雅克拉氣田單井進(jìn)站集輸管線腐蝕原因分析

(中國石油化工股份有限公司西北油田分公司，新疆 阿克蘇 842017)

雅克拉凝析氣田于2005年11月開始投入生產(chǎn)，原設(shè)計(jì)單井集輸管線和進(jìn)站閥組管線均為16Mn材質(zhì)。管線運(yùn)行1年后，單井集輸管線開始出現(xiàn)腐蝕爆管現(xiàn)象。2007年YK1和YK5H井口回壓管線先后出現(xiàn)爆管現(xiàn)象，不僅造成產(chǎn)量損失，還給正常生產(chǎn)帶來了安全隱患。為此，開展了單井集輸管線腐蝕的防護(hù)工作，先后將井口回壓管線和集輸主管線更換為更耐蝕的高壓玻璃鋼管、20號鋼+316L雙金屬復(fù)合管、06Cr13不銹鋼和柔性復(fù)合管[1-2]。目前，單井集輸主管線腐蝕得到一定程度的控制，管線腐蝕逐漸由井口向站內(nèi)方向轉(zhuǎn)移。柔性復(fù)合管通過鈦合金轉(zhuǎn)換接頭與進(jìn)站閥組16Mn管線焊接,20號鋼+316L雙金屬復(fù)合管直接與進(jìn)站閥組16Mn管線焊接，不同材質(zhì)管線焊接在油田腐蝕介質(zhì)中易發(fā)生電偶腐蝕[3]。站內(nèi)20號鋼+316L雙金屬復(fù)合管通過絕緣接頭與進(jìn)站閥組16Mn管線焊接，在距絕緣接頭焊縫5 cm的16Mn管線底部發(fā)生腐蝕開裂[4]。

1 腐蝕情況

2018年9月，在YK5H井中，距20號鋼+316L雙金屬復(fù)合管與16Mn管線焊縫3 cm的集輸管線底部發(fā)生開裂，腐蝕開裂長度8 cm，管線底部最小壁厚僅有2.11 mm，見圖1。原管線規(guī)格為φ168.3 mm×11 mm，管壁整體腐蝕減薄，上部最大壁厚7.89 mm，材質(zhì)為16Mn。進(jìn)站埋地集輸管線前為抗腐蝕特殊材質(zhì)管線，其后為16Mn鋼管線。

在YK2井中，距進(jìn)站閥組絕緣接頭焊縫5 cm的集輸管線底部發(fā)生腐蝕開裂，腐蝕開裂長度約70 cm，管線底部最小壁厚為2.16 mm，見圖2。原管線規(guī)格為φ114.3 mm×8 mm，管壁整體腐蝕減薄，管線上部最大壁厚3.46 mm，管線材質(zhì)為16Mn。圖3為進(jìn)站閥組埋地集輸管線流程示意。圖3中紅色圈處為腐蝕開裂的位置。

圖1 YK5H井16Mn管線底部開裂

2 腐蝕環(huán)境

YK2井產(chǎn)氣量13×104m3/d，產(chǎn)液量25 m3/d，進(jìn)站壓力6.5 MPa，溫度35 ℃。該井天然氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)平均85.45%，乙烷體積分?jǐn)?shù)平均5.31%，丙烷體積分?jǐn)?shù)平均2.07%，平均相對密度0.66；CO2體積分?jǐn)?shù)為2.6%～3.4%。

圖2 YK2井16Mn管線底部開裂

圖3 進(jìn)站閥組埋地集輸管線示意

YK5H井產(chǎn)氣量50×104m3/d，產(chǎn)液量110 m3/d，進(jìn)站壓力6.5 MPa，溫度45 ℃。該井天然氣中甲烷體積分?jǐn)?shù)平均86.15%，乙烷體積分?jǐn)?shù)平均5.21%，丙烷體積分?jǐn)?shù)平均2.10%，平均相對密度0.66，CO2體積分?jǐn)?shù)為2.1%～3.5%。

天然氣中水質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.4%～15%，水型均為CaCl2，氯離子質(zhì)量濃度為66 000～74 000 mg/L，總礦化度為120 000～160 000 mg/L。

3 腐蝕原因分析

3.1 管線材質(zhì)和腐蝕產(chǎn)物分析

3.1.1 材質(zhì)成分

采用光譜分析儀對單井集輸管線腐蝕管段進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。從表1可以看出，該管線材質(zhì)成分未見異常，符合16Mn材質(zhì)成分要求。

表1 服役管線材質(zhì)化學(xué)成分 w，%

3.1.2 金相組織

對單井進(jìn)站集輸管線失效管段取樣進(jìn)行金相分析，管線底部開裂部位內(nèi)表面金相組織見圖4。

圖4 腐蝕開裂部位內(nèi)表面組織

3.1.3 腐蝕產(chǎn)物

底部開裂部位腐蝕產(chǎn)物微觀形貌見圖5。圖6為失效管段底部腐蝕產(chǎn)物X射線衍射分析圖譜。腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果見表2。

圖5 腐蝕產(chǎn)物微觀形貌

圖6 腐蝕產(chǎn)物X射線衍射圖譜

元素x,%C19.16O56.97Si0.39P0.40S0.85元素x,%Mn0.48Fe20.32Cu0.45Zn0.60Ca0.38

由表2可見，腐蝕產(chǎn)物主要由氧、鐵、碳、硫、磷以及少量其他元素構(gòu)成，其中磷和硫元素來自凝析油。鐵、碳、氧的原子比基本符合FeCO3的原子比，結(jié)合圖6的X射線衍射圖譜，可以判定腐蝕產(chǎn)物主要為FeCO3。

3.2 電偶腐蝕

現(xiàn)場使用情況表明，不管20號鋼+316L雙金屬復(fù)合管與16Mn直接焊接[5],還是通過絕緣接頭焊接，均在距焊縫3～5 cm的16Mn管線底部發(fā)生腐蝕開裂。20號鋼+316L雙金屬復(fù)合管是由基層(20號鋼)和覆層(316L)組成，316L不銹鋼開路電位為-0.3 V，16Mn鋼開路電位為-0.7 V，在有水的CO2腐蝕環(huán)境下，16Mn鋼和316L不銹鋼焊接處易發(fā)生電偶腐蝕，其中16Mn鋼為陽極，316L不銹鋼為陰極。在集輸管線內(nèi)底部容易積聚液態(tài)水，水溶解CO2形成典型的酸性腐蝕環(huán)境，為16Mn鋼和316L不銹鋼發(fā)生電偶腐蝕提供了條件[6]。

3.3 CO2腐蝕

CO2溶于水之后形成CO2腐蝕環(huán)境，對金屬材料有很強(qiáng)的腐蝕性。在相同pH值下，由于CO2總酸度比鹽酸高，因此CO2對金屬材料的腐蝕程度比鹽酸還要嚴(yán)重，該環(huán)境對材料造成的局部腐蝕和破壞稱之為CO2腐蝕[7]。CO2腐蝕為電化學(xué)腐蝕，在陰極和陽極處表現(xiàn)不同，在陽極處鐵不斷溶解導(dǎo)致了均勻腐蝕或局部腐蝕，表現(xiàn)為金屬壁厚逐漸減薄或點(diǎn)蝕穿孔等局部腐蝕破壞；在陰極處CO2溶解于水形成碳酸，釋放出氫離子，促進(jìn)陽極鐵溶解而導(dǎo)致腐蝕，同時氫原子進(jìn)入鋼中，造成鋼材的氫致開裂[8]。實(shí)際工況下，CO2腐蝕與CO2分壓、流體溫度、流體速度相關(guān)，Cl-等也會對其產(chǎn)生很大影響。

3.3.1 溫度和CO2分壓的影響

(1)溫度影響CO2腐蝕反應(yīng)速度，同時也影響腐蝕產(chǎn)物成膜機(jī)制。溫度影響介質(zhì)中CO2的溶解度，介質(zhì)中CO2濃度隨著溫度升高而減小；溫度也影響反應(yīng)速度，反應(yīng)速度隨著溫度的升高而加快。溫度的變化，影響了基體表面FeCO3晶核的數(shù)量與晶粒長大的速度，從而改變了腐蝕產(chǎn)物膜的結(jié)構(gòu)與附著力，即改變了膜的保護(hù)性。在溫度小于60 ℃的低溫區(qū)，主要發(fā)生均勻腐蝕；在溫度60～150 ℃的中溫區(qū)，局部腐蝕嚴(yán)重；在溫度大于150 ℃的高溫區(qū)，鋼鐵表面形成薄而致密的FeCO3保護(hù)膜，腐蝕速率明顯降低。雅克拉凝析氣田集輸溫度處于60 ℃以下的低溫區(qū)，主要發(fā)生均勻腐蝕[9]。

(2)CO2分壓影響其腐蝕程度。根據(jù)NACE相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的劃分，CO2分壓在0.02～0.21 MPa時為中等腐蝕，分壓超過0.21 MPa為嚴(yán)重腐蝕。雅克拉氣田CO2分壓為0.13～0.23 MPa，其CO2腐蝕屬于中等—嚴(yán)重腐蝕區(qū)間。

3.3.2 流速和Cl-的影響

(1)高流速增大了腐蝕介質(zhì)到達(dá)金屬表面的傳質(zhì)速度,高流速也會阻礙金屬表面腐蝕產(chǎn)物的成膜過程,并對已形成的保護(hù)膜起破壞作用，因此隨著流速的增大，腐蝕速率增加。某些情況下，流速的增大又能促進(jìn)可鈍化金屬的鈍化過程，從而提高其耐蝕性。過高的流速將形成空蝕、沖刷腐蝕而加速金屬材料的CO2腐蝕。雅克拉凝析氣田單井集輸管線介質(zhì)流速為3.32～7.99 m/s,高流速下會發(fā)生CO2沖刷腐蝕[10]。

(2)Cl-具有離子半徑小、穿透能力強(qiáng)，并且能夠被金屬表面吸附的特點(diǎn)。Cl-濃度越高，水溶液的導(dǎo)電性越強(qiáng)，電解質(zhì)的電阻就越低，Cl-就越容易到達(dá)金屬表面，加快局部腐蝕的進(jìn)程。酸性環(huán)境中,Cl-的存在會在金屬表面形成氯化物垢層，并破壞具有保護(hù)性能的FeCO3膜，從而加速腐蝕。

4 結(jié)論及建議

(1)雅克拉氣田單井進(jìn)站集輸管線內(nèi)腐蝕是16Mn鋼連接316L不銹鋼發(fā)生電偶腐蝕和CO2沖刷腐蝕共同造成的。在酸性環(huán)境下，電偶腐蝕和CO2沖刷腐蝕的共同作用使得16Mn管線底部腐蝕最為嚴(yán)重，最終導(dǎo)致管線底部腐蝕開裂。

(2)16Mn鋼與不銹鋼管線連接存在電位差，凝析氣氣井流體中CO2和水易在管線底部聚積形成酸性腐蝕環(huán)境，為16Mn鋼管線底部發(fā)生電偶腐蝕和CO2沖刷腐蝕提供了必要條件。流體中的H2S與Cl-加劇了腐蝕。

(3)建議選用電位接近的耐蝕材料。單井集輸管線用20號鋼+316L的雙金屬復(fù)合管時，進(jìn)站閥組管線材質(zhì)建議選用與覆層材質(zhì)(316L)電位相近的06Cr13不銹鋼管材。進(jìn)站閥組管線選用普通碳鋼材質(zhì)的金屬管線時，建議對普通碳鋼金屬管線做內(nèi)防腐蝕處理并添加抗CO2腐蝕緩蝕劑，減緩電偶腐蝕和CO2沖刷腐蝕。

(4)對于產(chǎn)量高、流速大的單井,建議增大管徑以減輕流體對管線的沖刷腐蝕。

(5)不同材質(zhì)金屬連接時,建議對管線進(jìn)行陰極保護(hù)。使用可靠的絕緣接頭并通過強(qiáng)制電流的陰極保護(hù)使兩種不同金屬都變成陰極。