K頁巖氣田輸水管道腐蝕預(yù)測模型的建立

廖柯熹,江 潘,劉 鑫,陳璐潔,鮮 俊,何國璽,鄒 慶

(1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院, 成都 610500;2.國家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限公司昆明維搶修分公司, 昆明 650000;3.中國石油青海油田分公司勘探開發(fā)研究院,酒泉 736202;4.中石油塔里木油田分公司,庫爾勒 841000)

頁巖氣田在開采過程中常采用水力壓裂,因此輸水管道的應(yīng)用較為廣泛[1-2],然而,輸水管道的腐蝕穿孔常有發(fā)生[3]。腐蝕不僅會影響管道的使用壽命,還會造成泄漏;此外,管道泄漏會造成輸送效率降低、環(huán)境污染、經(jīng)濟(jì)損失等嚴(yán)重后果[4-5]。因此,需根據(jù)現(xiàn)場管道實(shí)際運(yùn)行工況,分析管道腐蝕敏感區(qū)域,確定其內(nèi)腐蝕程度,預(yù)測腐蝕趨勢[6-7]。

ARJMAND等[8]研究了316L不銹鋼在含氧NaCl溶液中的傳遞電位和腐蝕電位,得出兩種電位隨CDO(溶解氧濃度)在0～200 μg/L內(nèi)的增大而增大,不銹鋼表面氧化膜逐漸增大。BEAKET等[9]和COVINO等[10]的研究表明,溶解氧會顯著影響低碳鋼的陽極鈍化膜,溶解氧將低價鐵氧化成高價鐵,有助于鋼材表面鈍化膜的生長和穩(wěn)定性。CCERES等[11]得到了碳鋼在不同NaCl溶液中溶解氧濃度的臨界值;在1 mol/L NaCl溶液中,當(dāng)溶解氧濃度低于2 mg/L時,腐蝕電流密度與氧濃度近似成正比;在高于2 mg/L時,腐蝕電流密度增大但斜率逐漸減緩。LIN等[12]發(fā)現(xiàn)在95%(體積分?jǐn)?shù),下同)CO2-5%O2水環(huán)境中溶解氧破壞了3Cr鋼表面腐蝕產(chǎn)物的完整性,導(dǎo)致鉻元素分布不均勻,加速腐蝕。但是,某些研究認(rèn)為溶解氧也會抑制腐蝕進(jìn)程,其抑制程度跟溶解氧濃度相關(guān),當(dāng)溶解氧濃度超過某個臨界值時,腐蝕速率顯著下降,原因是鈍化膜變得致密,可以有效抑制腐蝕性離子侵入[12-14]。然而,關(guān)于頁巖氣田輸水管道中溶解氧的腐蝕行為研究,目前卻鮮見報道。

MELCHERS等[15]研究了海洋環(huán)境中溶解氧與腐蝕速率之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在早期腐蝕中腐蝕速率與溶解氧呈線性關(guān)系,當(dāng)溶解氧含量為0.5～10 mg/L時,腐蝕速率隨溶解氧含量增加而增大。然而,頁巖氣輸水管道服役環(huán)境與海洋環(huán)境存在較大差異,有必要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

因此,筆者利用多相流模擬軟件分析目標(biāo)管段的沿程流動參數(shù)分布情況,確定腐蝕敏感區(qū)域及其相應(yīng)工況參數(shù);設(shè)計了8組高溫高壓反應(yīng)釜試驗,確定輸水管道內(nèi)腐蝕程度;基于多相流模擬結(jié)果和腐蝕數(shù)據(jù),建立適合K頁巖氣田輸水管道內(nèi)腐蝕的預(yù)測模型,以期為現(xiàn)場輸水管道的腐蝕防控和安全運(yùn)行提供了參考。

1 腐蝕敏感區(qū)域及工況的確定

1.1 管道模型的建立

1.1.1 管道模型

K頁巖氣田共存在兩條輸水管線,分別為K1線和K9線。其中K1線中共三條管道,分別為SL取水點(diǎn)-K13管段、K13-K110管段、K110- K118管段;K9線只有一條管道,為K912-K96管段,如圖1所示,每個節(jié)點(diǎn)處均有分支管道。

圖1 目標(biāo)管道模型Fig.1 Target pipeline model

利用OLGA軟件的Basic Model模塊,根據(jù)現(xiàn)場管道設(shè)計參數(shù)建立1…1的模型,設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 管道設(shè)計參數(shù)

1.1.2 運(yùn)行參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行參數(shù),目標(biāo)管道無防腐蝕層、保溫層,4條目標(biāo)管段的運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

表2 目標(biāo)管段的基礎(chǔ)運(yùn)行參數(shù)

1.1.3 水質(zhì)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場輸水管道水體介質(zhì)組分,基于PVTsim建立相應(yīng)的水樣組分模型,如表3所示。

表3 模擬水樣組分

1.2 腐蝕敏感區(qū)域及工況的確定

根據(jù)OLGA模擬計算溫度、壓力參數(shù)及管道傾角,判定腐蝕敏感區(qū)域及相應(yīng)的工況參數(shù)。

4根目標(biāo)管段運(yùn)行穩(wěn)定后,沿線溫度、壓力、高程的變化如圖2所示。可以看出:溫度變化很小;沿程壓力隨管道路由呈下降的趨勢。管路沿程地形的起伏導(dǎo)致輸水管道內(nèi)流體的壓力和溫度出現(xiàn)了不同幅度的上下波動,地形起伏越大,壓力和溫度波動幅度也越大[16]。

圖2 4根目標(biāo)管段溫度壓力沿線變化規(guī)律及路由圖Fig.2 Temperature and pressure change law and route diagram of 4 target pipe sections along the line

根據(jù)現(xiàn)場運(yùn)行參數(shù)和OLGA模擬結(jié)果,得到進(jìn)出口溫度、壓力的誤差分析結(jié)果,見表4。由表4可知最大誤差為5.7%,小于10%,說明模擬結(jié)果符合實(shí)際工況[17-18]。

表4 4根目標(biāo)管段運(yùn)行參數(shù)的模擬值和實(shí)測值

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0087.2-2020《鋼質(zhì)管道及儲罐腐蝕評價標(biāo)準(zhǔn)第2部分:埋地鋼質(zhì)管道內(nèi)腐蝕直接評價》,管道低洼處等管道曲率過大位置為腐蝕敏感區(qū)域[19]。這是因為管道傾角減小和增大位置,分別對應(yīng)著傾斜向下管段和傾斜向上管段,該區(qū)域即為管段低洼處,所以腐蝕敏感區(qū)域應(yīng)選擇兩側(cè)管道傾角差距最大的區(qū)域,4根目標(biāo)管段的腐蝕敏感區(qū)域位置及運(yùn)行參數(shù)如表5所示。

表5 4根目標(biāo)管段的腐蝕敏感區(qū)域位置及運(yùn)行況參數(shù)

2 腐蝕預(yù)測模型的建立

基于4條目標(biāo)管段的腐蝕敏感區(qū)域及相應(yīng)工況參數(shù),制定高溫高壓反應(yīng)釜試驗,測試腐蝕速率并確定腐蝕程度,建立適合K頁巖氣田輸水管道內(nèi)腐蝕的預(yù)測模型。

2.1 高溫高壓反應(yīng)釜試驗

2.1.1 試驗準(zhǔn)備

輸水管道材質(zhì)為L290鋼,其主要成分見表6。用于高溫高壓反應(yīng)釜試驗的試樣尺寸為50 mm×10 mm×3 mm,試驗前用砂紙(400～1000 號)逐級打磨,使試樣表面粗糙度趨于均勻。采用石油醚清洗打磨后的試樣10 min,去除表面油脂,隨后放入無水乙醇中浸泡清洗10 min,進(jìn)一步脫水、去脂。使用冷空氣干燥試樣,用精確度為0.1 mg的分析天平稱量。每組4個平行試樣,用于測試腐蝕速率。試驗溶液根據(jù)表3配制。

表6 L290管道鋼的化學(xué)成分

使用雷磁JPB-607A便攜式溶解氧測定儀測定水中溶解氧含量,精度為0.1 mg/L。

2.1.2 試驗方法

管道處于埋地環(huán)境中,服役環(huán)境溫度變化不大,故試驗溶液中的解氧含量變化也很小。

如表7所示,設(shè)置高溫高壓釜試驗條件:其中14組試驗條件基于提取的4處腐蝕敏感區(qū)域及相應(yīng)工況參數(shù)。根據(jù)K頁巖氣田輸水管道歷史運(yùn)行和測量數(shù)據(jù),其溶解氧含量為0.9～8 mg/L,壓力為1.5～3.5 MPa,溫度為25～40 ℃,增加58組所示極限工況試驗條件。

表7 高溫高壓反應(yīng)釜試驗條件

將試驗溶液倒入反應(yīng)釜中后,將試樣安裝在樣品支架上并完全浸沒在溶液中。使用溶解氧儀測量溶液中溶解氧含量,通過注入氮?dú)獾姆绞绞谷芙庋鹾糠€(wěn)定在設(shè)定值。根據(jù)表7設(shè)置試驗溫度、壓力,試驗時間為120 h。

2.1.3 腐蝕速率計算

根據(jù)公式(1)計算腐蝕速率[21-23]。

(1)

式中:vcorr為試樣腐蝕速率,mm/a;m1為試樣腐蝕后質(zhì)量,g;m2為試樣腐蝕前質(zhì)量,g;t為試樣腐蝕反應(yīng)時間,h;ρ為試樣鋼材的密度,g/cm3;S為試樣的表面積,cm2。

2.2 模型建立

2.2.1 均勻腐蝕速率

腐蝕速率測試結(jié)果表明試樣在14組試驗條件下的腐蝕速率分別為0.108 3,0.098 0,0.094 0,0.089 5 mm/a。在58組試驗條件下的腐蝕速率分別為0.092 9,0.085 6,0.077 9,0.064 9 mm/a。

參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23258-2020《鋼質(zhì)管道內(nèi)腐蝕控制規(guī)范》對均勻腐蝕速率進(jìn)行評價[24],如表8所示,目標(biāo)管段內(nèi)腐蝕程度為中度腐蝕。

表8 均勻腐蝕速率評價標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 建立腐蝕預(yù)測模型

(1) 多元線性回歸理論

模型因變量為Y,影響Y的因素有i個自變量,x1、x2、x3、…、xi。根據(jù)多元線性回歸理論,基于各個因變量Y和自變量xi之間的關(guān)系,建立腐蝕速率模型:

Yi=fi(xi)

(2)

式中:fi(xi)為各個自變量xi和因變量Y之間的函數(shù)關(guān)系。

再根據(jù)多元線性回歸理論思想,將式(2)函數(shù)關(guān)系式fi(xi)整體當(dāng)做多元線性回歸中的自變量Xi,即X1=f1(x1)、X2=f2(x2)…Xi=fi(xi),令隨機(jī)誤差為ε,則Y和Xi之間的線性回歸模型可表示為:

Y=k0+k1X1+k2X2+k3X3…+knXn+ε

(3)

式中:k0、k1、k2、…、kn為回歸系數(shù),解開各個回歸系數(shù)即可得出腐蝕速率預(yù)測模型。

為計算出回歸系數(shù),需要對(x1,x2,…,xn,Y)進(jìn)行m次獨(dú)立試驗,得到m組試驗數(shù)據(jù)(xt1,xt2,…,xtk),t=1,2,…,m(m>n+1),它們滿足關(guān)系式:

Y=k0+k1Xt1+k2Xt2+k3Xt3…+knXtn+εt

(4)

式中:ε1,…,εn互不相關(guān)均是與ε同分布的隨機(jī)變量。建立線性方程式,可得如式(5)的樣本模型:

(5)

用矩陣表示式(5),得Y=XK+ε,如式(6)所示。根據(jù)矩陣運(yùn)算法則,得K=(XTX)-1XTY,使用最小二乘法得到K值,最后得到腐蝕速率預(yù)測模型[25-26]。

(6)

(2) 腐蝕速率預(yù)測模型建立

目前國內(nèi)外學(xué)者對于腐蝕速率預(yù)測模型的研究已頗有研究。建立腐蝕速率預(yù)測模型需要考慮溶解氧濃度、溫度、壓力的影響,腐蝕速率模型建立如式(7)(9)所示[28]:

vcorr=k·f(CDO,T,P)

(7)

vcorr=K·fCDO(CDO)·fT(T)·fP(P)

(8)

lnvcorr=lnfCDO(CDO)+lnfT(T)+lnfP(P)+C

(9)

式中:vcorr為腐蝕速率,mm/a;fT(T)為溫度影響腐蝕速率的函數(shù);fP(P)為壓力影響腐蝕速率的函數(shù);fCDO(CDO)為溶解氧含量影響腐蝕速率的函數(shù);C為常數(shù)。

① 溶解氧

MELCHERS[15]發(fā)現(xiàn)腐蝕速率與溶解氧之間存在線性關(guān)系。由于在無氧條件下腐蝕發(fā)生可以忽略不計,溶解氧模型可以表示為:

vcorr=A·O

(10)

式中:vcorr為腐蝕速率,mm/a;O為溶解氧含量濃度,mg/L;A為常數(shù)。

一些研究者也報道了不同溫度下腐蝕速率與溶解氧濃度之間的冪函數(shù)關(guān)系[14],其關(guān)系式如式(11):

vcorr=A·OB

(11)

式中:B為常數(shù)。

② 溫度

溫度對于腐蝕速率的影響僅次于腐蝕介質(zhì)。FONTANA[28]指出,隨著溫度的升高,腐蝕速率呈指數(shù)增長,其關(guān)系式為:

vcorr=D·eET

(12)

式中:T為溫度,℃;D,E為常數(shù)值。

而SOARES和ROBERGE[14]的腐蝕速率近似線性方程的關(guān)系是:

vcorr=D·T+E

(13)

在大多數(shù)物理應(yīng)用中,溫度的加速效應(yīng)通常用ARRHENIUS[14]模型,其關(guān)系式見式(14):

vcorr=D·e-E/T

(14)

式中:T為熱力學(xué)溫度,K。

③ 壓力

壓力也會對腐蝕速率產(chǎn)生影響?；谝恍W(xué)者在不同壓力下腐蝕速率和壓力關(guān)系的研究結(jié)果,其關(guān)系式見式(15)[30]:

lnvcorr=lnP

(15)

因為在腐蝕環(huán)境中溶解氧、壓力可能為0,但溫度參數(shù)始終存在,因此對溶解氧濃度、壓力參數(shù)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化,建立的數(shù)學(xué)模型見式(16)和(17)。

lnvcorr=βln(CDO+1)

(16)

lnvcorr=δln(P+1)

(17)

將式(14)、(16)、(17)代入到式(9)中,得到L290管道在不同溶解氧濃度、溫度、壓力下的腐蝕速率預(yù)測模型,見式(18):

(18)

式中:α、β、γ、δ為回歸系數(shù)。結(jié)合多相流模擬和室內(nèi)試驗結(jié)果,采用Matlab軟件,進(jìn)行多元線性回歸方法,確定腐蝕預(yù)測模型中的回歸系數(shù),得到腐蝕預(yù)測模型。

(3) 模型驗證

以3.2.1節(jié)8組腐蝕速率結(jié)果為基礎(chǔ),應(yīng)用Matlab中regress算法擬合出腐蝕預(yù)測模型中各個回歸系數(shù)值。擬合出的腐蝕預(yù)測模型如式(19)所示:

lnvcorr=-0.648 3+0.390 4ln(CDO+1)-734.72/T+0.005 2ln(P+1)

(19)

采用腐蝕速率預(yù)測模型對8組試驗條件下的腐蝕速率進(jìn)行預(yù)測,得到預(yù)測值、實(shí)驗值與預(yù)測值的誤差值如圖3所示。由圖3可知,預(yù)測模型最大誤差為3.9%,小于5%,表明建立的預(yù)測模型準(zhǔn)確性較高。其中,該預(yù)測模型適用范圍為溫度25～40 ℃,壓力1.5～3.5 MPa,溶解氧質(zhì)量濃度0.9～8 mg/L。

圖3 試驗值與預(yù)測值的對比圖Fig.6 Comparison between experimental value and predicted value

3 結(jié) 論

(1) 采用OLGA軟件模擬管道沿程流動參數(shù)分布,確定腐蝕敏感區(qū)域位置及其相應(yīng)工況參數(shù)。

(2) 根據(jù)腐蝕敏感區(qū)域工況參數(shù)和輸水管道歷史工況數(shù)據(jù),制定高溫高壓反應(yīng)釜試驗,得到8組腐蝕速率,為0.064 8～0.105 6 mm/a,目標(biāo)管段內(nèi)腐蝕程度為中度腐蝕。

(3) 采用多元線性回歸方法,建立了適用于K頁巖氣田輸水管道腐蝕預(yù)測模型,腐蝕預(yù)測模型最大誤差為3.9%,表明建立的預(yù)測模型準(zhǔn)確性較高。該預(yù)測模型適用范圍為溫度25～40 ℃,壓力1.5～3.5 MPa,溶解氧質(zhì)量濃度0.9～8 mg/L。