǎo)致彎頭機(jī)械性破壞。該項(xiàng)技術(shù)需要由專利廠家現(xiàn)場(chǎng)配合完成，國(guó)內(nèi)一些廠家（如柯林瑞爾）能夠提供該項(xiàng)技術(shù)，并且成功地在一些國(guó)內(nèi)和國(guó)外油田注水項(xiàng)目上得到應(yīng)用。

圖2 碳鋼管道內(nèi)襯HDPE管施工原理示意

2.3 采用非金屬管道

非金屬材質(zhì)的管道，如玻璃鋼管（GRE管）、HDPE管等，具有造價(jià)低廉、較低的水力摩阻、耐腐蝕性和耐磨性好等優(yōu)點(diǎn)，近幾年在油田注水項(xiàng)目中得到了大量的應(yīng)用，在減緩鋼制管道腐蝕、節(jié)省地面投資、降低維護(hù)成本等方面發(fā)揮了重要作用。但非金屬管道普遍具有以下缺點(diǎn)：其一，耐壓程度不高。比如：玻璃鋼管的最大耐壓能力只有25 MPa（≤DN100），而且其耐壓能力隨著水溫的升高而降低，在設(shè)計(jì)時(shí)還需要考慮溫度修正系數(shù)。其二，容易老化變脆，無(wú)法滿足全周期使用壽命要求。尤其是地面上安裝，受太陽(yáng)紫外線輻射影響，非金屬材質(zhì)容易老化變脆，導(dǎo)致非金屬管道損壞，因此最好埋地使用。其三，施工難度偏大。比如：玻璃鋼管的連接依靠螺紋連接，現(xiàn)場(chǎng)施工難度增加，施工進(jìn)度受到影響。

2.4 碳鋼管道（考慮內(nèi)涂層+焊口UB滑套技術(shù)）

該項(xiàng)技術(shù)采用的是美國(guó)國(guó)民油井公司NOV的技術(shù)，全稱是Tuboscope Thru-Kote UB Sleeve技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)對(duì)碳鋼管道采取涂覆內(nèi)涂層（改性環(huán)氧酚醛、環(huán)氧酚醛等優(yōu)質(zhì)內(nèi)涂層材料）保護(hù)、管道焊口處采用UB滑套隔離，UB滑套及UB滑套安裝示意如圖3所示。

圖3 UB滑套及其安裝示意

采用該項(xiàng)技術(shù)在管道建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性方面，尤其是在高壓注水管道的建設(shè)方面，有著很大的優(yōu)勢(shì)。而且由于施工簡(jiǎn)單，也便于施工現(xiàn)場(chǎng)快速地完成施工工作，且優(yōu)異的內(nèi)涂層質(zhì)量以及焊接接口UB滑套技術(shù)，保證了注水管道的耐腐蝕性和耐磨性。UB滑套技術(shù)所保護(hù)的注水管道也可以實(shí)現(xiàn)順利通球，但只能使用皮碗式清管球，防止清管球?qū)?nèi)涂層剮蹭造成損傷或者破壞。

該項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)是由河北華油一機(jī)圖博涂層有限公司代理的，但在國(guó)內(nèi)該項(xiàng)技術(shù)尚未得到大面積應(yīng)用，也未見國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該項(xiàng)技術(shù)給予支持。在國(guó)外尤其是在中東地區(qū)如沙特、科威特、巴林等國(guó)家開設(shè)有工廠，在中東地區(qū)該項(xiàng)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。

2.5 雙金屬?gòu)?fù)合管

雙金屬?gòu)?fù)合管（見圖5～6）是在碳鋼管道內(nèi)部覆襯一定厚度的不銹鋼、合金鋼等耐腐蝕合金的復(fù)合管，分機(jī)械復(fù)合管和堆焊復(fù)合管。雙金屬?gòu)?fù)合管的設(shè)計(jì)原則是基材（碳鋼）滿足管道設(shè)計(jì)壓力，復(fù)層（不銹鋼或合金鋼）耐腐蝕或磨損等。雙金屬?gòu)?fù)合管能有效降低成本，同時(shí)由于工作介質(zhì)與合金層直接接觸，雙金屬?gòu)?fù)合管又可以提高安全性和可靠性[2]。但需要注意的是：機(jī)械復(fù)合管現(xiàn)場(chǎng)不能切割，否則在切割部位無(wú)法焊接；而堆焊復(fù)合管可以現(xiàn)場(chǎng)切割和焊接，但造價(jià)相對(duì)要高。因此在選擇復(fù)合管型式時(shí)，需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工需要進(jìn)行合理選擇。

圖4 雙金屬?gòu)?fù)合管的結(jié)構(gòu)示意

油田注水管道系統(tǒng)也可以采取該項(xiàng)技術(shù)，比如可以在碳鋼管道內(nèi)部襯一層2～4 mm的825合金層，焊接時(shí)可以采用AWS 5.14 ERNiFeCr-1合金鋼焊條進(jìn)行焊接。825合金復(fù)合層可以有效防止產(chǎn)出水腐蝕，從而保證整個(gè)產(chǎn)出水系統(tǒng)的安全性。

2.6 不銹鋼管道

油田產(chǎn)出水中氯離子含量往往很高，而氯離子對(duì)不銹鋼點(diǎn)蝕是很嚴(yán)重的。油田注水管道常使用抗點(diǎn)蝕能力很強(qiáng)的雙相不銹鋼材質(zhì)，雙相不銹鋼按類型又可以分為以下幾類。

（1） 貧雙相不銹鋼：如 S32101、S32202、S32304、S32003、S82011和S82441，有資料顯示其中S32003耐氯離子點(diǎn)蝕能力很強(qiáng)[3]，且經(jīng)濟(jì)性也很好，因此推薦可以在油田注水管道上使用。

（2）標(biāo)準(zhǔn)雙相不銹鋼：如S31803、S32205，其中S31803在油田注水系統(tǒng)中使用很多，但其價(jià)格比較昂貴。

（3） 超級(jí)雙相不銹鋼：如S32520、S32550、S32750、S32760和S32906。超級(jí)雙相不銹鋼可以滿足油田注水管道材質(zhì)要求，但其價(jià)格昂貴，不太適用于長(zhǎng)距離輸送注水管道。

由于油田注水管道往往都要埋地敷設(shè)，因此如果使用不銹鋼管道，往往會(huì)出現(xiàn)不銹鋼管道外表面防腐處理困難的問題，因此建議油田注水地上管道可以考慮使用上述不銹鋼材質(zhì)。

3 油田注水管道材質(zhì)選擇實(shí)例

某國(guó)外油田產(chǎn)出水處理后需要回注到地下。油田產(chǎn)出水的參數(shù)為：氯離子含量158 000 mg/L，水溫70～85℃，pH值6.5～7，油含量約6 mg/L。

由于產(chǎn)出水中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了15.8%，且水溫較高，產(chǎn)出水的腐蝕性很強(qiáng)，但在設(shè)計(jì)過程中嚴(yán)格控制了產(chǎn)出水中溶解氧的含量，于是選擇了較低等級(jí)的管道材質(zhì)。經(jīng)充分的考慮和設(shè)計(jì)，該油田注水系統(tǒng)管道材質(zhì)選擇如圖5所示。

圖5 國(guó)外某油田產(chǎn)出水注水系統(tǒng)材質(zhì)選擇

從圖5中可以看出：其一，地上管道材質(zhì)選取雙相不銹鋼31803，這是考慮到地上管道死液點(diǎn)比較多，容易在死液點(diǎn)位置發(fā)生點(diǎn)蝕，所以地上管道按照較高等級(jí)材質(zhì)選?。黄涠?，站內(nèi)地下管道選取玻璃鋼管，這是考慮到站內(nèi)地下管道壓力較低，適宜選用非金屬材質(zhì)的管道，而且還可以節(jié)省一定的費(fèi)用；其三，站外地下管道選取碳鋼加6 mm腐蝕余量，這是考慮到站外埋地管道操作壓力很高（21 MPa），水中含氧量比較低，而且在注水泵入口已加注了緩蝕劑、殺菌劑和除氧劑，這些藥劑也能夠減小碳鋼管道腐蝕速度。

按照以上原則選取的油田注水管道已投入生產(chǎn)使用近三年，目前運(yùn)行良好，未發(fā)現(xiàn)腐蝕穿孔等嚴(yán)重問題，證明該國(guó)外油田注水管道的材質(zhì)選擇是正確合理的，這對(duì)其他項(xiàng)目注水管道的材質(zhì)選取也有一定的借鑒意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文歸納了油田注水管道材質(zhì)的選擇，分別給出了推薦性的意見和建議，并給出了某國(guó)外油田注水管道材質(zhì)選擇的實(shí)例，經(jīng)過實(shí)際生產(chǎn)測(cè)試表明，該項(xiàng)目的注水管道材質(zhì)選擇是合理的，該實(shí)例對(duì)其他注水項(xiàng)目管道材質(zhì)的選擇具有非常好的借鑒意義。