基于多相流模擬的原油輸送管道內(nèi)腐蝕預(yù)測(cè)分析

孫中澤

（西安石油大學(xué)，陜西 西安 710065）

某些礦物質(zhì)離子的流體經(jīng)常存在于油田和天然氣產(chǎn)品中，很容易導(dǎo)致形成碳酸鈣和碳酸鎂等結(jié)垢物質(zhì)。水垢腐蝕產(chǎn)物的碳酸鹽和其它雜質(zhì)沉積形成在各種管道中，并在不同程度和形式上發(fā)生管道腐蝕。

在石油及天然氣開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，煤炭煤氣或天然氣油田往往包含一定數(shù)量的二氧化碳?xì)怏w，這是油田和天然氣輸送管道表面腐蝕的重要原因。原油輸送管道的內(nèi)腐蝕可以造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的環(huán)境污染。造成中國(guó)的石油和天然氣田含有高水平的二氧化碳，由于二氧化碳的腐蝕發(fā)生損傷的例子很多。例如，早期開(kāi)采的北部老山丘結(jié)構(gòu)的二氧化碳含量為4.2%，經(jīng)過(guò)一年多的運(yùn)行，3口高產(chǎn)油井的油管因嚴(yán)重腐蝕而報(bào)廢；北方油田58口井的二氧化碳含量為4.2%，一年半后，N80管被廢棄，最終導(dǎo)致油井停產(chǎn)；雅哈氣田于2000年投產(chǎn)，二氧化碳含量在0.6%～1%，自2002年以來(lái)，地面管道多次鉆孔和泄漏；塔里木盆地北部氣田的二氧化碳含量在2.31%～6.27%，經(jīng)過(guò)16個(gè)月的生產(chǎn)，距離井口150m的流水線和輸送管道受到嚴(yán)重腐蝕；等等。腐蝕產(chǎn)生后果有許多，如管道破裂、穿孔和管壁厚度減小等等。隨著管道使用壽命的延長(zhǎng)，產(chǎn)生的氣體含水率增加，腐蝕環(huán)境逐漸惡化，腐蝕沿管道延伸。每個(gè)管道截面的平均腐蝕速率可達(dá)0.79 mm／年。

為了避免意外情況發(fā)生和防腐措施的需要，有必要提前考慮二氧化碳的腐蝕，然后預(yù)測(cè)二氧化碳腐蝕速率，以便提供早期預(yù)警和保證生產(chǎn)油田和天然氣管道運(yùn)輸?shù)恼＿\(yùn)行。

1 腐蝕計(jì)算軟件及模型

1.1 OLGA腐蝕模型

OLGA軟件是世界一流的動(dòng)態(tài)多相流仿真及計(jì)算軟件。目前，OLGA軟件腐蝕模塊主要包括Norsok M-506模型、De Waard 95模型和IFE頂部腐蝕模型。

Norsok M-506模型和DW 95模型是更保守的模型，因?yàn)橹豢紤]對(duì)衰變生成物膜的部分抑制。在這兩個(gè)模型中，在限定的溫度范圍內(nèi)，隨著溫度上升腐蝕速度增加，直到溫度上升導(dǎo)致腐蝕生成物的形成。無(wú)論哪一種模型都包含大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，Norsok M-506模型比DW 95模型更注意高溫及低pH環(huán)境下的腐蝕生成物膜。

本文使用OLGA軟件腐蝕模塊來(lái)建模和模擬流水線。該模型考慮了工作壓力、平均溫度、平均流量及流量條件的變化，以及沿管道腐蝕速度的變化?？梢允褂酶g模塊來(lái)計(jì)算下列pH值：不含腐蝕生成物的凝縮水，飽和碳酸鐵凝縮水，以特定碳酸鹽濃度形成的水。以下主要采用Norsok M-506模型和Waard 95模型，采用普金氣田的裝配線作為原型，建立計(jì)算流量和腐蝕率的電腦化輸油管道模型。

1.2 管道參數(shù)

本文以我國(guó)某原油輸送管道為原型進(jìn)行建模，管道所在的區(qū)域是高原和盆地之間的過(guò)渡區(qū)域，它受到沿線地質(zhì)構(gòu)造和巖石的影響。管道內(nèi)不同位置的流動(dòng)狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化，表現(xiàn)為各種流體流動(dòng)。

1.3 介質(zhì)參數(shù)

這條管道是氣田收集和輸送的管道，用于石油和天然氣的混合輸送。混合物中含有大量的二氧化碳和重質(zhì)碳?xì)浠衔?。在腐蝕計(jì)算的例子中，油和氣體的混合物的含水率設(shè)定為10%，使用PVTsim來(lái)定義組成。生成相應(yīng)的流文件。這個(gè)管道的入口溫度是40℃，輸出壓力為6MPa，流量是30 kg／s。管道周圍環(huán)境溫度為25℃、土壤溫度和管道中沒(méi)有添加緩蝕劑。

2 二氧化碳內(nèi)腐蝕影響因素分析

由于研究的對(duì)象是多相流動(dòng)，壓力和溫度的變化對(duì)流動(dòng)模式的變化有很大的影響。因此，在研究單一影響因素時(shí)，必須建立一個(gè)簡(jiǎn)單的模型，以確保設(shè)計(jì)參數(shù)的變化不會(huì)導(dǎo)致流動(dòng)模型的重大變化。

2.1 溫度的影響

簡(jiǎn)單的分析表明，水平原油輸送管道可能有層流，而向上傾斜的原油輸送管道可能有淤泥流。為了保證研究的可比性，分別考慮了兩種流動(dòng)模式下管道的腐蝕程度。將二氧化碳的摩爾分?jǐn)?shù)設(shè)置為0.5%。利用管道模型的計(jì)算，不同溫度下原油輸送管道流量模型的分布是相同的。溫度的變化并沒(méi)有改變管道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)。選擇管道入口50m（層流）和150m（淤泥流）的兩個(gè)位置來(lái)研究腐蝕速率隨溫度的變化。用NORSOK模型計(jì)算出的腐蝕速度，無(wú)論是在層流下的管段還是在流內(nèi)，都比用De Waard模型計(jì)算出的腐蝕速度高。腐蝕速率計(jì)算模型NORSOK溫度增加時(shí)出現(xiàn)的趨勢(shì)，先下降然后上升達(dá)到頂峰，溫度60℃左右；當(dāng)De Waard模型使用線性相關(guān)，腐蝕速率隨著溫度升高并達(dá)到最高溫度計(jì)算 （90℃左右），腐蝕速率也最高。

2.2 管徑的影響

在研究管道直徑變化對(duì)腐蝕率的影響時(shí)，需要確認(rèn)管道直徑的變化不會(huì)對(duì)流模造成太大的影響。變更排氣管直徑的溫度系數(shù)的計(jì)算使用上一節(jié)的定義。排氣管的直徑為0.3、0.4、0.5、0.6及0.7m，二氧化碳分壓的0.1%，解決了輸入排氣管道的溫度在30℃，輸出壓力為6 MPa，混合物的含水量是1%。當(dāng)管道系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，觀察管道直徑不同時(shí)的流圖分布。計(jì)算結(jié)果表明，無(wú)論是層流還是擁塞流，管道直徑的增大都會(huì)導(dǎo)致管道腐蝕速率的降低。事實(shí)上，管道的入口流量保持不變，管道直徑的增加會(huì)減少氣體。液體介質(zhì)的流動(dòng)反過(guò)來(lái)又導(dǎo)致腐蝕速率總體呈下降趨勢(shì)。同樣，NORSOK模型計(jì)算的腐蝕速率較高，De Waard模型計(jì)算的腐蝕速率對(duì)管道直徑的變化更為敏感。

2.3 二氧化碳分壓的影響

在溫度對(duì)原油數(shù)中修正管路模型時(shí)，將主要變量二氧化碳分壓設(shè)置為為：0.1%，0.2%，0.3%，0.4%，0.5%，0.6%，0.7%，0.8%。在規(guī)定的條件下，二氧化碳分壓的變化不影響原油管道流量模型的分布，即水平截面為層流，下降部分是泥漿流，拐點(diǎn)是帶有流動(dòng)過(guò)渡管截面的層流。為了確保參數(shù)的可比性，在管道入口選擇了50m（層流）和150m（泥流）兩個(gè)位置。在層流管線中，隨著二氧化碳分壓的增加，以兩個(gè)模型計(jì)算的管線腐蝕率直線上升，變化規(guī)律比較一致。同樣，NORSOK模型的計(jì)算結(jié)果比De Waard的計(jì)算結(jié)果高出約1mm／a。二氧化碳的分壓越高，兩者的差距就越大。

在稠密流動(dòng)的情況下，隨著二氧化碳的分壓增加，由兩個(gè)模型計(jì)算出的管道腐蝕率直線增加，變化規(guī)律比較一致。二氧化碳的分壓變高的話，兩個(gè)模型的計(jì)算結(jié)果的差距就會(huì)變大，最小差距可能達(dá)到1mm／a，最大差距可能達(dá)到約3.5 mm／a。同時(shí)，在距離管口110m的位置產(chǎn)生污泥流。在各種分壓下，最大腐蝕率出現(xiàn)在管道入口的114m處，表明整個(gè)管道的最大腐蝕率出現(xiàn)在擁塞流模型中。比宇宙擁擠流的位置稍晚一些。

2.4 原油輸送管道傾角的影響

首先，分析了層流下管道傾角對(duì)腐蝕速率的影響。先前采用的管道模型進(jìn)一步修改，以確保管道段的層流向上 （或向下），并將管道出口壓力降低到1MPa。將管道的波紋傾角設(shè)置為0°、±5°、±10°等。Norsok模型計(jì)算的傾斜原油管道腐蝕速率分布、向下傾斜的原油輸送管道的腐蝕速率高于向上傾斜的原油輸送管道的腐蝕速率。以傾斜管上部（距管口150m）的中心點(diǎn)為例，當(dāng)管的傾斜面開(kāi)始變大時(shí)，腐蝕速度就會(huì)慢慢降低。達(dá)到10°傾斜角度也繼續(xù)上升，腐蝕速度慢慢地上升，最終不變化，第一水平的下降后開(kāi)始恢復(fù)。

3 基于風(fēng)險(xiǎn)分析的腐蝕位置確定

風(fēng)險(xiǎn)分析方法用于分析第二節(jié)油田輸油管的位置。沿著管道獲取各種流參數(shù)后，可以確定沿管道的各個(gè)地方的腐蝕損傷概率。腐蝕風(fēng)險(xiǎn)值可以用下式計(jì)算。腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)＝腐蝕的默認(rèn)概率×默認(rèn)的結(jié)果，腐蝕，風(fēng)險(xiǎn)的分配，可以根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)的程度，從沿著二氧化碳腐蝕管道的各種地方取得，需要詳細(xì)的檢查。

在各種管道操作和環(huán)境中，在計(jì)算腐蝕風(fēng)險(xiǎn)時(shí)需要考慮各種參數(shù)。如果輸油管中有水和二氧化碳的薄膜，就有可能發(fā)生腐蝕。水膜的滯留時(shí)間，可以通過(guò)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)的水膜率來(lái)推測(cè)。對(duì)于各種各樣的操作參數(shù)來(lái)說(shuō)，隨著時(shí)間的推移，流水線有可能變短、中度、變長(zhǎng)。各參數(shù)的風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算采用了相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)。也就是說(shuō)，在考慮水膜速度的情況下，將與最大速度對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)設(shè)定為0，將最小風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)設(shè)定為100。腐蝕速度和侵蝕速度的比率，最大值對(duì)應(yīng)于風(fēng)險(xiǎn)水平，最小值對(duì)應(yīng)于風(fēng)險(xiǎn)水平，等級(jí)是0。根據(jù)這個(gè)，可以計(jì)算出管道各計(jì)算節(jié)點(diǎn)的腐蝕靈敏度分布。

4 結(jié)論

OLGA軟件的腐蝕模塊可以計(jì)算和預(yù)測(cè)二氧化碳在多相管道中的內(nèi)部腐蝕。二氧化碳管道的腐蝕率受到很多因素的影響。多相管線的腐蝕率隨著管線直徑的增加，二氧化碳的分壓和管線工作壓力的增加而增加。插頭管道的二氧化碳腐蝕率比層流管道的要高。當(dāng)輸油管道是層流，原油運(yùn)輸?shù)阶陨隙碌膬A角是比原油輸送管道腐蝕向上傾斜率越高，其中，當(dāng)流水線俯沖，腐蝕率波動(dòng)是隨著時(shí)間的推移和科管道腐蝕率向上傾斜的本質(zhì)不變；在此基礎(chǔ)上，采用直接評(píng)價(jià)多相管道腐蝕和腐蝕風(fēng)險(xiǎn)分析的方法，對(duì)可能發(fā)生腐蝕的管道位置進(jìn)行預(yù)測(cè)。