呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)雙金屬?gòu)?fù)合管應(yīng)用研究

楊肇琰，申 瑩，楊 中，鄧 靜，徐明全，李永康

(1.新疆油田公司，新疆 克拉瑪依 834000；2.中油(新疆) 石油工程有限公司，新疆 克拉瑪依 834000)

0 前 言

呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)是西氣東輸二線首座大型儲(chǔ)氣庫(kù)，也是目前國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的儲(chǔ)氣庫(kù)，總庫(kù)容為1.07×1010m3，生產(chǎn)庫(kù)容為4.51×109m3，其設(shè)計(jì)定位滿足正常調(diào)峰與戰(zhàn)略儲(chǔ)備雙功能。鑒于重大民生工程的特殊意義，為確保線路工程安全平穩(wěn)運(yùn)行，結(jié)合氣質(zhì)組分的腐蝕特性，開(kāi)展集輸管道內(nèi)腐蝕防治研究。

1 腐蝕防治

目前集輸管道常見(jiàn)內(nèi)腐蝕防治方法有[1]:優(yōu)選耐蝕材質(zhì)、注入緩蝕劑、材料表面處理(電鍍或涂層)等。

CO2腐蝕環(huán)境下天然氣輸送常用鉻合金鋼材料，其Cr 元素可與H2CO3形成比FeCO3更穩(wěn)定的腐蝕產(chǎn)物保護(hù)膜，而使其腐蝕速度大大_降低。一般鉻合金鋼在CO2腐蝕環(huán)境中有很好的耐蝕性，但由于造價(jià)昂貴，因此僅在關(guān)鍵部位和極惡劣的環(huán)境才考慮使用。

國(guó)內(nèi)油氣田已有采用雙金屬?gòu)?fù)合管進(jìn)行含CO2腐蝕介質(zhì)的油氣密閉集輸工藝(如牙哈、克深2、大北)，以降低管材腐蝕速率，且效果顯著。

2 腐蝕性分析

呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)氣源取自西氣東輸二線，注采管道主要腐蝕介質(zhì)為CO2(摩爾分?jǐn)?shù)1.89%)，采氣期攜帶地層水造成管道內(nèi)腐蝕。

CO2腐蝕受到眾多因素的影響，概括分為兩大類。一是環(huán)境因素:主要是CO2的分壓(PCO2)，介質(zhì)溫度，水質(zhì)礦化度，pH 值，水溶液中Cl-、HCO3-、Mg2+、Ca2+、細(xì)菌等的含量，油氣混合物中的含蠟量，流動(dòng)狀態(tài)，材料表面垢的結(jié)垢與性質(zhì)等。二是材料因素:包括材料種類，材料中的合金元素Cr、C、Ni、Si、Mo、Cu、Co 等含量，材料表面膜等。

根據(jù)儲(chǔ)氣庫(kù)的生產(chǎn)狀況，造成CO2腐蝕主要原因是井流物中水含量、介質(zhì)溫度、CO2的分壓(PCO2)等。

(1)水含量 隨著井流物含水量的增加，CO2的腐蝕速率也隨之增加，有試驗(yàn)表明，當(dāng)含水率為45%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))左右時(shí)，CO2的腐蝕速度出現(xiàn)一個(gè)階躍，這可能是介質(zhì)從油包水轉(zhuǎn)向成水包油的緣故。

(2)介質(zhì)溫度 大量研究結(jié)果表示，溫度是CO2腐蝕的重要參數(shù)。鐵的CO2腐蝕可分為以下4 種情況:T＜60 ℃，腐蝕產(chǎn)物膜為FeCO3，無(wú)附著力且松軟，金屬表面光滑，主要發(fā)生均勻腐蝕；60 ℃＜T＜150 ℃，腐蝕產(chǎn)物膜具有一定保護(hù)作用，此時(shí)局部(點(diǎn))腐蝕效果比較突出；在110 ℃左右時(shí)，勻速腐蝕的速度明顯升高，局部腐蝕加劇(甚至穿孔)，腐蝕產(chǎn)物主要是FeCO3粗結(jié)晶；T＞150 ℃時(shí)[2-4]，生成致密、粘結(jié)力強(qiáng)的FeCO3、Fe3O4產(chǎn)物膜，此時(shí)腐蝕速率反而降低。

(3)CO2分壓 API 6A 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[5，6]，在油氣工業(yè)中可根據(jù)CO2的分壓判斷其腐蝕性，規(guī)律如下:PCO2＜0.05 MPa，沒(méi)有腐蝕；PCO2為0.05～0.21 MPa，產(chǎn)生腐蝕；PCO2＞0.21 MPa，發(fā)生中、高度腐蝕。

3 腐蝕機(jī)理

3.1 典型腐蝕環(huán)境

在天然氣生產(chǎn)中，大多數(shù)腐蝕介質(zhì)中含有大量的H2S[7]，CO2，Cl-。NACEMR0175 依據(jù)腐蝕介質(zhì)的不同，將其分為2 類典型的腐蝕環(huán)境:

(1) H2S-CO2-Cl-酸性環(huán)境 介質(zhì)組分中含H2S、Cl-、CO2，當(dāng)H2S 分壓(PH2S)大于0.3 kPa 或系統(tǒng)總壓大于0.4 MPa 時(shí)，稱為酸性環(huán)境[8]。

(2)CO2-Cl-“甜氣”環(huán)境 介質(zhì)中含CO2、Cl-，PCO2分壓較高(有時(shí)高至6 MPa)，但不含H2S(或PH2S分壓低于0.3 kPa)稱為“甜氣”環(huán)境。

3.2 2 種典型腐蝕環(huán)境的腐蝕機(jī)理

酸性氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，介質(zhì)組分含大量H2S，此時(shí)會(huì)造成嚴(yán)重腐蝕，其腐蝕機(jī)理為:

陰極反應(yīng):

總反應(yīng):

在H2S、Cl-、CO2形成的酸性環(huán)境中[2]，除管道表面的勻速腐蝕及局部(點(diǎn))腐蝕外，還會(huì)引起與金屬滲氫相關(guān)的腐蝕開(kāi)裂，Cl-的存在加速了腐蝕作用。

在“甜氣”氣田開(kāi)發(fā)過(guò)程中，伴生氣體中含有大量的CO2，其腐蝕機(jī)理為:

在CO2和Cl-組成的“甜氣”環(huán)境中[3，9-11]，腐蝕產(chǎn)物膜形成后，金屬腐蝕速度將受其穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)和滲透性能等影響，最終致使材料表面勻速腐蝕或局部(點(diǎn))腐蝕，即:管道壁厚逐步減薄和孔蝕。組分中Cl-除自身腐蝕性，還會(huì)破壞腐蝕產(chǎn)物膜而再次加速腐蝕。

3.3 2 種典型腐蝕環(huán)境的對(duì)比

2 類腐蝕環(huán)境破壞方式對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 2 類腐蝕環(huán)境破壞方式對(duì)比Table 1 Comparison of damage modes of two types of corrosive environment

表2 高溫高壓腐蝕結(jié)果Table 2 High temperature and high pressure corrosion results

4 腐蝕試驗(yàn)

儲(chǔ)氣庫(kù)工程是重大民生工程，因其特殊性和重要性，工程先期開(kāi)展選材腐蝕試驗(yàn)。結(jié)合氣質(zhì)條件，注采管道初選采用雙金屬?gòu)?fù)合管[12]。

圖1 高溫高壓釜裝置示意Fig.1 Schematic diagram of high-temperature autoclave device

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室模擬極端工況下介質(zhì)腐蝕結(jié)果，S31603 材料20 a 均勻腐蝕速率為0.000 6 ～0.001 8 mm/a。在確保注采管道設(shè)計(jì)壽命不小于20 a 且經(jīng)濟(jì)論證后，最終優(yōu)選基層材質(zhì)L415QB，襯層材質(zhì)S31603。

5 管道設(shè)計(jì)與焊接工程

5.1 管道設(shè)計(jì)

雙金屬?gòu)?fù)合管復(fù)合工藝[13]主要有機(jī)械復(fù)合和冶金復(fù)合。其中機(jī)械復(fù)合成型方法有爆燃、旋壓、液壓、拉拔。冶金復(fù)合成型方法有熱擠壓、熱軋、離心鑄造、爆炸焊接、粉末冶金、堆焊等。對(duì)比生產(chǎn)成本及各油田集輸系統(tǒng)使用情況，通過(guò)實(shí)地走訪調(diào)研后，確定采用機(jī)械爆燃復(fù)合管。

5.1.1 壁 厚

襯層根據(jù)腐蝕性、可焊性、腐蝕試驗(yàn)等綜合因素確定，不計(jì)腐蝕裕量，壁厚不小于2.5 mm(DN＞300，襯層厚度≥3 mm)；基層壁厚根據(jù)其強(qiáng)度、穩(wěn)定性、抗震校核等統(tǒng)籌計(jì)算確定。

5.1.2 管 件

站內(nèi)管件以及儀表、測(cè)針接口等，根據(jù)設(shè)計(jì)壓力和工藝條件，推薦采用純材(S316L)管件，也可進(jìn)行獨(dú)立分段設(shè)計(jì)。

5.1.3 其 他

(1)儲(chǔ)氣庫(kù)注采管道注氣設(shè)計(jì)壓力32 MPa，采氣設(shè)計(jì)壓力16 MPa，注采周期變壓工況運(yùn)行對(duì)其基層母材抗疲勞性要求較高，應(yīng)選用GB/T 9711“石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管”P(pán)SL2 等級(jí)鋼管，進(jìn)行-40℃夏比低溫沖擊試驗(yàn)。

(2)雙金屬?gòu)?fù)合管基層與襯層粘結(jié)力剪切強(qiáng)度應(yīng)不小于138 MPa，交貨前推薦單管進(jìn)行有限元分析，以有效避免管道應(yīng)用時(shí)分層、鼓包、屈曲。

(3)大口徑(DN＞300)雙金屬?gòu)?fù)合管及管件，管端橢圓度不大于1%，能大幅提高焊合格率。

(4)襯層管延伸至基管管端外50 mm。

(5)管道進(jìn)、出站低點(diǎn)(易積液處)設(shè)置腐蝕檢測(cè)儀，用于氣相、液相介質(zhì)腐蝕監(jiān)測(cè)。

5.2 焊接工程

5.2.1 坡口形式

坡口的形狀和尺寸與焊接方法、焊接位置、焊件厚度等因素有關(guān)?？紤]焊接的特點(diǎn)和管道壁厚，采用單面V 型坡口，坡口角度30°～35°。

5.2.2 焊接方法

施工焊接方法[14]有手工電弧焊(SMAW)、熔化極氣體保護(hù)焊(GMAW 或MIG)、鎢極氬弧焊(GTAW 或TIG)、藥芯焊絲電弧焊(FCAW)。影響選用焊接方法的因素包括質(zhì)量、效率、設(shè)備狀況和焊接材料。

結(jié)合管材自身特點(diǎn)，為確保一次合格率，推薦采用鎢極氬弧焊進(jìn)行封底焊接和根部打底焊接，并進(jìn)行一道填充焊道的焊接，其余填充和蓋面焊道采用效率較高的手工電弧焊方法。

5.2.3 焊接材料

襯層厚度較小(≥2.5 mm)，焊接時(shí)襯層和基層均對(duì)焊縫金屬有稀釋作用，且由于封底處導(dǎo)熱性差，2 種母材的熔化量大，為了避免焊縫產(chǎn)生馬氏體組織，焊接材料的Cr、Ni 含量應(yīng)該足夠高。因此封底焊、根部焊需采用合金元素含量較高的奧氏體不銹鋼。為防止焊縫及熱影響區(qū)晶粒粗大，減少焊接應(yīng)力和防止產(chǎn)生熱裂紋，盡量選用較小的規(guī)范參數(shù)和較低的層間溫度。

5.2.4 焊接保護(hù)

焊接襯管時(shí)，為防止母材被嚴(yán)重氧化，使焊道難以成形且產(chǎn)生氣孔，甚至影響焊縫區(qū)的抗腐蝕性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，需進(jìn)行背面氣體保護(hù)。保護(hù)氣一般用純氬(純度99.99%)，設(shè)置氣體保護(hù)裝置，保護(hù)氣底進(jìn)頂出，通氣量大于封堵容積的8 倍以上，流量一般取5 ～50 L/min，以保證焊縫背面的氧含量降低到0.005%以下。焊接過(guò)程中要一直通氣保護(hù)，直至焊縫的有效厚度超過(guò)4 mm。

5.2.5 驗(yàn)收要求

注采管道無(wú)損探傷采用雙百檢測(cè)(100%射線檢測(cè)+100%超聲波檢測(cè))。

6 檢測(cè)分析

2013 年7 月集輸管道投產(chǎn)至今，已安全平穩(wěn)運(yùn)行8 a 多。為了驗(yàn)證雙金屬?gòu)?fù)合管襯層是否存在介質(zhì)腐蝕引起基管壁厚減薄情況，特對(duì)運(yùn)行管道開(kāi)展了壁厚檢測(cè)。由于集輸管道不具備切割檢驗(yàn)條件，現(xiàn)場(chǎng)采用超聲測(cè)厚儀對(duì)9 處雙金屬管基層進(jìn)行壁厚檢測(cè)(見(jiàn)表3)，并抽檢管段前后環(huán)焊縫質(zhì)量(見(jiàn)表4)，檢測(cè)結(jié)論均未見(jiàn)異常。

表3 基管壁厚檢測(cè)匯總表Table 3 Summary of wall thickness measurement of base pipe

表4 基管焊縫檢測(cè)結(jié)果匯總Table 4 Summary of inspection results of base pipe welds

檢測(cè)結(jié)論進(jìn)一步佐證了所選襯層材質(zhì)具有良好的耐腐性，也充分證明注采管道采用雙金屬?gòu)?fù)合管其整體質(zhì)量滿足工程要求。

7 結(jié) 論

呼圖壁儲(chǔ)氣庫(kù)經(jīng)過(guò)8 個(gè)注采周期的安全運(yùn)行，雙金屬?gòu)?fù)合管在雙流向、變壓工況下實(shí)際耐蝕效果滿足工程要求。管道腐蝕試驗(yàn)、工程設(shè)計(jì)、施工焊接、物資采購(gòu)等各環(huán)節(jié)要點(diǎn)控制，能夠?yàn)楹罄m(xù)同類重大工程提供經(jīng)驗(yàn)和支持。