多元熱流體技術(shù)在稠油開采過程中具有顯著優(yōu)勢(shì),但多元熱流體地面集輸管道的腐蝕問題日趨嚴(yán)重。數(shù)據(jù)顯示,由腐蝕造成的地面管道失效案例占總案例的40%以上[1-3]。目前,針對(duì)多元熱流體的腐蝕問題研究多集中于注采管柱[4-8],而對(duì)地面管道的研究較少。黃強(qiáng)[9]對(duì)地面集輸管道在CO2/H2S/O2共存體系中的腐蝕機(jī)理進(jìn)行了研究；李佳航等[10]對(duì)石油天然氣管道中CO2的腐蝕機(jī)制(包括化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)和傳質(zhì)過程)進(jìn)行了深入討論,其研究對(duì)象的腐蝕環(huán)境與多元熱流體接近。董春蕾[11]根據(jù)腐蝕問題出現(xiàn)的原因,總結(jié)了地面管線常用的防腐蝕措施,有效提高了管線的運(yùn)行能力,這些措施對(duì)多元熱流體集輸管線的防腐蝕方法具有借鑒意義,但并不能完全適用。綜上所述,對(duì)于多元熱流體地面管道的腐蝕研究還處于探索階段[12-13],因此開展多元熱流體地面管道腐蝕失效方面的研究具有重要意義。 

作者結(jié)合新疆油田X井區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)情況,先介紹了一種多元熱流體地面管線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可對(duì)全管線的腐蝕情況進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。然后,根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果,挑選了具有代表性的失效樣品進(jìn)行分析,對(duì)多元熱流體地面管道的損傷程度和腐蝕行為進(jìn)行了評(píng)估。根據(jù)評(píng)估結(jié)果討論了20鋼地面管道的腐蝕機(jī)理,并通過室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證,以期為后續(xù)防腐蝕工藝的實(shí)施提供理論指導(dǎo)。 

1.   地面管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1.1   腐蝕監(jiān)測(cè)方案

為降低輸送成本,新疆油田X井區(qū)多元熱流體的注采工藝采用了集輸管線的運(yùn)輸方式,即一個(gè)多元熱流體發(fā)生器同時(shí)用于多口稠油井[14]。為簡(jiǎn)化系統(tǒng),以5口井為例介紹腐蝕監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)思路,圖1為腐蝕監(jiān)測(cè)方案示意。選擇配氣量較大的3口井進(jìn)行監(jiān)測(cè)。由于多元熱流體出口管線、多通閥計(jì)量配氣管匯(深藍(lán)色線)、單井注汽管線(黑色線)均為注入階段流經(jīng)管線,因此僅對(duì)靠近井口處的管線設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn),腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于出口下游10 m范圍內(nèi)；采出階段與注入階段管道內(nèi)流體不同,且流體組分更加復(fù)雜,需要對(duì)單井采油管線(藍(lán)色線)、集油管線(黃色線)進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于出口下游10 m范圍內(nèi)；同時(shí),集油管線末端需設(shè)置腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于末端上游10 m范圍內(nèi)。對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用腐蝕掛片方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。 

圖  1  腐蝕監(jiān)測(cè)方案示意

Figure  1.  Schematic diagram of corrosion monitoring scheme

1.2   腐蝕監(jiān)測(cè)方法

采用帶壓開孔器對(duì)管線上的腐蝕監(jiān)測(cè)掛片進(jìn)行安裝和拆卸(油氣管道腐蝕掛片懸掛裝置主要由裝置主體、懸掛探桿、閘板閥、放空接頭等零部件構(gòu)成),該方法已在新疆油田進(jìn)行應(yīng)用[15]。常規(guī)腐蝕掛片只能在地面管道停運(yùn)狀態(tài)下安裝,操作復(fù)雜,且不能實(shí)現(xiàn)對(duì)管線的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。而本方案中所用開孔器可在帶壓狀態(tài)下完成作業(yè),因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)管線的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。同時(shí),可通過腐蝕速率計(jì)算、化學(xué)成分分析等多種方法對(duì)掛片進(jìn)行綜合評(píng)估。 

腐蝕監(jiān)測(cè)周期可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整,定期取出腐蝕掛片進(jìn)行腐蝕損傷程度評(píng)估。腐蝕監(jiān)測(cè)掛片材料與監(jiān)測(cè)管線材料相同,以便于監(jiān)測(cè)管線的真實(shí)腐蝕情況,評(píng)估腐蝕行為。 

2.   腐蝕行為綜合評(píng)估

圖2是根據(jù)腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)挑選的具有代表性的失效管段。對(duì)該失效管段進(jìn)行宏觀檢查、壁厚測(cè)量、組織觀察、腐蝕速率計(jì)算、化學(xué)成分分析、腐蝕產(chǎn)物分析,以綜合評(píng)估地面管道在多元熱流體中的腐蝕行為。由于失效管段與該處腐蝕監(jiān)測(cè)掛片所處環(huán)境和所用材料均相同,因此腐蝕速率計(jì)算、化學(xué)成分分析、腐蝕產(chǎn)物分析都是針對(duì)腐蝕監(jiān)測(cè)掛片進(jìn)行的。 

圖  2  根據(jù)腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)挑選的失效管段

Figure  2.  Failed pipe section selected according to corrosion monitoring data

2.1   宏觀檢查

對(duì)失效管段進(jìn)行宏觀檢查。結(jié)果表明,失效管段的管徑為114 mm、長(zhǎng)107 mm,一側(cè)發(fā)生脹裂,脹裂側(cè)呈現(xiàn)黑色,脹裂側(cè)對(duì)立面仍可見綠色保護(hù)漆色；脹裂處最大張開口長(zhǎng)217 mm、寬107 mm,距裂口660 mm處的管體位置處有環(huán)焊縫；管段上共有3處發(fā)生鼓包變形。該管段包含了目前地面管道失效的幾種行為(開裂、鼓包等),分析結(jié)果對(duì)其他失效管件也有一定的參考價(jià)值。 

2.2   壁厚測(cè)量

在第二個(gè)鼓包位置將失效管段沿徑向切開,檢查發(fā)現(xiàn)：管件橫截面呈橢圓狀,且壁厚不均勻,最小壁厚為6.30 mm,如圖3(a)所示,最大壁厚為11.14 mm,如圖3(b)所示。最小壁厚值與最大壁厚值相差1倍,管體變形嚴(yán)重,不符合API中最小壁厚的要求[16]。從現(xiàn)場(chǎng)管道腐蝕的嚴(yán)重程度猜測(cè)管道失效的原因?yàn)闅涓g,但多元熱流體中腐蝕性氣體為CO2、O2,不會(huì)引起該類腐蝕。同時(shí),氫腐蝕按腐蝕程度分為氫腐蝕、氫脆和氫蝕三個(gè)階段[17],管體具體處于何種階段,還需結(jié)合后續(xù)化學(xué)成分分析進(jìn)行判斷。 

圖  3  失效管段橫截面壁厚測(cè)量

Figure  3.  Measurement of wall thickness on cross-section of failed pipe section: (a) minimum wall thickness; (b) maximum wall thickness

2.3   組織觀察

從失效管段的管體和裂口處取樣,進(jìn)行組織觀察和分析,結(jié)果如圖4和表1所示。由圖4可見,失效樣品的管體組織為鐵素體(F)和珠光體(P)；裂口處組織中除了鐵素體和珠光體,還出現(xiàn)了貝氏體(B)；裂口附近組織還出現(xiàn)了魏氏組織(WF),這說明腐蝕區(qū)域管道的化學(xué)成分發(fā)生了變化,這也是管體發(fā)生崩裂失效的原因之一。由表1可知：失效管段組織中共有3類(A、B、D)夾雜物,夾雜物等級(jí)介于0.5~1.0,這些夾雜物會(huì)嚴(yán)重影響管道的力學(xué)性能。 

圖  4  失效管段不同位置的顯微組織

Figure  4.  Microstructure at different positions of the failed pipe section: (a) pipe body；(b) fracture; (c) near fracture

2.4   腐蝕速率計(jì)算

利用超景深光學(xué)顯微鏡觀察失效管段處腐蝕掛片的三維形貌,結(jié)果如圖5所示。考慮到曲率的影響[18],測(cè)量得到圖中最大蝕坑深度為148 μm,按照式(1)計(jì)算腐蝕速率。腐蝕掛片的腐蝕速率即為失效管段的腐蝕速率。結(jié)果表明,失效管段的腐蝕速率為8.206 mm/a。根據(jù)GB/T 18590－2001《金屬和合金的腐蝕點(diǎn)蝕評(píng)定方法》標(biāo)準(zhǔn),該處管道腐蝕情況極為嚴(yán)重。 

式中：Rpit為腐蝕速率,mm/a；dm為蝕坑最大深度,mm；t為腐蝕時(shí)間,d。 

圖  5  失效管段處腐蝕掛片的三維形貌

Figure  5.  3D morphology of corrosion coupon at the failed pipe section

2.5   化學(xué)成分分析

使用ARL4460型直讀光譜儀測(cè)量失效管段處腐蝕掛片的各元素含量,結(jié)果見表2。由表2可見,掛片中各元素含量均符合GB/T 699－2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)20鋼的要求,這說明該管段并未進(jìn)入氫蝕階段。但其碳含量已經(jīng)到達(dá)了標(biāo)準(zhǔn)的臨界值,這說明如果腐蝕反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行,管段就會(huì)進(jìn)入氫蝕階段。綜合判斷失效管道處于氫脆向氫蝕轉(zhuǎn)化的階段。 

2.6   腐蝕產(chǎn)物分析

圖6為失效管段處腐蝕掛片的表面形貌。從圖6(a)中可以觀察到腐蝕產(chǎn)物有明顯的坑洞,且坑洞附近區(qū)域較為完好,相對(duì)比較光滑和致密。將該腐蝕坑區(qū)域放大后,可以觀察到腐蝕產(chǎn)物排列不均,顆粒大小也不一致,如圖6(b)所示。這說明管道局部腐蝕比較嚴(yán)重,且腐蝕后形成了不同的腐蝕產(chǎn)物膜,腐蝕產(chǎn)物膜出現(xiàn)了明顯的分層。 

圖  6  失效管段處腐蝕掛片的表面形貌

Figure  6.  Surface morphology of corrosion coupon at the failed pipe section: (a) low magnification; (b) high magnification

將樣品沿橫截面切開后,觀察其截面形貌,結(jié)果如圖7所示。在圖7(a)中可以更清楚地觀察到腐蝕產(chǎn)物的分層現(xiàn)象。對(duì)圖中腐蝕產(chǎn)物放大后可以發(fā)現(xiàn)：腐蝕產(chǎn)物膜下部區(qū)域中存在孔洞,這些孔洞導(dǎo)致了腐蝕坑的形成；腐蝕產(chǎn)物膜有兩種顏色,代表兩種不同的物質(zhì),這兩種物質(zhì)由不同的腐蝕反應(yīng)產(chǎn)生。 

圖  7  失效管段處腐蝕掛片的截面形貌

Figure  7.  Cross-sectional morphology of corrosion coupon at the failed pipe section: (a) low magnification; (b) high magnification

2.7   腐蝕原因分析

多元熱流體是天然氣、柴油或原油、空氣和水在燃燒室中密閉燃燒后產(chǎn)生的高壓混合氣體,主要成分是CO2、N2、H2O。其中,CO2和H2O會(huì)參與到地面管道的腐蝕反應(yīng)[19]。在燃燒不完全情況下,剩余的氧氣會(huì)嚴(yán)重腐蝕地面管道[20]。在多元熱流體中20鋼管道先發(fā)生了二氧化碳腐蝕,然后發(fā)生氧腐蝕。 

（1）二氧化碳腐蝕 

陽極反應(yīng)： 

陰極反應(yīng)： 

總反應(yīng)： 

正常情況下鐵與二氧化碳的反應(yīng)會(huì)到此結(jié)束,但由于井筒中存在氧氣,加之高溫環(huán)境的影響,碳酸亞鐵會(huì)與氧氣反應(yīng)生成疏松多孔的三氧化二鐵,反應(yīng)方程式見式(7)。這與化學(xué)成分分析中碳元素含量的測(cè)量結(jié)果是一致的。 

（2）氧腐蝕 

陽極反應(yīng)見式(2)。 

陰極反應(yīng)： 

總反應(yīng)： 

在氧氣腐蝕管道的過程中,隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng),H2含量會(huì)逐漸增加。H2會(huì)對(duì)管道造成氫腐蝕,長(zhǎng)期的氫腐蝕會(huì)使管道的力學(xué)性能急劇下降。 

3.   室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1   試驗(yàn)過程

為了探究氫腐蝕成因,選取20鋼為試樣,進(jìn)行了動(dòng)態(tài)腐蝕模擬試驗(yàn)[21]。采用控制變量法在不同試驗(yàn)條件下對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕速率評(píng)價(jià),以評(píng)估不同類型氣體(CO2和O2)對(duì)腐蝕速率的影響程度。試驗(yàn)介質(zhì)為模擬油田水,總壓為6 MPa,溫度分別為40、60、80、100、120、140 ℃,流速為0.4m/s、時(shí)間為24 h。 

共設(shè)置5組試驗(yàn),包括1組對(duì)照組和4組試驗(yàn)組,各組試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)置如下： 

（1）對(duì)照組：僅采用N2作為試驗(yàn)氣體,CO2分壓為0 MPa、O2分壓為0 MPa; 

（2）試驗(yàn)組1：采用單一CO2氣體,CO2分壓為1 MPa、O2分壓為0 MPa; 

（3）試驗(yàn)組2：采用單一O2氣體,CO2分壓為0 MPa、O2分壓為1 MPa; 

（4）試驗(yàn)組3：采用混合氣體,CO2分壓為0.2 MPa、O2分壓為0.8 MPa; 

（5）試驗(yàn)組4：采用混合氣體,CO2分壓為0.8 MPa、O2分壓為0.2 MPa。 

3.2   試驗(yàn)結(jié)果

圖8為不同試驗(yàn)條件下20鋼的腐蝕速率。在試驗(yàn)組1中當(dāng)參與反應(yīng)氣體僅為CO2時(shí),腐蝕速率隨溫度呈先增加后降低的趨勢(shì)。這是由于溫度的升高,分子運(yùn)動(dòng)速度加快,所以腐蝕速率增大；但當(dāng)溫度到達(dá)臨界點(diǎn)(80 ℃左右)時(shí),CO2在水中的溶解度隨溫度升高明顯降低,因此腐蝕速率開始減小。試驗(yàn)組2~4與試驗(yàn)組1中,腐蝕速率隨溫度的變化趨勢(shì)不同。試驗(yàn)組2~4中,隨溫度升高,腐蝕速率均呈現(xiàn)不同幅度的增大,這是由于這3組試驗(yàn)中O2對(duì)腐蝕速率的影響占主導(dǎo)作用,而溫度對(duì)其溶解度的影響較小。對(duì)比試驗(yàn)組1與試驗(yàn)組2~4可得,O2對(duì)腐蝕速率的影響比CO2大,隨著O2含量的增加,腐蝕速率明顯增大,這與腐蝕過程的推測(cè)結(jié)果一致。 

圖  8  不同試驗(yàn)條件下20鋼的腐蝕速率

Figure  8.  Corrosion rates of 20 steel under different test conditions

4.   結(jié)論與建議

（1）結(jié)合新疆油田X井區(qū)地面集輸管道特點(diǎn),設(shè)計(jì)了地面管道監(jiān)測(cè)方案；采用的腐蝕掛片監(jiān)測(cè)方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)管線的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。 

（2）綜合評(píng)估結(jié)果表明,20鋼地面管道在多元熱流體中腐蝕嚴(yán)重；表面顯微組織中觀察到貝氏體和魏氏組織,管道中碳含量減少；腐蝕產(chǎn)物主要成分為Fe2O3和Fe3O4。 

（3）結(jié)合地面管道腐蝕行為的評(píng)估結(jié)果,對(duì)腐蝕機(jī)理進(jìn)行了研究；在多元熱流體中20鋼管道先發(fā)生了二氧化碳腐蝕,然后發(fā)生氧腐蝕；反應(yīng)物中O2對(duì)腐蝕速率的影響最大,并通過室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證了這一結(jié)論。

文章來源——材料與測(cè)試網(wǎng)