深水多相流動動態(tài)腐蝕評價系統(tǒng)的研究與應用

武峰山，劉劍，鐘康(渤海石油航務建筑工程有限責任公司，天津 300452)

0 引言

“深水多相流動動態(tài)腐蝕評價系統(tǒng)”是國家“十三五”重大專項項目28“海洋深水油氣田開發(fā)工程技術(shù)(三期)”的一項重要標志性成果，該系統(tǒng)設(shè)計壓力為7 MPa，設(shè)計溫度為0～150 ℃，是中海油研究總院聯(lián)合海油發(fā)展管道公司共建的國內(nèi)首個工業(yè)級別的高溫高壓腐蝕評價系統(tǒng)，旨在解決當前困擾近海及深水油氣田開發(fā)中的多相流動動態(tài)腐蝕問題，形成科學的腐蝕評價技術(shù)和控制對策。

1 系統(tǒng)概述

深水多相流動動態(tài)腐蝕評價系統(tǒng)包括：油供應系統(tǒng)、水供應系統(tǒng)、CO2供應系統(tǒng)、制冷介質(zhì)供應系統(tǒng)、化學藥劑注入單元、氮氣吹掃單元、電力供應單元、中等尺度多相腐蝕試驗管段、實驗介質(zhì)及水處理單元及排放系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)。整個系統(tǒng)的工藝流程如圖 1 所示。按照模塊化、集約化的原則，深水多相流動動態(tài)腐蝕評價系統(tǒng)中，多相流混輸腐蝕模擬模塊和氣相頂部腐蝕模擬模塊共享主要基礎(chǔ)設(shè)施和部分動力設(shè)備。

圖1 工藝流程圖

試驗系統(tǒng)的管道材質(zhì)為316L不銹鋼，管徑為114.3 mm，名義壁厚6.02 mm，設(shè)計溫度150 ℃，設(shè)計壓力7 MPa，最大流速：液相 5 m/s、氣相 10 m/s，輸送介質(zhì)可以為含 CO2、有機酸等的油、氣和水的混合物。試驗管段包含有水平管段，垂直向上管段，垂直向下管段，傾角分別為 2°、3°和 5°的傾斜管段，以及濕氣頂部腐蝕試驗管段，并在各管段上安裝有相應的監(jiān)檢測設(shè)備。

2 系統(tǒng)設(shè)備組成

系統(tǒng)設(shè)備包含動設(shè)備、靜設(shè)備、熱工設(shè)備、檢測設(shè)備、PLC控制系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)。

2.1 動設(shè)備

動設(shè)備主要為油、水、氣供應、循環(huán)設(shè)備，包含有補氣壓縮機、循環(huán)壓縮機、循環(huán)泵、油相循環(huán)泵、冷卻水泵、加藥泵、涼水塔等。

2.2 靜設(shè)備

靜設(shè)備主要為油、水、氣存儲、分離撬塊，污水收集撬塊，包含有水儲罐、油儲罐、補氣緩沖罐、氣液腐蝕分離器、高壓氣體緩沖罐等。

2.3 熱工設(shè)備

熱工設(shè)備主要用于油、氣、水進入系統(tǒng)時加熱到所需溫度，離開系統(tǒng)時降溫；包含有冷卻器、氣體換熱器、4臺電加熱器。

2.4 檢測設(shè)備

檢測設(shè)備主要為腐蝕檢測設(shè)備、輔助檢測設(shè)備；包含有腐蝕探針[1]、電化學測試LPR[2]、高壓內(nèi)窺鏡、流態(tài)檢測系統(tǒng)、高速攝像系統(tǒng)、TLC頂部腐蝕檢測系統(tǒng)等。其中自主研發(fā)的高壓內(nèi)窺鏡可以在溫度120 ℃、壓力3 MPa、3 m/s流速的嚴苛工作條件下，鏡體不發(fā)生晃動，能夠清晰分辨管道內(nèi)流體流動狀態(tài)。通過不同視角的內(nèi)窺鏡旋轉(zhuǎn)觀測，可以實現(xiàn)頂部冷凝狀況監(jiān)測和高氣液比流態(tài)監(jiān)測；自主研發(fā)的流態(tài)檢測系統(tǒng)可以在溫度120 ℃、壓力7 MPa的嚴苛工作條件下穩(wěn)定運行，并且能夠有效識別含水率0～100%、含油率0～100%、含氣率0～90%的各類流體流型，包括段塞流、波狀流、層流、泡狀流等流型；自主研發(fā)的高速攝像系統(tǒng)由高速攝像機、工控機(內(nèi)含軟件)、光照系統(tǒng)、鏡頭及高壓視鏡組成，拍攝管道內(nèi)流態(tài)與流態(tài)檢測系統(tǒng)比對。自主研發(fā)的TLC頂部腐蝕檢測系統(tǒng)用于濕天然氣的氣相緩蝕劑效果，此設(shè)備帶有可觀測內(nèi)部腐蝕的探頭。

2.5 PLC控制系統(tǒng)

系統(tǒng)由控制中樞PLC、監(jiān)控組態(tài)軟件、實驗設(shè)備等部分組成，共同完成控，制、報警和存檔等功能，見自控流程圖如圖2所示。

圖2 自控流程圖

2.6 電氣系統(tǒng)

低壓開關(guān)柜：選用GCS抽出式開關(guān)柜，每個回路配置通訊模塊，方便與就地盤信號傳輸，實現(xiàn)遠程自動控制。

電纜：電力電纜及控制電纜采用交聯(lián)聚乙烯絕緣電纜，埋地電纜為鋼帶鎧裝電纜。照明、接地按照規(guī)范要求配備。

3 系統(tǒng)功能

可模擬輸送介質(zhì)中含 CO2的濕氣、氣水和油氣水三相混輸海底管道，研究不同運行工況下、在不同結(jié)構(gòu)(立管、彎管、水平管段、傾斜管段)位置處的腐蝕速率(電感探針、LPR探針、腐蝕掛片)、腐蝕形貌、CO2含量、pH值、壁面剪切力、氣體露點以及腐蝕機制；

可模擬海底管道實際運行狀態(tài)下，不同緩蝕劑加注方式、加注濃度條件下，海管內(nèi)部結(jié)構(gòu)位置處的腐蝕速率變化情況，評價緩蝕劑在海管內(nèi)實際流動狀態(tài)下的對海管內(nèi)部延緩腐蝕效果，也可擴展用于殺菌劑、防垢劑等藥劑的動態(tài)評價；

作為基礎(chǔ)試驗平臺，通過定制的試驗設(shè)計、裝置開發(fā)和改造，實現(xiàn)更多的試驗功能(如：管道新材料/新工藝/新技術(shù)的方案驗證、中試試驗、可靠性檢驗，例如定制試驗管段后可開展海管內(nèi)涂層及節(jié)點補口技術(shù)在實際工況下耐輸送介質(zhì)作用的可靠性檢驗；定制試驗管段后進行海管漏點修復新材料/新技術(shù)的可靠性檢驗)。

4 能耗

主要能耗為電力、自來水、氮氣和二氧化碳等，最大電耗：10 824 kW·h/d，油耗 0～1.5 t/次，水耗：24 t/d，氮氣用量：0～1 000 Nm3/次，二氧化碳用量： 0～800 Nm3/次。

實驗運行過程中主要能耗來源于三部分：(1)壓縮機、泵、電加熱器、涼水塔、自控系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、電伴熱等設(shè)備用電；(2)冷卻用循環(huán)水；(3)實驗用白油、N2、CO2、水源。

5 廢氣、廢液排放

腐蝕評價系統(tǒng)的廢氣排放主要來自各個容器的安全閥、呼吸閥的排放以及揮發(fā)的氣體，其中高壓氣體緩沖罐安全閥按照堵塞工況考慮，泄放量最大，泄放量為10 000 Nm3/h。

腐蝕評價系統(tǒng)的廢液主要來自試驗污水、污油以及清洗廢水。其中污水、清洗廢水排放至污水收集罐，陶瓷膜過濾合格后排放；污油排放至污水收集罐，未添加化學藥劑的油品回收至油儲罐，添加化學藥劑的油品返回油化公司集中處理。

6 結(jié)語

深水多相流動動態(tài)腐蝕評價系統(tǒng)依托海油發(fā)展管道公司塘沽基地建設(shè)，將圍繞困擾近海及深水油氣田開發(fā)中的多相流動動態(tài)腐蝕等巨大挑戰(zhàn)，立足自主創(chuàng)新，從理論、創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)和現(xiàn)場應用技術(shù)等方面入手，穩(wěn)步攻破制約海上油氣田安全開發(fā)和運行的流動安全技術(shù)難題。

深水多相流動動態(tài)腐蝕評價系統(tǒng)是具有海洋石油特色的“國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進、開放流動”的深水多相流實驗平臺。利用平臺，開展針對油氣田多相動態(tài)腐蝕的系統(tǒng)研究，形成科學的評價技術(shù)和控制對策，解決制約海上油氣田安全開發(fā)和運行的流動安全技術(shù)瓶頸，為保障我國海上油氣田的安全運行提供技術(shù)手段和技術(shù)支撐。