耐酸混砂車優(yōu)化改造技術(shù)

艾 昆，孫好文

（中石化華北石油工程有限公司，河南鄭州 450006）

1 設(shè)備現(xiàn)狀

混砂車是油氣田儲(chǔ)層改造加砂壓裂的關(guān)鍵設(shè)備，目前常用的混砂車液體過(guò)流部分采用碳素鋼加工制作，耐酸性差，不能滿足酸中加砂的壓裂工藝要求，因此需對(duì)其進(jìn)行改造。

某混砂車采用雙吸雙排模式，兩邊均可作為吸入端或排出端接入吸入或排出管線，自2009 年投產(chǎn)以來(lái)一直用于加砂壓裂。該車的液體吸入/排出管路以及混合罐全部采用碳鋼加工制作，耐鹽酸腐蝕性能差，擬對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)。從拆解后的管路內(nèi)壁和混合罐來(lái)看，因長(zhǎng)期使用壓裂液體內(nèi)壁腐蝕嚴(yán)重（圖1）。

圖1 銹蝕的管匯內(nèi)壁

2 改造方案

對(duì)該混砂車進(jìn)行耐酸性改造，主要是對(duì)管匯、混合罐及其他附件等的優(yōu)化，改造難點(diǎn)是耐鹽酸材料的選擇。

2.1 鹽酸的特性

鹽酸是一種典型的非氧化性強(qiáng)酸。在各種化學(xué)試劑和強(qiáng)腐蝕性介質(zhì)中耐蝕的鋼稱為不銹耐酸鋼，但常用的奧氏體不銹耐酸鋼不耐鹽酸腐蝕。研究試驗(yàn)表明，奧氏體不銹耐酸鋼在鹽酸、氫氟酸等非氧化性酸中，其耐腐蝕性能與普通碳鋼差別不大。

很多不銹鋼可以耐氫氟酸或濃硫酸，但耐鹽酸性能一般，如奧氏體316L 不銹鋼耐常溫濃度低于15%的稀硫酸或濃度大于85%的濃硫酸。研究表明，雙相不銹鋼在氫氟酸中耐腐蝕性較好，主要是因?yàn)槟苄纬煞€(wěn)定、致密、可靠的鈍化膜，而雙相不銹鋼在鹽酸中形成的鈍化膜不致密、不穩(wěn)定。

2.2 混砂車吸入和排出管匯

2.2.1 管匯選材

現(xiàn)有廠家生產(chǎn)的耐酸混砂車吸入端通常采用鋼襯塑或不銹鋼，排出端采用不銹鋼，可能原因是基于吸入端沒(méi)有砂的沖刷、以耐酸為主。不銹鋼的耐砂沖刷性能優(yōu)于鋼襯塑，排出端考慮到有砂的沖刷而選用不銹鋼。

需要改造的混砂車輸送的壓裂液呈強(qiáng)堿性，pH 值一般為10～11，對(duì)普通碳素鋼的腐蝕性較強(qiáng)。實(shí)際使用中，混砂車壓裂完工后用清水對(duì)管路進(jìn)行沖洗，但難以沖洗徹底干凈且通風(fēng)不暢，管路內(nèi)壁腐蝕難以避免。從拆解后的吸入和排出管路內(nèi)壁來(lái)看，內(nèi)壁存在的問(wèn)題主要是腐蝕，排出管路的沖刷并不明顯，只是在排出砂泵的排出彎管處沖刷痕跡較明顯。因此，需要對(duì)管匯的選材進(jìn)行優(yōu)化、創(chuàng)新。

2.2.2 優(yōu)化方案

理論和大量的實(shí)踐表明，鋼襯塑的耐酸性優(yōu)于常用的奧氏體不銹鋼，特別是石油工程行業(yè)酸化壓裂常使用的鹽酸。優(yōu)化方案主要分兩個(gè)部分進(jìn)行：

（1）吸入/排出管路。由于是雙吸雙排，再加上砂子對(duì)管路的沖刷并不明顯，所有管匯內(nèi)壁主要是壓裂液的堿性腐蝕，因此所有管路優(yōu)先考慮的是耐鹽酸腐蝕，在排出砂泵出口彎管只需要考慮如何耐砂的沖刷。因此，吸入/排出管路采用鋼襯F-4（即聚四氟乙烯，簡(jiǎn)稱PTFE）。鋼襯F-4 是比較成熟的工藝，在化工耐酸領(lǐng)域由于管路復(fù)雜、焊縫較多，采用鋼襯塑明顯優(yōu)于316L不銹鋼管路。

（2）砂泵排出彎管部分。鋼襯F-4 耐酸耐堿性能優(yōu)越，但耐砂的沖刷性能差，不銹鋼耐沖刷性能尚可但耐酸性一般，經(jīng)調(diào)研一種超高分子量的聚乙烯可供選擇。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是當(dāng)今世界三大高科技特種纖維之一，分子量在200 萬(wàn)以上，具有質(zhì)輕、耐磨、耐腐蝕、強(qiáng)度高等特點(diǎn)，其耐磨性是碳鋼的5 倍以上，已在軍工、航天和民用等領(lǐng)域得到應(yīng)用。其缺點(diǎn)是加工難度大，在復(fù)雜管路難以進(jìn)行內(nèi)襯，但在結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的直管和彎管可以進(jìn)行內(nèi)襯。聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯表面都很光滑，摩擦因數(shù)很小（聚四氟乙烯的摩擦因數(shù)為0.04，超高分子量聚乙烯的小于0.09、碳鋼的大于0.3），有利于液體的流動(dòng)（圖2～圖3）。

圖2 襯過(guò)F-4 的法蘭

圖3 襯過(guò)UHMWPE 的彎管

2.3 混合罐

需要改造的原車混合罐為單罐單層結(jié)構(gòu)，排量較大時(shí)存在混合罐中心區(qū)域液面較低而供液不平穩(wěn)的現(xiàn)象。

2.3.1 結(jié)構(gòu)形式

近年來(lái)，主流混砂車制造廠家生產(chǎn)的混砂車混合罐采用雙層罐結(jié)構(gòu)，即罐中套罐的立式攪拌罐結(jié)構(gòu)，較單層攪拌罐主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）確保高砂比、大排量工況下能連續(xù)、均勻混合：吸入離心泵排出的液體從側(cè)面進(jìn)入外層罐中，在外腔形成切向流動(dòng)，液體在外腔中循環(huán)后，通過(guò)徑向孔流向內(nèi)腔，并與螺旋輸砂器輸來(lái)的支撐劑（石英砂或陶粒砂）充分混合。由于內(nèi)腔表面積較大，支撐劑被完全浸濕，在攪拌器作用下支撐劑和原膠液連續(xù)攪拌成均勻的攜砂液，在內(nèi)腔底部排出口到排出砂泵之間最大限度減少氣體產(chǎn)生，也避免了混合罐液面過(guò)低導(dǎo)致的排出泵抽空現(xiàn)象。

（2）保證小砂比和小排量時(shí)的混合效果：罐中套罐的結(jié)構(gòu)結(jié)合了大表面積原理，同時(shí)保證小砂比和小排量時(shí)的混合效果，確保攜砂液在混合罐中停留最短的時(shí)間，避免沉砂，并增加添加劑添加系統(tǒng)及控制系統(tǒng)的精確性。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，本次混砂車改造優(yōu)選罐中套罐的雙層罐結(jié)構(gòu)，并配有雷達(dá)液位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)液面高度的自動(dòng)控制。

2.3.2 罐體選材

聚四氟乙烯的耐鹽酸性能明顯優(yōu)于常用的奧氏體不銹鋼，但混合罐襯塑存在一定難度，而耐鹽性腐蝕性能好的哈氏合金、因科乃爾合金等價(jià)格較高，性價(jià)比較差。

酸化壓裂所用鹽酸濃度已稀釋到20%左右，并添加一定比例緩蝕劑，腐蝕性已經(jīng)降低，其對(duì)管路、罐體等的腐蝕位置主要是焊縫（無(wú)論是普通碳素鋼還是316L 不銹鋼）。焊縫腐蝕較快的主要原因是焊縫的晶間腐蝕，其他部位腐蝕速率很慢，罐體也并非長(zhǎng)時(shí)間存放鹽酸，作業(yè)完工后可及時(shí)清洗并保持通風(fēng)。因此，可采用316L 奧氏體不銹鋼焊接罐體，但應(yīng)盡量避免或減輕焊縫的晶間腐蝕，一旦焊縫發(fā)生明顯腐蝕則應(yīng)及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)焊處理。

2.3.3 減少晶間腐蝕的措施

焊縫晶間腐蝕是最常見(jiàn)的腐蝕破壞形式之一。根據(jù)貧鉻理論，焊縫和熱影響區(qū)在加熱到450～850 ℃時(shí)，在晶界上析出高鉻碳化鉻，使晶間鉻含量降低至鈍化所必需的最低含量（11%）以下、形成貧鉻區(qū)。當(dāng)與腐蝕性介質(zhì)接觸時(shí)，晶間貧鉻區(qū)相對(duì)于碳化物和固溶體其他部分將形成小陽(yáng)極對(duì)大陽(yáng)極的微電池，從而發(fā)生嚴(yán)重的晶間腐蝕。

2.3.3.1 影響因素分析

由保溫時(shí)間、溫度和晶間腐蝕的關(guān)系可知，影響晶間腐蝕的因素主要有溫度和時(shí)間（圖4）。

圖4 保溫時(shí)間、溫度和晶間腐蝕的關(guān)系

（1）溫度低于450 ℃時(shí)，碳原子等沒(méi)有足夠的擴(kuò)散能量，不會(huì)析出碳化物。

（2）溫度高于850 ℃時(shí)，碳化物有可能會(huì)析出，但很快又會(huì)重新溶入奧氏體中，因此不會(huì)造成晶間腐蝕。

（3）溫度處于450～850 ℃時(shí)，如果時(shí)間很短、碳來(lái)不及擴(kuò)散到邊界，貧鉻亦不會(huì)發(fā)生；如果時(shí)間很長(zhǎng)，鉻就會(huì)充分?jǐn)U散到晶界進(jìn)行補(bǔ)充，使晶間的貧鉻消失或達(dá)到鈍化所需的鉻濃度，即出現(xiàn)“二次穩(wěn)定狀態(tài)”，也不會(huì)發(fā)生晶間腐蝕。

2.3.3.2 減少晶間腐蝕的措施

根據(jù)上述分析，為有效較少晶間腐蝕的發(fā)生，進(jìn)行焊縫焊接時(shí)宜采取以下措施。

（1）超低碳法：控制焊縫和母材的含碳量低于0.04%，可大幅降低碳化鉻的析出量；316L 不銹鋼含碳量為0.03%，而316 不銹鋼的含碳量為0.08%、其性能不及316L。

（2）控制在危險(xiǎn)溫度區(qū)的停留時(shí)間。采用小電流、快速焊，快焊快冷，使碳來(lái)不及析出。一般焊接電流應(yīng)比焊接低碳素鋼小20%，多層焊時(shí)應(yīng)等前面冷卻徹底后再焊下一層。

（3）穩(wěn)定化退火：加熱到850～900 ℃、保溫2～5 h后空冷，在這個(gè)溫度區(qū)元素在金屬中的擴(kuò)散非?？欤咕Я８魈幍你t量均勻，進(jìn)入二次穩(wěn)定區(qū)。

2.4 其他零部件

其他部件主要有吸入離心泵、排出砂泵以及各尺寸蝶閥。

（1）離心泵選擇鋼襯F-4 耐酸化工泵。

（2）砂泵選擇高硅鑄鐵泵。由于陶粒砂的巨大沖刷效應(yīng)，砂泵選用高硅鑄鐵材料。硅含量為14.5%～18.0%的鐵碳合金稱為高硅鑄鐵，依靠硅合金化而獲得鈍化能力，在任何濃度的硫酸、磷酸、室溫的鹽酸等溶液中有良好的耐蝕性。

（3）采用常規(guī)的塑料蝶閥。

3 結(jié)束語(yǔ)

排出/吸入管匯采用鋼襯塑工藝進(jìn)行耐酸防腐，主要是基于管匯結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊縫太多、通風(fēng)不暢等因素，而混合罐采用奧氏體316L 不銹鋼材料焊接，主要是其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、焊縫少、易于通風(fēng)等因素，即使出現(xiàn)局部腐蝕也易于修補(bǔ)。

改造后的耐酸混砂車既可用于酸中加砂壓裂工藝，也可用于常規(guī)加砂壓裂工藝或酸化壓裂工藝，而且塑料摩擦因數(shù)明顯低于普通碳素鋼，有利于液體流動(dòng)，充分保障吸入、供液。該改造工藝主要有兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)，一是吸入/排出管路首次全部采用鋼襯F-4，二是首次將超高分子量聚乙烯（UPE）材料應(yīng)用于耐酸混砂車管路。同時(shí)，對(duì)采用316L 奧氏體不銹鋼焊接混合罐焊縫的晶間腐蝕提出了控制措施，能有效避免或減少焊縫的晶間腐蝕。