某海底混輸管線內(nèi)腐蝕評估方法研究

陳 波 羅立輝

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司深水工程建設(shè)中心，廣東 深圳 518000；2. 安科（北京）工程技術(shù)研究院有限公司，北京 102209）

0 引言

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展離不開油氣能源的供應(yīng)，隨著鉆采技術(shù)的進(jìn)步，海上油氣開采比重在逐年的增加，鋪設(shè)在海底的管道面臨非常惡劣的服役環(huán)境，一旦失效泄露會造成非常嚴(yán)重的后果，不僅造成經(jīng)濟(jì)損失，更重要的是污染海洋，破壞生態(tài)環(huán)境。因此，如何科學(xué)檢測、評價(jià)海上服役管道的安全運(yùn)行是目前亟需解決的問題[1]。

管道內(nèi)腐蝕直接評估方法近年來已成為管道腐蝕管理的重要手段，該技術(shù)因無清管限制、不停輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用，同時(shí)該方法綜合考慮了輸送介質(zhì)組分及流體狀態(tài)等因素的影響，通過篩選和建立科學(xué)的多相流模型、腐蝕評估模型、腐蝕速率預(yù)測模型等[2]，進(jìn)行模擬分析獲取可能存在腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域，以確定管道完整性狀況。本文基于NACE SP0116-2016[3]MP-ICDA標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)測管道的內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置，結(jié)合目標(biāo)海管混輸實(shí)例，解析在輸送介質(zhì)為多相混輸，并含有較高的CO2及少量H2S等腐蝕性介質(zhì)的情況下管道內(nèi)腐蝕情況及其剩余服役壽命評價(jià)方法，并與內(nèi)檢測結(jié)果互相驗(yàn)證，從而為無法內(nèi)檢測或詳細(xì)檢查的管道提供科學(xué)的評價(jià)工具，為保障管道的安全運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐。

管道內(nèi)腐蝕直接評估過程包含4個(gè)步驟，即預(yù)評價(jià)（Pre-Assessment）、間接檢測（Indirect Inspection）、詳細(xì)檢查（Detailed Examination）和后評價(jià)（Post Assessment）[4]。

1 預(yù)評估

多相流管道內(nèi)腐蝕直接評估預(yù)評估的主要工作是收集管道歷史和當(dāng)前的運(yùn)行參數(shù)，包括目標(biāo)管線的高程數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、工藝流程、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、監(jiān)測和檢測數(shù)據(jù)、藥劑使用記錄、維修和維護(hù)歷史，以及與管道完整性管理相關(guān)的資料等。數(shù)據(jù)可從管道的設(shè)計(jì)資料、運(yùn)行維護(hù)記錄、氣液分析報(bào)告、檢測報(bào)告等資料中收集得到，根據(jù)收集數(shù)據(jù)判斷多相流管道內(nèi)腐蝕直接評估的可行性。

1.1 數(shù)據(jù)收集

根據(jù)對目標(biāo)海管調(diào)研獲取管道的各項(xiàng)參數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場的檢測報(bào)告獲知，管道氯離子（Cl-）含量在16631～20701mg/L，重碳酸鹽（HCO3-）離子含量在276～412.29mg/L，檢測水樣pH范圍6.87～7.7，海管設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

1.2 腐蝕性氣體信息

CO2和H2S含量是識別目標(biāo)管道內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行內(nèi)腐蝕直接評估以及預(yù)測腐蝕發(fā)展趨勢的重要因素。對海管氣質(zhì)組分進(jìn)行腐蝕性氣體分析檢測，結(jié)果如表2所示，入口CO2含量為13.572%，H2S含量為25ppm，出口CO2含量為46.449%，H2S含量為50ppm，腐蝕性氣體含量較高。

1.3 微生物信息

在無氧或極少氧情況下，硫酸鹽還原菌（SRB）能利用金屬表面的有機(jī)物作為碳源，并利用細(xì)菌生物膜內(nèi)產(chǎn)生的氫，將硫酸鹽還原成硫化氫，從氧化還原反應(yīng)中獲得生存的能量。對于管道而言，對硫酸鹽還原菌數(shù)量開展測試，能夠從側(cè)面表征管道所面臨的細(xì)菌腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

表1 目標(biāo)海管的設(shè)計(jì)參數(shù)

表2 目標(biāo)管道海管入口和出口氣質(zhì)組分分析

目標(biāo)管道于2016年在入口和出口進(jìn)行了SRB檢測，結(jié)果如表3所示，此次檢測SRB數(shù)量為70個(gè)/mL。對細(xì)菌腐蝕風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分級：（1）輕度：未檢出SRB細(xì)菌；（2）中度：0＜SRB數(shù)量≤100個(gè)/mL；（3）重度：100＜SRB數(shù)量≤5000個(gè)/mL；（4）極重度：SRB數(shù)量＞5000個(gè)/mL。因此，當(dāng)前目標(biāo)管道SRB腐蝕風(fēng)險(xiǎn)為中度。

表3 目標(biāo)管道SRB檢測結(jié)果

目標(biāo)管道殺菌劑的添加與清管一起進(jìn)行，時(shí)間周期約為每季度一次，結(jié)合SRB的檢測結(jié)果，表明目標(biāo)管道存在細(xì)菌腐蝕風(fēng)險(xiǎn)但SRB沉積風(fēng)險(xiǎn)較低。

綜合分析了目標(biāo)管線的相關(guān)數(shù)據(jù)與記錄，根據(jù)目標(biāo)管道的基本情況，油氣介質(zhì)中主要包含13%～46.4%的CO2，25～50ppm的H2S，是管道內(nèi)腐蝕的主要腐蝕劑來源。根據(jù)管道介質(zhì)中CO2和H2S含量的測試和計(jì)算結(jié)果，CO2：H2S的分壓比大于500，腐蝕過程屬于典型的CO2控制，H2S的存在可能對于腐蝕速率和壁厚減薄過程產(chǎn)生一定緩解作用，使管道內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)低于僅含有CO2的類似管道。因此，目標(biāo)管道的風(fēng)險(xiǎn)評估重點(diǎn)是CO2-微量H2S腐蝕造成的管壁減薄風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)管道產(chǎn)量和含水率變化情況，進(jìn)行更為細(xì)致的時(shí)間分區(qū)。在本次評估中在服役時(shí)間上進(jìn)一步分為三個(gè)階段予以考慮。

2 間接檢測

通過多相流模型預(yù)測管道內(nèi)部輸送介質(zhì)的流態(tài)變化，并依據(jù)輸送介質(zhì)流態(tài)的變化確定內(nèi)腐蝕直接評估子區(qū)，進(jìn)而對各子區(qū)內(nèi)的腐蝕速率評判預(yù)測，并基于腐蝕速率計(jì)算得到管道的壁厚損失百分比，預(yù)測管道最有可能發(fā)生內(nèi)腐蝕的位置。

多相流介質(zhì)管道內(nèi)腐蝕直接評估間接檢測的主要評估步驟如下：間接檢測評估流程如圖1所示。

圖1 檢測評估流程

2.1 目標(biāo)管道實(shí)際傾角計(jì)算

根據(jù)NACE SP0 206-2006[5]推薦做法，管道傾角θ通常是按照度數(shù)或弧度給出的，傾角的正弦值表示管道高程Δh相對管道長度Δl的變化。用傾角的反正弦值來表示一定長度管道的高程變化：

式中Δh為高程的變化量；Δl為距離變化。

所求的傾角單位為弧度，將其轉(zhuǎn)化為角度：

計(jì)算求得目標(biāo)管道實(shí)際隨里程變化，如圖2所示。針對本次評估管道，根據(jù)實(shí)際需求和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐情況，里程上的腐蝕評估分段方式采用每50m選取一個(gè)評估點(diǎn)，置信區(qū)間為±50m。

圖2 目標(biāo)海管里程-高程

2.2 關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素

2.2.1 壁厚損失

（1）流態(tài)模擬

利用CO2/H2S軟件對目標(biāo)管道三個(gè)時(shí)間分區(qū)分別進(jìn)行流態(tài)模擬，如圖3～圖5所示。其中第二時(shí)間分區(qū)分為較低輸氣量和較高輸氣量兩種工況條件分別考慮。分析流態(tài)沿里程變化，自管道服役至今，目標(biāo)管道流態(tài)以斷塞流為主；在第二時(shí)間分區(qū)輸氣量較低階段，海管在KP 0～5km范圍以分層流為主；

圖3 目標(biāo)管道第一時(shí)間分區(qū)沿里程流態(tài)變化

圖4 目標(biāo)管道第二時(shí)間分區(qū)沿里程流態(tài)分布

圖5 目標(biāo)管道第三時(shí)間分區(qū)沿里程流態(tài)分布

（2） 腐蝕速率預(yù)測

腐蝕預(yù)測模型發(fā)展至今可分為經(jīng)驗(yàn)型、半經(jīng)驗(yàn)型和理論型。經(jīng)驗(yàn)型以實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)為依據(jù)總結(jié)出來的模型；半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪悄壳皯?yīng)用較多的一種預(yù)測模型，其先建立簡單的具有一定物理意義的機(jī)理模型表達(dá)式，然后對其他未知參數(shù)進(jìn)行類似經(jīng)驗(yàn)型腐蝕速率預(yù)測模型建立時(shí)采用與實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合來得到最終的模型表達(dá)式；理論型預(yù)測模型根據(jù)現(xiàn)有對腐蝕過程中的化學(xué)、電化學(xué)、物質(zhì)轉(zhuǎn)換、熱力學(xué)等的認(rèn)知，通過建立數(shù)學(xué)表達(dá)式的方式計(jì)算得到預(yù)測腐蝕速率模型。半經(jīng)驗(yàn)型模型中以SHELL公司的de Waard模型[6]應(yīng)用最為廣泛，在de Waard模型的基礎(chǔ)上，各個(gè)大的石油公司以及科研機(jī)構(gòu)都作出了自己的半經(jīng)驗(yàn)型預(yù)測模型，這其中有名的有BP公司的Cassandra模型，Intertech公司的ECE模型和InterCorr International的Predict模型等[7]。

在本試驗(yàn)中利用ECE專業(yè)模擬軟件，對目標(biāo)管道進(jìn)行腐蝕速率沿線預(yù)測。如圖6～圖8所示。

根據(jù)評估原則，對于第一時(shí)間分區(qū)管道，根據(jù)目標(biāo)管道的典型生產(chǎn)工藝參數(shù)及腐蝕因子檢測報(bào)告表明：管線的腐蝕速率的范圍為：0.35～0.77mm/a。

圖6 目標(biāo)管道第一時(shí)間分區(qū)沿里程腐蝕速率預(yù)測結(jié)果（ECE）

對于第二時(shí)間分區(qū)，根據(jù)目標(biāo)管道的典型生產(chǎn)工藝參數(shù)及腐蝕因子檢測報(bào)告獲得CO2和H2S含量的代表參數(shù)。腐蝕預(yù)測結(jié)果顯示：在較低輸氣量階段，管線的腐蝕速率范圍為0.31～0.49mm/a；在較高輸氣量階段，腐蝕速率范圍為0.32～0.52mm/a。

圖7 目標(biāo)管道第二時(shí)間分區(qū)（較低氣量）沿里程腐蝕速率預(yù)測結(jié)果（ECE）

對于第三時(shí)間分區(qū)，根據(jù)目標(biāo)管道的典型生產(chǎn)工藝參數(shù)及現(xiàn)場檢測獲取的腐蝕性介質(zhì)含量。腐蝕預(yù)測結(jié)果表明：管線的腐蝕速率的范圍為：0.51～0.94mm/a。

圖8 目標(biāo)管道第三時(shí)間分區(qū)沿里程腐蝕速率預(yù)測結(jié)果（ECE）

2.2.2 固體積聚風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測

對于油水/油氣水混輸管道的內(nèi)腐蝕直接評估，判斷是否存在固體積聚的風(fēng)險(xiǎn)是標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定的必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。而一旦管道內(nèi)出現(xiàn)固體積聚，往往會誘發(fā)管道內(nèi)部產(chǎn)生垢下腐蝕。因此，借助適宜的多相流模型對油氣水三相介質(zhì)固體積聚情況進(jìn)行模擬，對于多相流混輸介質(zhì)管道內(nèi)腐蝕直接評估至關(guān)重要，然而由于混輸介質(zhì)管道的內(nèi)腐蝕直接評估起步較晚，目前現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)中并沒有明確給出混輸介質(zhì)固體積聚預(yù)測的推薦方法和模型，目標(biāo)管道輸送介質(zhì)中氣體的存在會顯著增大多相流體中水相和管壁間歇接觸的幾率，同時(shí)也會有利于固相顆粒的流動(dòng)。因此出于保守和簡化計(jì)算的目的，可以將介質(zhì)簡化為油水兩相。

參考NACE SP0208-2008[8]液體石油管道內(nèi)腐蝕直接評估標(biāo)準(zhǔn)提出的油水兩相分層流模型，對本次評估的目標(biāo)管道進(jìn)行固體積聚風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)。在兩相分層流模型中，油相在管道頂部流動(dòng)，水相在管道底部流動(dòng)，如果砂沉積速率小于原位水流速時(shí)，就會發(fā)生固體沉積。對于目標(biāo)管道中可能出現(xiàn)的段塞流流態(tài)，相對于分層流，其固體顆粒沉積的可能性更低。因此，采用分層流來預(yù)測管道內(nèi)實(shí)際流態(tài)下固相積聚風(fēng)險(xiǎn)更為保守。

計(jì)算原位水流速度的目的是識別水相（或液滴）能否進(jìn)入碳烴相，對可能的局部積聚位置進(jìn)行識別和檢查。在可能的積聚位置，水相相對流速接近0，發(fā)生積聚，內(nèi)腐蝕可能性增加。

根據(jù)NACE SP0208-2008標(biāo)準(zhǔn)推薦的模型和公式，計(jì)算目標(biāo)管道在三個(gè)時(shí)間分區(qū)的原位水流速，如圖9～圖11所示。由于目標(biāo)管道運(yùn)行期間流速整體較高，而坡度較小，因此在三個(gè)時(shí)間分區(qū)內(nèi)，未出現(xiàn)水流速接近于0的位置，即目標(biāo)管線固體積聚風(fēng)險(xiǎn)較低。

圖9 目標(biāo)管道第一時(shí)間分區(qū)原位水流速

圖10 目標(biāo)管道第二時(shí)間分區(qū)原位水流速

圖11 目標(biāo)管道第三時(shí)間分區(qū)原位水流速

2.3 管道風(fēng)險(xiǎn)位置預(yù)測

按照NACE SP0116-2016標(biāo)準(zhǔn)，管道內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)位置主要包含以下幾類：（1）管道各評估子區(qū)內(nèi)部預(yù)測腐蝕速率結(jié)果高于評估子區(qū)內(nèi)預(yù)測腐蝕速率平均值的位置；（2）管道內(nèi)腐蝕評估子區(qū)間介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)發(fā)生突變的位置；（3）固體積聚和細(xì)菌滋生易于發(fā)生的位置。

通過對各時(shí)間分區(qū)的腐蝕速率、介質(zhì)流動(dòng)狀態(tài)以及固體聚集等因素的探究，除子區(qū)內(nèi)腐蝕速率大于平均值的位置以外，還要考慮子區(qū)間流態(tài)發(fā)生突變的位置，待評管段除第二時(shí)間分區(qū)較低氣量情況外，管道沿線流態(tài)大部分為段塞流，而段塞流內(nèi)腐蝕是多相混輸管道的主要腐蝕形式和破壞因素之一[9]。因而，流態(tài)由分層流向段塞流轉(zhuǎn)變的位置風(fēng)險(xiǎn)相對更高。綜合三個(gè)時(shí)間分區(qū)的流態(tài)突變位置預(yù)測結(jié)果，出現(xiàn)有流態(tài)由分層流向段塞流轉(zhuǎn)變的位置即為潛在的內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置

綜合腐蝕和流態(tài)預(yù)測結(jié)果，綜合考慮腐蝕和流態(tài)突變兩個(gè)方面，對內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置進(jìn)行預(yù)測，結(jié)果如表4所示。可以看出，腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置主要集中于管道前段。

3 剩余壽命評價(jià)與再評估周期

目標(biāo)管道為海底管道，采用雙層管結(jié)構(gòu)，尚未進(jìn)行過詳細(xì)檢查工作，因而不能掌握管道實(shí)際的腐蝕速率和實(shí)際缺陷尺寸。因此結(jié)合軟件預(yù)測的腐蝕速率，估算管道的剩余壽命。

根據(jù)NACE Pipeline Corrosion Intergrity Management的推薦做法，計(jì)算管道剩余壽命（RL）應(yīng)取失效前時(shí)間（TF）和泄漏前時(shí)間（TL）以及管道設(shè)計(jì)壽命中的較小值[10]。

表4 目標(biāo)管道內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置

式中：

TF：失效前時(shí)間；TL：泄漏前時(shí)間；C：校準(zhǔn)系數(shù)，無因次；t：公稱壁厚，英寸。

OD：外徑，英寸；d：腐蝕深度，英寸；GR：腐蝕發(fā)展速率，英寸/年。

根據(jù)ASME B31G-2009，管道失效壓力可按照以下公式進(jìn)行計(jì)算。

其中，D：外徑；L：缺陷長度；d：缺陷深度；t：管道壁厚；M：FoLias系數(shù)；Sflow：流變應(yīng)力，取（SMYS+69）MPa；SF：管道失效應(yīng)力。

假設(shè)缺陷均勻生長，即缺陷長度=2*缺陷深度。依據(jù)ECE軟件的預(yù)測結(jié)果，當(dāng)前海管的腐蝕速率在0.51～0.94mm/a范圍，累計(jì)壁厚減薄為1.86～3.67mm，假設(shè)缺陷長度=2*缺陷深度，根據(jù)公式計(jì)算剩余壽命為12.3～22.7年。結(jié)合ASME B31.8S-2010[11]和API 1160[12]對于再評估周期的規(guī)定進(jìn)行判斷。估算海管剩余壽命仍不超過海管的設(shè)計(jì)壽命10年，再評估周期不超過5年但考慮到并未掌握到海管實(shí)際缺陷尺寸和腐蝕速率，同時(shí)結(jié)合海管設(shè)計(jì)壽命為10年，因此目標(biāo)管道剩余壽命不應(yīng)超過海管設(shè)計(jì)壽命，仍為10年。

4 內(nèi)檢測驗(yàn)證

對目標(biāo)管道進(jìn)行內(nèi)檢測，檢測結(jié)果如圖12所示，可以看出，內(nèi)檢測圖中缺陷位置集中分布于縱軸六點(diǎn)鐘方向，表明該管道的腐蝕基本集中于管道環(huán)向六點(diǎn)鐘方向，這與腐蝕預(yù)測完全匹配，并且缺陷位置在管道前段更為集中，這與預(yù)測的腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分布基本吻合；從圖中可以看出缺陷壁厚損失主要為1.59～3.021mm，除此之外，內(nèi)檢測結(jié)果顯示在管道1.5～2.0km區(qū)間內(nèi)，有腐蝕深度3.18～4.611mm的缺陷存在，但未超過管道腐蝕余量，這與模型ECE計(jì)算出的損失壁厚較為吻合。

圖12 內(nèi)檢測缺陷位置分布

5 結(jié)論

（1）通過MP-ICDA及腐蝕預(yù)測模型ECE對目標(biāo)海管的內(nèi)腐蝕進(jìn)行了評估預(yù)測，結(jié)果表明：目標(biāo)海管的腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置，腐蝕速率以及壁厚損失等預(yù)測結(jié)果與內(nèi)檢測試驗(yàn)結(jié)果相比基本吻合，該預(yù)測模型能良好的對管道的腐蝕狀態(tài)做出評估；

（2）結(jié)合ASME B31.8S-2010和API 1160對于再評估周期的規(guī)定進(jìn)行判斷。估算海管剩余壽命仍不超過海管的設(shè)計(jì)壽命10年，再評估周期不超過5年。