銅鎳合金注入管線滲漏問題原因分析及解決措施

柯文超 蘆新輝 趙德喜

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

0 引言

渤海灣某油田生產(chǎn)污水日處理量可達(dá)5000m3。生產(chǎn)污水從三相分離器進(jìn)行油水初步處理后進(jìn)入斜板除油器進(jìn)行撇油預(yù)處理，預(yù)處理后生產(chǎn)污水含油量為400ppm以下。生產(chǎn)污水從斜板除油器出來以后經(jīng)過生產(chǎn)水增壓泵增壓至800KPa后進(jìn)入氣浮選中處理，從氣浮選中進(jìn)行進(jìn)一步除油至20ppm后，進(jìn)入核桃殼細(xì)濾器進(jìn)行精細(xì)處理。最后進(jìn)入注水緩沖罐，經(jīng)過注水增壓泵增壓后進(jìn)入油田注水井。

絮凝劑主要成分為陽離子型聚合氯化鋁與陽離子型聚合硫酸鋁。脫油的原理為絮凝劑在生產(chǎn)污水中形成微小的絮凝膠體，與分散的油滴聚集成大的油滴，最后在微氣泡的作用下油滴從污水中脫離出來。實(shí)現(xiàn)降低生產(chǎn)污水處理系統(tǒng)氣浮選中含油量的目的。保證從氣浮選處理后的污水水質(zhì)小于20ppm。

油田絮凝劑注入管線材質(zhì)為銅鎳合金，絮凝劑通過柱塞泵以連續(xù)注入的方式將絮凝劑注入到氣浮選中對(duì)生產(chǎn)污水進(jìn)行脫油處理。銅鎳合金注入主管線自2013年投運(yùn)以來，由于腐蝕在實(shí)際運(yùn)行中多次發(fā)生腐蝕滲漏問題。如圖1所示。導(dǎo)致氣浮選中含油污水油滴不能及時(shí)脫離聚集，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)污水系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至有導(dǎo)致油田生產(chǎn)污水系統(tǒng)的關(guān)停風(fēng)險(xiǎn)，增加了油田現(xiàn)場的管理難度。

圖1 銅鎳合金腐蝕斷裂端口

1 影響銅鎳合金腐蝕因素分析

1.1 生產(chǎn)污水成分分析

對(duì)進(jìn)入氣浮選中的生產(chǎn)污水取樣，溫度為65℃，放入恒溫水浴箱中，恒溫不同時(shí)間，采用滴定法對(duì)生產(chǎn)污水濾膜進(jìn)行能譜電鏡常規(guī)離子分析，測試水樣中碳酸氫根離子濃度、硫酸根離子濃度、其它離子濃度等指標(biāo)。結(jié)果如表1所示。

從表1可知，生產(chǎn)污水中含有大量的碳酸氫根離子和氯離子。其它離子如硫酸根離子、鈣離子、鎂離子含量較少，碳酸根離子濃度基本沒有。

1.2 銅離子化學(xué)反應(yīng)過程

1.2.1 氯離子與銅離子反應(yīng)過程

為了檢驗(yàn)銅離子在不同濃度氯離子溶液中的腐蝕速率，現(xiàn)場采用失重法。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。其中腐蝕速率用υ表示；溶液中氯離子濃度用C表示。

圖2 銅在不同氯離子濃度中的腐蝕速率

由圖2可知氯離子對(duì)銅離子有很強(qiáng)的腐蝕性，當(dāng)氯離子濃度＞0.03mol/L時(shí)，氯離子濃度不斷升高會(huì)導(dǎo)致銅腐蝕速率逐漸增大，氯離子濃度在0.07mol/L與0.08mol/L時(shí)，此濃度范圍內(nèi)氯離子對(duì)銅腐蝕最大[1]。氯離子與銅離子的電化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

其中CuCl難溶于水，在銅合金表面沉積下來，隨后CuCl與水反應(yīng)形成Cu2Cl。即：

1.2.2 碳酸氫根離子與銅離子反應(yīng)過程

生產(chǎn)水中大量存在的碳酸氫根離子會(huì)與Cu2+發(fā)生如下反應(yīng)：由反應(yīng)式可知，Cu2+與會(huì)產(chǎn)生堿式碳酸銅沉淀和CO2氣體。這樣導(dǎo)致了銅鎳合金的腐蝕速率。CO2氣體的存在會(huì)使方程式的反應(yīng)重復(fù)進(jìn)行。導(dǎo)致Cu2+電化學(xué)反應(yīng)加劇[2]。

表1 生產(chǎn)污水離子濃度分析結(jié)果

1.2.3 硫酸根離子與銅離子的反應(yīng)過程

絮凝劑組份中含有硫酸鹽成分水解后的硫酸根離子會(huì)與銅離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生產(chǎn)硫酸銅沉淀[3]。

1.3 原因結(jié)論

綜上所述：生產(chǎn)水中含有的大量氯離子、碳酸氫根離子、以及絮凝劑的硫酸鹽成份分別與銅離子之間的電化學(xué)反應(yīng)是導(dǎo)致銅鎳合金腐蝕的主要原因。

2 改造方案對(duì)比與篩選

2.1 方案提出

要解決注入管線出現(xiàn)滲漏的問題，必須要解決產(chǎn)生滲漏的條件；一是降低生產(chǎn)污水中的氯離子、碳酸氫根離子以及絮凝劑中硫酸根離子成分；二是降低銅鎳合金中容易和生產(chǎn)污水中氯離子以及碳酸氫根離子起化學(xué)反應(yīng)的銅離子濃度；三是對(duì)容易起化學(xué)反應(yīng)的離子進(jìn)行隔離。

PP-R管線又叫三型聚丙烯管。主要由碳?xì)湓亟M成。碳?xì)湓卦诔爻簵l件下不與銅鎳合金反應(yīng)。可避免由于使用銅鎳合金的電化學(xué)反應(yīng)所造成的管線內(nèi)壁腐蝕。理論上可以替換銅鎳合金材質(zhì)管線[4]。

根據(jù)上述原因分析可以得出3種方案用以解決絮凝劑注入管線出現(xiàn)滲漏的問題。根據(jù)在現(xiàn)場的可操作性以及經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行比較對(duì)這三種方案就行擇優(yōu)選擇。

方案一：往生產(chǎn)污水添加新型藥劑降低氯離子以及碳酸氫根離子成分。在油田現(xiàn)場需要添加新設(shè)備和新藥劑系統(tǒng)，生產(chǎn)維護(hù)管理難度加大，且不經(jīng)濟(jì)。可操作性不強(qiáng)；

方案二：用PPR材質(zhì)管線替換銅鎳合金材質(zhì)管線。經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，可操作性強(qiáng)；

方案三：對(duì)化學(xué)藥劑中的硫酸根離子進(jìn)行替換選型，更換新的銅鎳合金管線，并對(duì)銅鎳合金管線涂防腐層，此方案可操作性不強(qiáng)。

2.2 最佳方案的選擇

根據(jù)經(jīng)濟(jì)性以及現(xiàn)場可操作性的分析，同時(shí)結(jié)合海上油田運(yùn)輸不便利，設(shè)備物料要求使用壽命期長，物料輸送有周期性要求等因素，決定選用方案2。氣浮選入口處有一個(gè)尺寸和絮凝劑注入管線一樣大小都是1in的預(yù)留口，可以作為臨時(shí)絮凝劑注入點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)不停運(yùn)絮凝劑系統(tǒng)的目的。確保施工期間流程平穩(wěn)運(yùn)行。

3 效果分析

改造后，經(jīng)過持續(xù)半年的跟蹤觀察，PPR材質(zhì)絮凝劑注入主管線沒有出現(xiàn)一次滲漏。生產(chǎn)污水系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行，油田注水水質(zhì)得到了有效保證。

表2 幾個(gè)方案的經(jīng)濟(jì)性與可操作性對(duì)比

4 結(jié)論

（1）通過能譜電鏡以及滴定法可以得知生產(chǎn)水中含有大量的氯離子與碳酸氫根離子；

（2）生產(chǎn)水中大量的氯離子與碳酸氫根離子與銅鎳合金中的銅離子起化學(xué)反應(yīng)是導(dǎo)致腐蝕的原因之一；

（3）陽離子型聚合氯化鋁與陽離子型聚合硫酸鋁中硫酸根離子會(huì)與銅離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；

（4）油田藥劑系統(tǒng)的生產(chǎn)開發(fā)具有特殊性，不僅要考慮藥劑處理效果，同時(shí)還要考慮油田水中離子成分的特殊性，是否對(duì)管線材質(zhì)產(chǎn)生腐蝕滲漏問題。

現(xiàn)場生產(chǎn)人員通過現(xiàn)場調(diào)查與理論分析，運(yùn)用腐蝕原理，找出了絮凝劑系統(tǒng)銅鎳合金腐蝕原因。非常經(jīng)濟(jì)有效的解決了注入管線滲漏問題。解決問題思路與方法對(duì)類似油田化學(xué)藥劑系統(tǒng)注入管線出現(xiàn)的滲漏問題的解決有借鑒作用。至于生產(chǎn)水是否會(huì)對(duì)其它材質(zhì)以及設(shè)備管線產(chǎn)生腐蝕，還需要進(jìn)一步的研究。