含硫濕氣管道的內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法

趙 鵬,葛鵬莉,賈旭東,馬智華

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院,烏魯木齊 830011;2.中國(guó)石油化工股份有限公司縫洞型油藏提高采收率重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830011)

近年來,天然氣的需求不斷提升,管道輸送作為天然氣輸送的主要方式,其服役安全受到廣泛關(guān)注,尤其是含硫濕氣管道,其輸送介質(zhì)具有極強(qiáng)的腐蝕性,一旦泄漏會(huì)引起環(huán)境污染,甚至?xí)?duì)生命健康造成威脅。由于管道內(nèi)檢測(cè)成本高,且部分管道無法實(shí)現(xiàn)內(nèi)檢測(cè),因此,引入內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法,可實(shí)現(xiàn)對(duì)管道全線的內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[1-5]。謝飛等[6]采用電化學(xué)測(cè)試和數(shù)值模擬方法研究發(fā)現(xiàn)電化學(xué)腐蝕在天然氣管道中占主導(dǎo),提出了改進(jìn)的內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法,并在盤錦某天然氣管道上得到了有效應(yīng)用。朱方輝等[7]基于長(zhǎng)慶氣田集輸管道建立了三維流型分布圖,并優(yōu)化了腐蝕預(yù)測(cè)模型,應(yīng)用結(jié)果表明預(yù)測(cè)結(jié)果精度更高。汪江斌等[8]采用建立的多相流內(nèi)腐蝕評(píng)價(jià)模型,對(duì)海底管線進(jìn)行腐蝕預(yù)測(cè)和高風(fēng)險(xiǎn)段識(shí)別,并驗(yàn)證了評(píng)價(jià)結(jié)果的有效性。王凱等[9]以多相混輸海底管道工況為基礎(chǔ),通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究,驗(yàn)證了多相流管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法(MP-ICDA)得出的結(jié)果具有重要的參考價(jià)值。葛揚(yáng)志等[10]采用WG-ICDA評(píng)價(jià)CO2多相流海底管道,并通過改進(jìn)的NORSOK模型提升了CO2腐蝕預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前,濕氣管道直接評(píng)價(jià)方法仍無法實(shí)現(xiàn)含硫濕氣管道風(fēng)險(xiǎn)段的準(zhǔn)確判斷,由于濕天然氣在輸送過程中易在管道低洼段形成積液,同時(shí)含有H2S和CO2,增大了管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。因此,筆者采用數(shù)值模擬方法對(duì)WG-ICDA中的間接評(píng)價(jià)過程進(jìn)行優(yōu)化,并應(yīng)用于塔河某含硫濕氣管道進(jìn)行驗(yàn)證,以期提升WG-ICDA評(píng)價(jià)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

1 預(yù)評(píng)價(jià)

預(yù)評(píng)價(jià)包括收集與內(nèi)腐蝕評(píng)價(jià)相關(guān)的管道運(yùn)行數(shù)據(jù),確定WG-ICDA是否適用于管道段的評(píng)價(jià)。以塔河某濕氣管道為例進(jìn)行評(píng)價(jià)研究,管道運(yùn)行數(shù)據(jù)見表1,高程里程數(shù)據(jù)見表2,由采集的數(shù)據(jù)分析可知,該管道內(nèi)腐蝕以H2S/CO2腐蝕為主。由于管道較長(zhǎng)且高程變化大,無法實(shí)現(xiàn)管道全線的內(nèi)檢測(cè),采用內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法,管道基本資料收集齊全,具備WG-ICDA評(píng)價(jià)條件。

表1 管道運(yùn)行數(shù)據(jù)

表2 高程里程

2 間接評(píng)價(jià)

間接評(píng)價(jià)過程是管道直接評(píng)價(jià)的重要環(huán)節(jié),提高間接評(píng)價(jià)水平,增強(qiáng)腐蝕速率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性,優(yōu)化風(fēng)險(xiǎn)段劃分依據(jù),盡量減少直接評(píng)價(jià)中檢測(cè)點(diǎn)選取的數(shù)量,可有效降低成本。

2.1 腐蝕速率預(yù)測(cè)

基于管道運(yùn)行數(shù)據(jù),半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ虳e Weard 95更適合該濕氣管道的腐蝕預(yù)測(cè),但De Weard 95模型腐蝕速率預(yù)測(cè)未考慮H2S的影響[11-13]。因此,結(jié)合WG Intetech公司的Electronic Corrosion Engineer(簡(jiǎn)稱ECE)軟件模擬分析H2S腐蝕,并對(duì)De Weard 95模型進(jìn)行優(yōu)化。De Weard 95表達(dá)式見式(1)

(1)

式中:Vcorr為腐蝕速率,mm/a;t為溫度,℃;PCO2為CO2分壓,MPa;pHactual為實(shí)際pH;U為液相流速,m/s;d為管內(nèi)徑,m。

采用LedaFlow軟件建模,對(duì)管道運(yùn)行工況進(jìn)行模擬分析,管道運(yùn)行24 h后,基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。通過LedaFlow軟件可以得到管道任意時(shí)刻任意位置的狀態(tài)參數(shù),包括壓力、溫度、持液率、流型等,同時(shí)可以通過三維結(jié)果確定管道內(nèi)部積液分布特點(diǎn)(見圖1)。這些參數(shù)為后續(xù)的腐蝕速率預(yù)測(cè)及判斷風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)提供了重要依據(jù)。

圖1 三維模擬圖Fig.1 Three dimensional simulation diagram

由圖1可知,在管道低洼處形成積液,腐蝕速率受積液的影響相對(duì)較大,最小腐蝕速率和最大腐蝕速率均出現(xiàn)在積液段,而連續(xù)積液段的腐蝕速率比無積液段更小,這與連續(xù)積液的緩沖作用有關(guān),在積液的包圍下,腐蝕性介質(zhì)很難與管壁直接接觸,從而對(duì)管壁起到一定的保護(hù)作用;當(dāng)積液段不連續(xù)時(shí),天然氣中的H2S和CO2等腐蝕性物質(zhì)溶于積液中,且在壓力和溫度發(fā)生變化時(shí),流體擾動(dòng)加劇,反應(yīng)加速,釋放出更多的H+,降低了積液的pH,提高了管壁的腐蝕速率。因此,在間接評(píng)價(jià)過程中,不僅要考慮高程變化和沿線流態(tài)變化,還要考慮積液的影響,從而更加科學(xué)合理地劃分ICDA子區(qū)間。

采用Electronic Corrosion Engineer軟件建模,如圖2所示,通過軟件建立有H2S參與和無H2S參與兩種條件下的模型,預(yù)測(cè)結(jié)果表明,有H2S參與的情況下,管道前半段的腐蝕速率稍有下降,而后半段管道的腐蝕速率稍有上升。

圖2 腐蝕速率預(yù)測(cè)圖Fig.2 Corrosion rate prediction diagram

由于H2S的影響過程相對(duì)復(fù)雜,通過計(jì)算得到H2S影響差值,采用非線性曲線擬合方法中的玻爾茲曼公式,結(jié)合Levenberg-Marquardt優(yōu)化算法得到H2S影響擬合值,擬合公式如式(2)所示:

(2)

式中:A1為初始值;A2為最終值;x0為中心值;dx時(shí)間常量;x為里程,m;y為H2S影響擬合值,mm/a。

將擬合結(jié)果(見圖2)與De Weard 95預(yù)測(cè)結(jié)果相加得到優(yōu)化后的De Weard 95預(yù)測(cè)值,同時(shí)考慮了H2S和CO2對(duì)管道腐蝕的影響,最終得到管道沿線腐蝕速率,提高了腐蝕速率預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。

2.2 ICDA子區(qū)優(yōu)化

根據(jù)沿線流態(tài)、高程變化和社會(huì)因素對(duì)管道進(jìn)行ICDA子區(qū)劃分,結(jié)合腐蝕速率預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)化ICDA子區(qū)間。子區(qū)指受流體模式類型和高程限制,并考慮了腐蝕速率預(yù)測(cè)結(jié)果和社會(huì)因素的連續(xù)管段,如圖3所示:Ⅰ區(qū)為管道起點(diǎn)處～7 000 m,劃分依據(jù)為波狀分層流區(qū),腐蝕速率波動(dòng)較小,均在0.09 mm/a以下;Ⅱ區(qū)為7 000～11 100 m,劃分依據(jù)為段塞流區(qū),高程起伏較大,腐蝕速率在段塞流附近升高,最高達(dá)到0.33 mm/a;Ⅲ區(qū)為11 100 m～管道終點(diǎn)處,劃分依據(jù)為人口密集區(qū),存在較大的上坡段,容易形成積液,該部位腐蝕速率局部升高,為0.02～0.31 mm/a?？梢钥闯?經(jīng)過調(diào)整的ICDA子區(qū)僅有三個(gè),能有效減少檢測(cè)推薦點(diǎn)數(shù),從而降低檢測(cè)成本。

圖3 ICDA子區(qū)分布圖Fig.3 ICDA sub-differentiation layout

2.3 直接檢測(cè)點(diǎn)優(yōu)選

直接檢測(cè)的主要目的是對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證,合理選擇檢測(cè)點(diǎn)有利于提高管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。直接檢測(cè)點(diǎn)的選取原則是:根據(jù)子區(qū)劃分特點(diǎn),選擇合適的檢測(cè)點(diǎn)數(shù),優(yōu)先選擇腐蝕速率預(yù)測(cè)值較高的點(diǎn),同時(shí)考慮子區(qū)內(nèi)介質(zhì)流態(tài)和高程發(fā)生突變的位置,這些位置是管道腐蝕的薄弱部位,綜合多因素初選檢測(cè)點(diǎn)。

實(shí)際檢測(cè)過程中,檢測(cè)點(diǎn)位置受到多種因素的影響,要根據(jù)管道所處的地面情況,進(jìn)行檢測(cè)可行性分析,并對(duì)檢測(cè)點(diǎn)復(fù)核、微調(diào),原則上保證檢測(cè)點(diǎn)具有代表性,并采用合適的手段進(jìn)行檢測(cè)。

為了對(duì)管道全線進(jìn)行全面合理評(píng)價(jià),在檢測(cè)點(diǎn)選擇上,可適當(dāng)添加少量腐蝕速率預(yù)測(cè)值較低的點(diǎn),以便確定管道全線的腐蝕狀態(tài),最終選擇8處檢測(cè)點(diǎn),位置及信息如表3所示。表中里程為至起點(diǎn)的距離,其中,Ⅰ區(qū)整體腐蝕速率較低,選取兩處檢測(cè)點(diǎn);Ⅱ區(qū)腐蝕速率預(yù)測(cè)值波動(dòng)較大,且出現(xiàn)高程突變和段塞流,腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較高,選取四處檢測(cè)點(diǎn);Ⅲ區(qū)位于人口密集區(qū),存在較長(zhǎng)的上坡段,腐蝕速率明顯升高,選取兩處檢測(cè)點(diǎn)。

表3 檢測(cè)點(diǎn)的基本情況

3 直接評(píng)價(jià)

直接評(píng)價(jià)主要是對(duì)管道具有高腐蝕風(fēng)險(xiǎn)和少數(shù)低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)檢測(cè)。管道內(nèi)檢測(cè)是涉及識(shí)別和表征內(nèi)部缺陷或壁厚損失的無損檢測(cè)方法。詳細(xì)檢測(cè)結(jié)果與間接評(píng)價(jià)結(jié)果相結(jié)合,可以進(jìn)一步確定評(píng)價(jià)位置的優(yōu)先級(jí),從而提升管道內(nèi)腐蝕整體的評(píng)價(jià)水平。

目前,國(guó)內(nèi)外檢測(cè)技術(shù)主要有數(shù)字射線檢測(cè)技術(shù)[14]、渦流檢測(cè)技術(shù)[15]、漏磁檢測(cè)技術(shù)[16]、超聲波檢測(cè)技術(shù)[17]、超聲C掃描[18]、導(dǎo)波技術(shù)[19]和金屬磁記憶檢測(cè)[20]等。綜合考慮檢測(cè)對(duì)象、檢測(cè)環(huán)境及各檢測(cè)方法的技術(shù)特點(diǎn),采用MTM金屬磁記憶檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。由圖4可見:檢測(cè)結(jié)果和與推薦檢測(cè)點(diǎn)情況相符,其中,檢測(cè)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)與推薦檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)率達(dá)到83.3%,已失效位置與推薦檢測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)率達(dá)到75.0%,這進(jìn)一步證明了優(yōu)化后的腐蝕數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)值準(zhǔn)確度高,能反映現(xiàn)場(chǎng)腐蝕情況,對(duì)提高濕氣管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)水平具有重要意義。

圖4 檢測(cè)結(jié)果圖Fig.4 Test result chart

4 后評(píng)價(jià)

后評(píng)價(jià)是對(duì)預(yù)評(píng)價(jià)、間接評(píng)價(jià)和直接評(píng)價(jià)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,總體上對(duì)WG-ICDA流程的有效性進(jìn)行評(píng)估,根據(jù)不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)采取相應(yīng)的腐蝕控制和防護(hù)措施。

通過對(duì)預(yù)評(píng)價(jià)收集的管道運(yùn)行數(shù)據(jù)、間接評(píng)價(jià)過程優(yōu)化的腐蝕速率預(yù)測(cè)值和直接評(píng)價(jià)的檢測(cè)結(jié)果及已失效數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,優(yōu)化后的腐蝕速率預(yù)測(cè)值與檢測(cè)結(jié)果吻合度良好,已失效數(shù)據(jù)均位于腐蝕速率預(yù)測(cè)值較高的位置,表明選取的評(píng)價(jià)模型適用于塔河油田濕氣管道的內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)。研究管道于2011年投產(chǎn)運(yùn)行,基于目前的預(yù)測(cè)值,假設(shè)該濕氣管道按當(dāng)前最高腐蝕速率繼續(xù)發(fā)展,預(yù)估其剩余壽命為7 a,按照管道剩余壽命的一半確定再評(píng)價(jià)周期為3.5 a。

5 優(yōu)化后的評(píng)價(jià)方法

基于濕氣管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法(WG-ICDA),采用改進(jìn)的De Weard 95模型(見式3)對(duì)其間接評(píng)價(jià)過程進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后的評(píng)價(jià)方法可拓展到含硫濕氣管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)中,且形成如圖5所示的評(píng)價(jià)流程,適用于含有H2S的濕氣工況。

圖5 含硫濕氣管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法Fig.5 Direct evaluation method of inner corrosion of sulfur-containing wet gas pipeline

(3)

6 結(jié) 論

(1) 對(duì)濕氣管道進(jìn)行模擬研究發(fā)現(xiàn),管道內(nèi)腐蝕速率在積液部位波動(dòng)較大,同時(shí)形成了段塞流,提高了管道的內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn),管內(nèi)積液為H2S/CO2腐蝕創(chuàng)造了條件。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)積液較多時(shí),會(huì)形成連續(xù)的區(qū)域,其底部腐蝕較輕微,但邊緣處腐蝕較嚴(yán)重,這是由于積液起到一定的緩沖保護(hù)作用,避免了腐蝕性介質(zhì)與管壁直接接觸;當(dāng)積液段不連續(xù)時(shí),受到管內(nèi)壓力和溫度的影響,流體擾動(dòng)加劇,反應(yīng)加速,釋放出更多的H+,pH降低,腐蝕速率升高。因此,在研究濕氣管道內(nèi)腐蝕過程中,積液的影響不容忽視。

(2) 通過ECE腐蝕預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)De Weard 95模型進(jìn)行了改進(jìn),考慮了H2S/CO2腐蝕的影響,優(yōu)化了ICDA子區(qū)劃分區(qū)間,結(jié)合直接評(píng)價(jià)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)失效數(shù)據(jù),結(jié)果表明:應(yīng)用改進(jìn)的De Weard 95模型進(jìn)行腐蝕預(yù)測(cè),明顯優(yōu)于原有De Weard 95模型,同時(shí)驗(yàn)證了不連續(xù)積液對(duì)腐蝕造成的影響大于連續(xù)積液。

(3) 采用改進(jìn)的De Weard 95模型優(yōu)化了濕氣管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法(WG-ICDA)的間接評(píng)價(jià)過程,可拓展應(yīng)用到含硫濕氣管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)中,有效提升了含硫濕氣管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。