海水環(huán)境下的三種管柱用管材腐蝕規(guī)律研究

李海彬，楊志恒，郝大輝

（1.中海石油（中國）有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524057；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)湛江分公司，廣東 湛江 524057）

注水管柱的選擇對于提高海上油氣井的運行安全、延長其運行周期至關(guān)重要[1]。然而由于我國南海海域海水的極端特殊性，部分海上油氣井生產(chǎn)一段時間后，其注水管柱就出現(xiàn)了明顯的腐蝕問題。經(jīng)過專業(yè)人員分析認(rèn)為，這主要是由于注水管柱的管材選擇不合適引起的。因此，通過相應(yīng)實驗明確注水管柱管材海水腐蝕規(guī)律很有必要。通過對海水環(huán)境下的三種管柱用管材腐蝕規(guī)律研究，為注水管柱優(yōu)選提供了精準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)。

1 管材腐蝕速率實驗流程

1.1 實驗?zāi)康?/h3>

通過動態(tài)腐蝕實驗，模擬現(xiàn)場注海水對海上油氣井注水管柱常用的三種不同材質(zhì)試片的腐蝕影響，為中國海洋石油潿洲海域海上油氣井注水管柱選材提供實驗參考數(shù)據(jù)。

1.2 實驗參考標(biāo)準(zhǔn)

腐蝕性分級標(biāo)準(zhǔn)按照國際國內(nèi)通用的腐蝕性分級標(biāo)準(zhǔn)，其中對于油田系統(tǒng)應(yīng)用的管道及儲罐內(nèi)介質(zhì)的腐蝕性分級標(biāo)準(zhǔn)來說，我國國家標(biāo)準(zhǔn)與美國腐蝕工程師協(xié)會（NACE）制定的油田生產(chǎn)中腐蝕試片的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)相同，在海上油氣井作業(yè)領(lǐng)域通用NACE標(biāo)準(zhǔn)。

1.3 實驗參數(shù)

實驗用腐蝕介質(zhì)為北部灣潿洲海域海水，三種類型管材分別為原材料試片、A+B試片、A+銅+B試片，飽和壓力為15 MPa，共四組腐蝕速率實驗，其中一組溫度為90℃，三組溫度為80℃，流速為1 m/s，見表1。

表1 注水管柱用的三種類型管材腐蝕速率實驗

1.4 實驗步驟

1）試片準(zhǔn)備。實驗前，清洗試樣并脫脂。分別將試樣放入石油醚、蒸餾水、無水乙醇中進(jìn)行超聲清洗，時間以不超過10 min為最佳，并采取風(fēng)冷吹干的方式將試樣放置在干燥皿中進(jìn)行干燥。干燥2 h后取出試樣，記錄試片長、寬、厚、質(zhì)量、原始圖片等基礎(chǔ)參數(shù)，而后系掛于試片架上，準(zhǔn)備實驗。

2）高溫高壓反應(yīng)釜準(zhǔn)備。在進(jìn)行正式實驗之前，要充分清洗高溫高壓反應(yīng)釜，確保高溫高壓反應(yīng)釜的清潔。同時將1 L的實驗海水加入到高溫高壓反應(yīng)釜中，并將試片架置于高溫高壓反應(yīng)釜內(nèi)，在確認(rèn)海水漫過試片后，再將高溫高壓反應(yīng)釜進(jìn)行密封。

3）升溫升壓。釜體安裝后，關(guān)閉出氣閥。將高溫高壓反應(yīng)釜升溫至實驗溫度后，向釜內(nèi)通入N2至15 MPa，并設(shè)置釜體內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度為200 rad/min，開始實驗。

4）降溫降壓，取出試片。待達(dá)到規(guī)定的實驗條件后，將加熱電源關(guān)閉，這時候靜待釜體溫度冷卻，等溫度降低至室溫后將釜體排氣閥門打開，實施氣體泄壓排空后取出試片架。

1.5 實驗數(shù)據(jù)處理與分析

根據(jù)GB/T 16545-1996《金屬和合金的腐蝕腐蝕試樣上腐蝕產(chǎn)物的清除》，分別使用蒸餾水、去膜液、乙醇清洗腐蝕實驗后的試件[2]。其中，去膜液配方為：六次甲基四胺10 g、鹽酸100 mL加去離子水至1 L。放入干燥皿中干燥4 h后，稱量質(zhì)量、拍攝照片，并按照NACE RP0775-2005《油田生產(chǎn)中腐蝕掛片的準(zhǔn)備和安裝以及試驗數(shù)據(jù)的分析》計算平均腐蝕速率，以此表征平均腐蝕程度。

2 管材腐蝕速率實驗結(jié)果

2.1 7 d 80℃和90℃條件下的管材腐蝕速率

采用高溫高壓反應(yīng)釜，進(jìn)行飽和壓力為15 MPa、溫度為80℃和90℃、液體腐蝕介質(zhì)流速為1 m/s、實驗周期為7 d的實驗條件下的腐蝕實驗。實驗結(jié)束后，打開高溫高壓反應(yīng)釜取出試樣，使用去膜液清洗，烘干，稱重并計算平均腐蝕速率，以此表征平均腐蝕程度。

原材料在液相中的腐蝕速率：80℃下為0.368 mm/a，90℃下為0.482 mm/a。根據(jù)NACE RP0775-2005《油田生產(chǎn)中腐蝕掛片的準(zhǔn)備和安裝以及試驗數(shù)據(jù)的分析》對平均腐蝕速率的規(guī)定，均屬于極嚴(yán)重腐蝕程度，大于油田的腐蝕控制指標(biāo)0.076 mm/a。

A+B在液相中的腐蝕速率：80℃下為0.015 mm/a，90℃下為0.016 mm/a。腐蝕速率均小于0.025 mm/a，均屬于輕度腐蝕程度，小于油田的腐蝕控制指標(biāo)0.076 mm/a。

A+銅+B在液相中的腐蝕速率：80℃下為0.016 mm/a，90℃下為0.023 mm/a。腐蝕速率均小于0.025 mm/a，均屬于輕度腐蝕程度，小于油田的腐蝕控制指標(biāo)0.076 mm/a。

2.2 15 d 80℃和90℃條件下的管材腐蝕速率

采用高溫高壓反應(yīng)釜，進(jìn)行飽和壓力為15 MPa、溫度為80℃和90℃、液體腐蝕介質(zhì)流速為1 m/s、實驗周期為15 d的實驗條件下的腐蝕實驗。實驗結(jié)束后，打開高溫高壓反應(yīng)釜取出試樣，使用去膜液清洗，烘干，稱重并計算平均腐蝕速率。

原材料在液相中的腐蝕速率為0.259 mm/a。根據(jù)NACE RP0775-2005《油田生產(chǎn)中腐蝕掛片的準(zhǔn)備和安裝以及試驗數(shù)據(jù)的分析》對平均腐蝕速率的規(guī)定，屬于極嚴(yán)重腐蝕程度，大于油田的腐蝕控制指標(biāo)0.076 mm/a。

A+B在液相中的腐蝕速率為0.004 mm/a。腐蝕速率小于0.025 mm/a，屬于輕度腐蝕程度，小于油田的腐蝕控制指標(biāo)0.076 mm/a。

A+銅+B在液相中的腐蝕速率為0.006 mm/a。腐蝕速率小于0.025 mm/a，屬于輕度腐蝕程度，小于油田的腐蝕控制指標(biāo)0.076 mm/a。

2.3 30 d 80℃和90℃條件下的管材腐蝕速率

采用高溫高壓反應(yīng)釜，進(jìn)行飽和壓力為15 MPa、溫度為80℃和90℃、液體腐蝕介質(zhì)流速為1 m/s、實驗周期為30 d的實驗條件下的腐蝕實驗。實驗結(jié)束后，打開高溫高壓反應(yīng)釜取出試樣，使用去膜液清洗，烘干，稱重并計算平均腐蝕速率。

原材料在液相中的腐蝕速率為0.172 mm/a。根據(jù)NACE RP0775-2005《油田生產(chǎn)中腐蝕掛片的準(zhǔn)備和安裝以及試驗數(shù)據(jù)的分析》對平均腐蝕速率的規(guī)定，屬于極嚴(yán)重腐蝕程度，大于油田的腐蝕控制指標(biāo)0.076 mm/a。

A+B在液相中的腐蝕速率為0.003 mm/a。腐蝕速率小于0.025 mm/a，屬于輕度腐蝕程度，小于油田的腐蝕控制指標(biāo)0.076 mm/a。

A+銅+B在液相中的腐蝕速率為0.003 mm/a。腐蝕速率小于0.025 mm/a，屬于輕度腐蝕程度，小于油田的腐蝕控制指標(biāo)0.076 mm/a。

3 管材腐蝕規(guī)律分析

3.1 實驗時間對管材腐蝕速率的影響

三種管柱用管材在不同實驗時間的腐蝕速率見第56頁圖1。由圖1可以看出，在實驗時間節(jié)點為7 d時，三種管柱用管材的腐蝕速率均達(dá)到了最大值；隨著實驗時間的延長，腐蝕雖然在進(jìn)行但腐蝕速率呈逐漸減小的趨勢，這其中實驗時間節(jié)點到達(dá)15 d時，A+B試片和A+銅+B試片的腐蝕速率達(dá)到恒定值，分別為0.004 mm/a和0.006 mm/a；實驗時間節(jié)點為30 d時，A+B試片和A+銅+B試片的腐蝕速率均為0.003 mm/a。

圖1 實驗時間對管材腐蝕速率的影響曲線圖

在相同的實驗條件下，由腐蝕速率判斷，原材料試片防腐性能最差，A+B試片和A+銅+B試片的防腐性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于原材料試片，而且表現(xiàn)出相同的防腐級別。

3.2 溫度對管材腐蝕速率的影響

實驗周期7 d時，三種管柱用管材分別在80℃和90℃下的液體腐蝕介質(zhì)中的腐蝕速率對比見圖2和表2。由圖2和表2可以看出，溫度對原材料試片的腐蝕速率的影響較大，而對A+B試片和A+銅+B試片的腐蝕速率的影響較小。

圖2 溫度對管材腐蝕速率的影響對比圖

表2 溫度對管材腐蝕速率的影響對比表

4 結(jié)論

通過開展?jié)藓Ｓ蚝Ｋh(huán)境下的三種管柱用管材腐蝕規(guī)律實驗，結(jié)果表明時間和溫度是影響三種管柱用管材腐蝕程度的兩個最主要因素。其中，時間方面：三種管柱用管材的腐蝕速率隨時間的增長而逐漸降低，且在7 d時腐蝕速率達(dá)到最大，15 d時腐蝕速率趨于恒定；由腐蝕速率判斷，原材料試片防腐性能最差，屬于極嚴(yán)重腐蝕程度，而A+B管材和A+銅+B管材則屬于輕微均勻腐蝕程度。溫度方面：原材料試片腐蝕速率受到的影響較大，而A+B試片和A+銅+B試片腐蝕速率受到的影響相對較小，三種管柱用管材在7 d 90℃的實驗條件下均達(dá)到最大的腐蝕速率。