高含硫長距離集輸管道腐蝕監(jiān)測技術(shù)研究

顧錫奎 何鵬 陳思錠

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.中國石油西南油氣田公司重慶氣礦 3.斯倫貝謝科技服務(wù)(北京)有限公司

川東氣田是典型的含硫氣田，其中70%以上的氣井是含硫氣井。在酸性氣田的開發(fā)過程中，腐蝕問題始終比較突出，成為影響氣田安全、經(jīng)濟(jì)開發(fā)的主要因素，特別是當(dāng)H2S含量較高時(shí)，由于腐蝕導(dǎo)致穿孔、破裂發(fā)生天然氣泄露，不僅影響氣田的正常開發(fā)，而且將造成環(huán)境污染甚至災(zāi)難事故[1]。天高線集輸管道位于川東氣田云安場構(gòu)造帶，地處山地丘陵地帶，管道起伏變化相對較大，管道內(nèi)流體流動特性變化明顯，對管壁腐蝕產(chǎn)生較大的影響。天高線的B段全長22.7 km，H2S質(zhì)量濃度83 g/m3左右，為典型的高含硫長距離集輸管道。該管道采用濕氣輸送工藝，腐蝕環(huán)境非常惡劣。為了獲得天高線高酸性濕氣輸送管道的腐蝕情況，天高線B段共設(shè)置2處腐蝕監(jiān)測點(diǎn)，分別位于管道的始末端。從前期漏磁檢測報(bào)告看，該管道內(nèi)部金屬損失異常450處，分布在管道的各個管段。因此，僅僅在始末兩端設(shè)置腐蝕監(jiān)測點(diǎn)很難全面有效地獲得管道腐蝕情況，需要進(jìn)一步完善在線腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)。

通過對天高線B段集輸管道多相流模擬分析，分別計(jì)算出管道沿程的流體溫度、壓力、氣液相流速、流型、持液率、氣液相與壁面間剪切應(yīng)力等流體特性的分布規(guī)律。根據(jù)流體特征分布研究管道內(nèi)壁腐蝕的主要影響因素，確定管道容易發(fā)生腐蝕的部位，從而為腐蝕監(jiān)測的設(shè)置提供依據(jù)。

1 管道流體特征分析

選取天高線B段某時(shí)間段的運(yùn)行工況數(shù)據(jù)，模擬計(jì)算得到管道流體沿程流動特征參數(shù)分布規(guī)律，包括壓力、溫度、氣液相流速、流型、持液率、氣液相與管壁間的最大剪切應(yīng)力等參數(shù)。

1.1 流體持液率

持液率又稱為截面含液率，是氣、液兩相管流最重要的特征參數(shù)之一。在山地丘陵地區(qū)的高含硫氣田開發(fā)過程中，考慮到工藝安全、經(jīng)濟(jì)效益以及環(huán)境保護(hù)等因素，多起伏低持液率天然氣集輸管道的工藝計(jì)算是當(dāng)前亟待解決的問題之一[2]。管道沿程持液率變化受管道高程變化很大，下坡管段內(nèi)持液率較低，且坡度越陡，持液率越小，上坡管段持液率普遍較高，且上坡管段內(nèi)流體持液率幾乎不受坡度的影響。距離管道流體入口處越近，液相越容易在管道的低洼處積聚下來，表現(xiàn)為管道前段的持液率要顯著高于后段。

1.2 管內(nèi)流體與管壁間剪切應(yīng)力分布

該管道氣相-管壁間剪切應(yīng)力變化比較平穩(wěn)，氣相與管壁間的最大剪切應(yīng)力不到4.5 Pa，而液體與管壁間的剪切應(yīng)力沿管道變化很大。根據(jù)剪切應(yīng)力計(jì)算公式τL= 1/2fLρLμL2，液相-管壁剪切應(yīng)力受液相流速、密度、黏度及管壁粗糙度等因素的綜合影響，對于確定的流體和輸送管道，管內(nèi)剪切應(yīng)力主要受流型及流速的影響[3-4]。管道的上坡管段內(nèi)流型為段塞流，此時(shí)管內(nèi)流體與管壁剪切應(yīng)力較大。這是由于段塞流中氣、液兩相相互影響的復(fù)雜性導(dǎo)致混合液紊流程度很大；下坡管段內(nèi)流型為分層流，且坡度較陡的下坡管內(nèi)液相流速很大。由剪切應(yīng)力計(jì)算公式可知，液體-管壁剪切應(yīng)力與液相流速的平方呈正比，因此坡度較陡的下坡管內(nèi)液體-管壁剪切應(yīng)力也很大。

1.3 管內(nèi)流體流型分布

在不同傾角的多相流流動管道(從水平管到垂直管)中流型差異很大，且其影響因素很多。Xiao等[5]在Taitel和Dukler等的流型判別方法基礎(chǔ)上，將流型分為分層流、環(huán)狀流、段塞流以及散泡狀流。

管道沿程不同位置處管內(nèi)氣-水兩相流動的流型不盡相同。在給定的管道運(yùn)行工況條件下，管道沿程各位置主要存在分層流和段塞流兩種流型，且分層流主要出現(xiàn)在下坡管段以及部分上坡管段中；而段塞流主要出現(xiàn)在較為陡峭的上坡管段中。這與1976年美國Beggs和Brill所進(jìn)行的傾斜管中氣-水兩相流動研究所得出的流型規(guī)律一致，即管路上坡段不易出現(xiàn)分層流型，而在下坡管段所觀察到的流型幾乎總是分層流，這一流型分布結(jié)果符合多相流的流型分布規(guī)律[6]。

1.4 管道沿程壓力和溫度分布

管道沿程壓力變化曲線與管道縱斷面走勢相反，即在上坡管段，管道內(nèi)流體壓力迅速降低；下坡管段，流體壓力減少緩慢，甚至部分回升。由于管路沿線地形起伏時(shí)，管道的壓降除克服沿程摩阻外，還包括上坡段舉升流體所消耗而在下坡段不能完全回收的靜壓損失[7]，壓力從6.24 MPa降至5.46 MPa。

管內(nèi)流體溫度沿管道逐漸降低，逐漸接近于管道外部土壤溫度，且距離管道起點(diǎn)越近，溫降速率越大。這是由于管道入口處高溫流體與周圍環(huán)境介質(zhì)溫度(土壤溫度)溫差最大，隨著管道延長，流體不斷地與外界進(jìn)行熱量交換使得溫度逐漸降低，管道溫度從29 ℃降至19 ℃。

從模擬分析結(jié)果可知，管道始末段歷次腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)相近，推測壓力和溫度不是該管道產(chǎn)生腐蝕差異的主要影響因素。

2 流體特性對管壁腐蝕的影響

為了進(jìn)一步明確管道流體特性對管壁腐蝕的影響，分別在持液率、剪切應(yīng)力(流速)比較突出的管段和不同流型的管段進(jìn)行超聲波全周向管壁測厚，確定管道腐蝕的主要影響因素，為腐蝕監(jiān)測點(diǎn)位置的選擇提供依據(jù)。

2.1 持液率對管壁腐蝕的影響

山地丘陵等地區(qū)的管道沿線起伏變化不定，濕氣管道經(jīng)過地形起伏地區(qū)時(shí)，管內(nèi)凝析液和水極易在管道低洼處積聚，加速管道內(nèi)腐蝕[8-9]。圖1為管道水平距離1000～1120 m段持液率隨管道高程的變化曲線。在水平距離1041 m管段，壓力為8.5 MPa、溫度為29.22 ℃、氣相流速為3.81 m/s、液相流速為0.39 m/s、流體流型為分層流、氣相-管壁間剪切應(yīng)力為1.7 Pa、液相-管壁間剪切應(yīng)力為4.06 Pa，持液率變化較為顯著。

通過水平距離1041 m管段與水平距離836 m管段處(水平距離836管段附近流體流動特征參數(shù)：壓力為8.7 MPa、溫度為29.97 ℃、氣相流速為3.68 m/s、液相流速為0.31 m/s、持液率為0、流型為分層流、氣相-管壁間剪切應(yīng)力為2.22 Pa、液相-管壁間剪切應(yīng)力為0.5 Pa)超聲波全周向測厚數(shù)據(jù)(見表1)對比可知：持液率比較高的管段是管道容易發(fā)生腐蝕的部位，該段腐蝕減薄的主要位置發(fā)生在管道中下方，也是管道容易產(chǎn)生積液的地方。

表1 天高線B段距離836 m及1041 m處超聲波測試數(shù)據(jù)Table 1 Ultrasonic data at the distance 836 m and 1041 m of Tiangao line B section測厚點(diǎn)位置時(shí)鐘方向測厚數(shù)值平均值(正對氣流來向☉)/mm01234567891011距離836 m15.0815.2415.3915.4815.2115.4715.3315.0815.2415.3915.4815.21距離1041 m15.1414.9815.1414.8415.0914.8414.5614.5714.5714.8515.4415.38

2.2 液相與管壁剪切應(yīng)力對腐蝕的影響

由于該管道氣相-管壁間剪切應(yīng)力變化比較平穩(wěn)，而液體與管壁間剪切應(yīng)力沿管道變化很大，推斷液相與管壁間的剪切應(yīng)力是產(chǎn)生沖刷腐蝕差異的主要因素。圖2為天高線B段距離17 430～17 630 m段氣、液相與管壁間剪切應(yīng)力變化曲線。該管段壓力6.1 MPa，溫度20.91 ℃，持液率0，流體流型為分層，氣相-管壁間剪切應(yīng)力2 Pa左右，液相-管壁間剪切應(yīng)力從37.67 Pa下降至7.73 Pa。

由于液相-管壁剪切應(yīng)力與液相流速的平方呈正比，因此液相流速大的管段，液體與管壁剪切應(yīng)力很大。流體的流速對管路的沖刷腐蝕起著重要作用，流體的流速大小決定了液相對管路的沖刷腐蝕程度：低流速時(shí)，流體對管路的沖刷腐蝕程度較低；高流速時(shí)，流體對管路的沖刷腐蝕程度較大[10-14]。根據(jù)超聲波測厚數(shù)據(jù)(見表2 )看，主要腐蝕減薄位置位于管道左下方。這可能是由于下坡管道底部液相流速較大，即液體與管壁剪切應(yīng)力對管壁的沖刷腐蝕更為顯著。

表2 天高線B段距離836 m及17 540m處超聲波測試數(shù)據(jù)Table 2 Ultrasonic data at the distance 836 m and 17 540 m of Tiangao line B section 測厚點(diǎn)位置時(shí)鐘方向測厚數(shù)值平均值(正對氣流來向☉)/mm01234567891011距離836 m15.0815.2415.3915.4815.2115.4715.3315.0815.2415.3915.4815.21距離17 539 m15.35 15.74 15.60 14.85 14.91 14.62 14.37 14.29 14.43 14.34 14.86 15.20

表3 天高線B段距離20 102 m處超聲波測試數(shù)據(jù)Table 3 Ultrasonic data at the distance 20 102 m of Tiangao line B section測厚點(diǎn)位置時(shí)鐘方向測厚數(shù)值平均值(正對氣流來向☉)/mm01234567891011距離20 102 m13.9715.0715.3514.9315.3015.0515.0615.4715.1614.4414.1914.14

2.3 流體流型對管壁腐蝕的影響

在該管道工況條件下，管道沿程主要存在分層流和段塞流兩種流型。由于該管道氣相流量相對較大，因此，管道沿程以分層流為主，在管道上部一般會形成連續(xù)的氣相區(qū)，氣相與液相之間存在光滑的分界面，相間存在速度差(滑脫速度)，管內(nèi)基本無壓力波動。段塞流主要出現(xiàn)在較為陡峭的上坡管段中。

在管道水平距離20 102 m處，管段壓力5.96 MPa，溫度21.51 ℃，氣相流速6.57 m/s，液相流速0.71 m/s，持液率0.045，流體流型為段塞流，氣相-管壁間剪切應(yīng)力3.13 Pa，液相-管壁間剪切應(yīng)力6.15 Pa。超聲波測厚數(shù)據(jù)(見表3)顯示：開挖點(diǎn)的主要腐蝕減薄位置位于測厚點(diǎn)的0點(diǎn)方位附近，即管道上方。

這可能是由于氣液交替，加速了腐蝕的進(jìn)程。一般來說,與流動過程有關(guān)的腐蝕都屬于流動腐蝕,流型對流動腐蝕的影響很大。在各種多相流流型中,段塞流對管道腐蝕影響最嚴(yán)重,這是由段塞流的特性決定的。Ellison和Wen(1981年)提出3種流動腐蝕類型:對流傳質(zhì)腐蝕、相轉(zhuǎn)變腐蝕和沖刷腐蝕[15-16]。對于對流傳質(zhì)腐蝕來說,其腐蝕速度決定于腐蝕性介質(zhì)向金屬表面的傳質(zhì)速度及腐蝕產(chǎn)物從金屬表面除去的速度;相變腐蝕取決于包含腐蝕介質(zhì)的液相與金屬表面的潤濕情況(相變腐蝕受多相流流態(tài)的顯著影響)；沖刷腐蝕常發(fā)生在高速、紊流(或流體存在固體)的情況下,紊流能把腐蝕產(chǎn)物從管道表面上除掉,同時(shí)強(qiáng)化了傳質(zhì)過程[17]。段塞流中,由于流體速度較高、流體處于高度紊流狀態(tài),在管壁形成的邊界層很薄或幾乎沒有形成邊界層。所以，上述3種腐蝕效應(yīng)在段塞流條件下得以最充分的體現(xiàn)。Sun和JePson以及Zhou和JePson已證明在段塞流中常出現(xiàn)管壁剪切應(yīng)力很大和紊流度很高的區(qū)域[18]。

3 管道腐蝕監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

3.1 腐蝕監(jiān)測位置選擇

腐蝕監(jiān)測技術(shù)的有效性與監(jiān)測位置的選擇有很大關(guān)系，整個管道的腐蝕形態(tài)或腐蝕速度不可能完全相同，腐蝕監(jiān)測必然局限于監(jiān)測探頭或元件所處的部位或管段。因此，正確而合理地選擇監(jiān)測位置，對于取得關(guān)鍵有效的腐蝕信息是極為重要的。對于長距離高程起伏較大的高酸性濕氣輸送管道來說，僅僅在始末兩端設(shè)置腐蝕監(jiān)測點(diǎn)很難全面有效地獲得管道內(nèi)腐蝕情況。因此，需要在腐蝕嚴(yán)重的管段增設(shè)監(jiān)測點(diǎn)。通過上述流體特征對管道腐蝕的影響研究以及超聲波測得的壁厚數(shù)據(jù)，建議腐蝕監(jiān)測點(diǎn)的位置選擇在腐蝕相對嚴(yán)重的段塞流管段。

3.2 腐蝕監(jiān)測方法選擇

由于腐蝕監(jiān)測點(diǎn)選擇的管段為埋地管道，更適合采用便于安裝的無損非插入式監(jiān)測方法。目前，油氣田使用比較成熟的在線腐蝕非插入式監(jiān)測技術(shù)有圖場像技術(shù)、定點(diǎn)超聲波技術(shù)和超聲導(dǎo)波技術(shù)等。圖場像技術(shù)即FSM(Field Signature Method)是一種檢查金屬管道、管道和容器的技術(shù)。在線定點(diǎn)超聲波技術(shù)是將超聲波傳感器永久安裝在設(shè)備和管道的被測點(diǎn)位，排除了人工定點(diǎn)測厚中的人為影響因素。超聲導(dǎo)波(Ultrasonic Guided Wave)檢測技術(shù)(又稱長距離超聲遙探法)主要用于在線管道檢測，超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)能檢出管道內(nèi)外部腐蝕。超聲導(dǎo)波在線監(jiān)測系統(tǒng)是用導(dǎo)波對管道的腐蝕狀態(tài)進(jìn)行永久性監(jiān)測，對管道的腐蝕狀態(tài)進(jìn)行定期數(shù)據(jù)采集，通過對采集的批量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)管道結(jié)構(gòu)腐蝕及裂紋缺陷的在線監(jiān)測和安全評估。與傳統(tǒng)超聲檢測技術(shù)相比，超聲導(dǎo)波技術(shù)具有檢測效率高、檢測覆蓋范圍大(一般金屬管道中的導(dǎo)波可傳播幾十米甚至上百米)等優(yōu)點(diǎn)[20]。

上述在線監(jiān)測方法都適合安裝在管道彎頭、架空、埋地等困難部位的腐蝕監(jiān)測。但FSM監(jiān)測技術(shù)費(fèi)用很高[21]，定點(diǎn)超聲波監(jiān)測方法監(jiān)測范圍太過于局限。因此，本試驗(yàn)推薦使用超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)。UGPM超聲導(dǎo)波在線監(jiān)測系統(tǒng)基于參考信號的監(jiān)測分析算法，監(jiān)測靈敏度達(dá)0.5%，腐蝕定位精度±0.1 m，自動分析得到腐蝕趨勢。

3.3 腐蝕監(jiān)測結(jié)果

從2017年5月到2018年5月的腐蝕掛片的腐蝕形貌和監(jiān)測數(shù)據(jù)(見表4)來看，天高線末段腐蝕速度小于0.025 mm/a，始終處于輕度均勻腐蝕的范疇。同時(shí)，這段時(shí)期管道始、末端電阻探針監(jiān)測數(shù)據(jù)嚴(yán)重失真，無法真實(shí)反映管道的腐蝕狀況。

圖3是超聲導(dǎo)波采樣信號與參考信號對比圖，監(jiān)測周期為1年(2017年5月14日～2018年5月12日)。圖中：紅色線為2018年4月27日的采樣信號，紫色線為2017年12月18日的參考信號。

表4 天高線B段腐蝕掛片監(jiān)測數(shù)據(jù)Table 4 Monitoring data of corrosion coupon(from May 2017 to May 2018)mm/a監(jiān)測時(shí)間(年-月)2017-05～2017-092017-09～2017-122017-12～2018-032018-03～2018-042018-04～2018-05腐蝕速率0.015 90.012 00.010 80.016 30.007 1

本次監(jiān)測時(shí)長為1年。左3PE端面、右3PE端面和特征1都穩(wěn)定存在，說明監(jiān)測探頭穩(wěn)定且正常工作；從監(jiān)測信號中可以發(fā)現(xiàn)，前半年的超聲導(dǎo)波信號較為穩(wěn)定，后半年的信號有所變化，變化的時(shí)期為2017年12月～2018年5月；異常點(diǎn)共計(jì)3處，分別左3PE端面兩側(cè)-0.435 m和-0.233 m處，以及正向位置0.976 m處。對3處的異常進(jìn)行分析可得：①正向位置0.976 m處為異常特征，此處存在局部腐蝕；②-0.435 m和-0.233 m處緊挨著3PE端面，考慮腐蝕或3PE包覆層變化引起的可能性。

從上述腐蝕監(jiān)測結(jié)果看出，腐蝕掛片和超聲導(dǎo)波呈現(xiàn)出不同的腐蝕狀態(tài)，腐蝕掛片顯示為輕度的均勻腐蝕，超聲導(dǎo)波則監(jiān)測出局部腐蝕的腐蝕信息，超聲導(dǎo)波能很好查找出管道上的局部腐蝕缺陷，和傳統(tǒng)的監(jiān)測方法形成互補(bǔ)，從而獲得更全面有效的腐蝕信息。

4 結(jié)論與建議

(1) 通過高含硫輸氣管道流體特性模擬實(shí)驗(yàn)及管道測厚驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)：持液率較高的管段，即液相越容易積聚的地方，往往積聚在管道的低洼處，管道內(nèi)腐蝕也容易發(fā)生在管道底部；流體液相流速對管道內(nèi)腐蝕也有一定的影響。由于液體-管壁剪切應(yīng)力與液相流速的平方呈正比，因此，下坡坡度較陡的管內(nèi)液體-管壁剪切應(yīng)力較大，管道受到液體沖刷腐蝕也更為顯著；流體流型對管壁腐蝕影響比較顯著，通過超聲波壁厚檢測發(fā)現(xiàn)，流體段塞流段更容易發(fā)生腐蝕。

(2) 腐蝕監(jiān)測位置和方法對獲得有效的腐蝕信息至關(guān)重要。天高線腐蝕比較嚴(yán)重的管段均為埋地管道，根據(jù)各種在線腐蝕監(jiān)測技術(shù)的特點(diǎn)和成本，選用非插入式腐蝕監(jiān)測方法超聲導(dǎo)波監(jiān)測技術(shù)，進(jìn)一步完善了高含硫長距離集輸濕氣管道在線腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)。

(3) 對于高含硫長距離濕氣管道，不僅應(yīng)在管道的始末段設(shè)置腐蝕監(jiān)測點(diǎn)，還應(yīng)在管道低洼處和轉(zhuǎn)彎處設(shè)置腐蝕監(jiān)測點(diǎn)，加之適宜的腐蝕監(jiān)測方法，才能獲得更加全面有效的腐蝕信息。