中東某油田的核桃殼過濾器撬塊內(nèi)管線,從2014年至今,腐蝕穿孔頻繁,盡管更換核桃殼過濾器塊橇內(nèi)管線的費(fèi)用并不高,但給油田的正常計(jì)劃生產(chǎn)造成了諸多不便。

核桃殼過濾器位于中央處理站水處理系統(tǒng),位于緩沖罐與注水罐之間,主要用于清除油田采出水的懸浮物、結(jié)垢物等雜質(zhì),達(dá)到凈化水質(zhì)的目的。核桃殼過濾器撬塊內(nèi)由2″-12″的管線、三通及彎頭構(gòu)成,其中管線材料均為L(zhǎng)245鋼,其特點(diǎn)是空間緊湊、管線復(fù)雜,相鄰管線間最短距離僅為25.6 cm。此外,在管線上多處安裝有儀表引壓管、排污管等小分支管。核桃殼過濾器撬塊內(nèi)管線的運(yùn)行溫度為55~60 ℃,運(yùn)行壓力較低,約為0.5 MPa,日處理量為5 520 m2(詳細(xì)工況參數(shù)如表1所示)。由于采出水礦化度高,且總硫含量較高(詳細(xì)離子含量如表2所示),管線存在垢下腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。

為徹底解決核桃殼過濾器撬塊內(nèi)管線的腐蝕問題,筆者從調(diào)研、試驗(yàn)、施工與經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)等方面,優(yōu)選出耐蝕性好、易加工且經(jīng)濟(jì)性較好的管材,保障核桃殼過濾器順利運(yùn)行。

1. 管材的篩選

通過文獻(xiàn)調(diào)研了國(guó)內(nèi)油氣田水處理系統(tǒng)在用管材的應(yīng)用情況,初步篩選出了四種適用于核桃殼過濾器撬塊內(nèi)管線的管材。其中,金屬管材的篩選依據(jù)為類似工況下的耐蝕性,非金屬管材的篩選依據(jù)為耐溫性及其與水介質(zhì)的相容性。具體調(diào)研結(jié)果如下。

陜北某天然氣處理廠回注水系統(tǒng)中主要采用L245鋼,少數(shù)設(shè)施采用316L不銹鋼。現(xiàn)場(chǎng)回注水(礦化度29 794.94 mg/L)中腐蝕掛片結(jié)果表明,L245鋼掛片的腐蝕速率為0.149 3 mm/a,316L不銹鋼掛片的腐蝕速率為0.001 2 mm/a。總體來(lái)看,316L不銹鋼腐蝕較輕微[1]。針對(duì)長(zhǎng)慶油田某區(qū)域油水混合采出液的腐蝕,孫銀娟等[2]采用腐蝕加速試驗(yàn),研究了55 ℃、10 000 mg/L Cl-、100 mg/L Ca2+下316L不銹鋼的耐蝕性。結(jié)果表明,316L不銹鋼的腐蝕速率低于0.003 7 mm/a,表現(xiàn)出良好的耐蝕性。

針對(duì)烏石區(qū)塊典型高礦化地層水的腐蝕,馬磊等[3]研究了含Cr低合金鋼(Cr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%~5%)在高溫高壓高礦化度環(huán)境中的耐腐蝕性能。研究指出,Cr含量的升高使低合金鋼的均勻腐蝕和局部腐蝕速率均呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。后續(xù)選取應(yīng)用較廣泛的3Cr低合金鋼(以下簡(jiǎn)稱3Cr鋼)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

抗菌不銹鋼具有良好的抗菌性,其中含Cu抗菌不銹鋼應(yīng)用最為廣泛[4-5],對(duì)比了有無(wú)添加Cu元素的X80管線鋼的耐微生物腐蝕性能。結(jié)果表明,含Cu的X80管線鋼表面只產(chǎn)生少量的點(diǎn)蝕坑,且分布不均勻,不含Cu的X80鋼表面產(chǎn)生大量的點(diǎn)蝕坑。于浩波等[6]采用室內(nèi)浸泡試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了含Cu抗硫管線鋼和L245NCS管線鋼的微生物腐蝕行為。室內(nèi)浸泡試驗(yàn)結(jié)果表明,L245NCS鋼表面存在大量點(diǎn)蝕坑,生物膜內(nèi)有微生物菌落聚集。而含Cu抗硫管線鋼表面微生物數(shù)量顯著減少,試樣表面大面積平整,可觀察到打磨痕跡,表明其具有良好的抗菌作用。現(xiàn)場(chǎng)服役6個(gè)月試驗(yàn)結(jié)果顯示,L245NCS管線鋼的點(diǎn)蝕速率為16 mm/a,而含Cu抗硫鋼管道底部?jī)H出現(xiàn)斑狀的局部腐蝕特征,斑下顯現(xiàn)輕微的局部腐蝕形貌,腐蝕速率僅為0.02 mm/a。

PE-RT II管材由高密度聚乙烯與其他烯烴共聚而成,具有可焊接性,可采用熱熔焊接與電熔焊接的方法進(jìn)行施工。耐高溫聚乙烯(PE-RT II)管材耐高溫,適用溫度為-40~95 ℃,其缺點(diǎn)是不能長(zhǎng)時(shí)間在高溫環(huán)境中使用,陽(yáng)光照射會(huì)加速管材老化,影響管道的耐壓性能,縮短使用壽命[7-8]。因其造價(jià)低、易安裝、耐腐蝕等特點(diǎn),在壓力小于1.6 MPa的冷熱水管線、熱力管網(wǎng)、工業(yè)輸送系統(tǒng)中均有較好的應(yīng)用。

基于油氣田水處理系統(tǒng)在用管材調(diào)研分析結(jié)果,初步篩選出了可用作核桃殼過濾器撬塊內(nèi)管線的四種管材：金屬材料選用耐蝕性較好的316L不銹鋼、3Cr鋼及抗菌鋼；非金屬管材選用具有良好耐溫性能及與水介質(zhì)相容性較好的PE-RT II管材。在此基礎(chǔ)上,分別對(duì)上述管材進(jìn)行適用性評(píng)價(jià)、施工及維護(hù)評(píng)價(jià)以及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)。

2. 評(píng)價(jià)方法

2.1 適用性評(píng)價(jià)

對(duì)于PE-RT II非金屬管材來(lái)說(shuō),決定其適用性的是理化性能及其與服役介質(zhì)的相容性。參照標(biāo)準(zhǔn)ISO 22391-2-2009Plastics Piping Systems for Hot and Cold Water Installations-Polyethylene of Raised Temperature Resistance(PE-RT)Part2:Pipes,對(duì)其理化性能進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試項(xiàng)目包括管材基礎(chǔ)屬性(密度)、管材熱學(xué)性能(熔體流動(dòng)速率、氧化誘導(dǎo)時(shí)間)、力學(xué)性能(抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷后伸長(zhǎng)率、拉伸模量、彎曲模量),測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)、試驗(yàn)設(shè)備及型號(hào)、試驗(yàn)方法如表3所示。

相容性評(píng)價(jià)試驗(yàn)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO/DIS 23936-1:2022(EN)Oil and Gas Industries Including Lower Carbon Energy-Non-Metallic Materials in Contact with Media Related to Oil and Gas Production-Part1:Thermoplastics中推薦的全浸試驗(yàn)法。PE-RT II管的生產(chǎn)廠家為蘇州市萬(wàn)年通管業(yè)有限公司,管線尺寸為?110 mm×15 mm,設(shè)計(jì)壓力為1.25 MPa。將管材切割為長(zhǎng)20 cm的管段,取三個(gè)平行樣,沿軸向剖開,觀察記錄試驗(yàn)前試樣宏觀形貌。試驗(yàn)前,用刻字筆在試樣側(cè)面進(jìn)行編號(hào),依次用去離子水和無(wú)水乙醇超聲波清洗表面粉塵,冷風(fēng)吹干。試驗(yàn)參數(shù)取核桃殼過濾器撬塊典型的工況參數(shù)(見表1與表2),試驗(yàn)周期為720 h。將準(zhǔn)備好的三個(gè)平行樣安裝在特制的試驗(yàn)架上,放入反應(yīng)釜內(nèi)的腐蝕介質(zhì)中,試驗(yàn)裝置見圖1。通入高純氮?dú)獬踔?.05 mg/L,然后通入高純氮?dú)馍龎荷郎氐皆囼?yàn)要求,開始試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后,觀察管材內(nèi)壁和外壁的宏觀形貌,拍照記錄。對(duì)試驗(yàn)后的試樣進(jìn)行理化性能測(cè)試,通過對(duì)比相容性評(píng)價(jià)試驗(yàn)前后試樣的理化性能,明確其在核桃殼過濾器撬塊服役環(huán)境中的相容性。

圖 1相容性評(píng)價(jià)試驗(yàn)裝置示意圖

Figure 1.Sechematic of compatibility evaluation test device

對(duì)316L不銹鋼、3Cr鋼及抗菌鋼來(lái)說(shuō),依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 11845-2020Corrosion of Metals and Alloys-General Principles for Corrosion Testing開展適用性評(píng)價(jià)試驗(yàn),試驗(yàn)周期為720 h。316L不銹鋼試樣為揚(yáng)州科力環(huán)保設(shè)備有限公司提供的成品掛片,尺寸為50 mm×25 mm×2 mm,抗菌鋼與3Cr鋼試樣均為寶鋼提供的掛片,尺寸均為50 mm×13 mm×3 mm,三種材料的化學(xué)成分詳見表4,每組設(shè)置3個(gè)平行試樣,試樣表面粗糙度≤1.6 μm。試驗(yàn)前,使用刻字筆編號(hào),并依次用丙酮除油,去離子水和無(wú)水乙醇超聲波清洗表面粉塵,冷風(fēng)吹干后,測(cè)量每組試樣尺寸(精確到0.01 mm)及質(zhì)量(精確到0.1 mg)。將準(zhǔn)備好的試樣相互絕緣安裝在特制的試驗(yàn)架上,放入反應(yīng)釜內(nèi)的腐蝕介質(zhì)。試驗(yàn)裝置如圖1所示,通入高純氮?dú)獬踔?.05 mg/L,然后,通入高純氮?dú)馍龎荷郎氐皆囼?yàn)要求。試驗(yàn)結(jié)束后,觀察試樣的宏觀腐蝕形貌,并拍照記錄,然后根據(jù)ISO/FDIS 8407-2020Corrosion of Metals and Alloys-Removal of Corrosion Products from Corrosion Test Specimens推薦的方法去除試樣表面腐蝕產(chǎn)物,無(wú)水酒精除水后烘干。利用失重法計(jì)算腐蝕速率,見式(1)。以腐蝕形態(tài)與腐蝕速率為判據(jù),參照NACE RP 0775-2018Preparation,Installation,Analysis,And Interpretation of Corrosion Coupons In Oilfield Operations對(duì)碳鋼腐蝕程度進(jìn)行劃分,腐蝕分類標(biāo)準(zhǔn)詳見表5所示。評(píng)價(jià)三種材料在核桃殼過濾器撬塊服役環(huán)境中的耐蝕性,優(yōu)選出適用核桃殼過濾器撬塊服役環(huán)境的材料。

式中：vcorr為均勻腐蝕速率,mm/a；m1為試驗(yàn)前試樣質(zhì)量,g；m2為試驗(yàn)后試樣質(zhì)量,g；S為試樣表面積,cm2；t為試驗(yàn)周期,h；D為試樣密度,kg/m3。

2.2 施工及維護(hù)評(píng)價(jià)

針對(duì)調(diào)研優(yōu)選的四種管材,在滿足核桃殼過濾器撬塊內(nèi)施工條件下,從管線現(xiàn)場(chǎng)組裝連接方法、注意事項(xiàng)以及后期維護(hù)角度進(jìn)行評(píng)價(jià),分析其現(xiàn)場(chǎng)施工與維護(hù)的可行性。

2.3 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

在適用性評(píng)價(jià)與施工及維護(hù)評(píng)價(jià)基礎(chǔ)上,重點(diǎn)對(duì)調(diào)研優(yōu)選的四種管材的材料費(fèi)、現(xiàn)場(chǎng)施工設(shè)備費(fèi)、人員費(fèi)等進(jìn)行綜合分析,最終優(yōu)選出適用性、施工及維護(hù)可行性、經(jīng)濟(jì)性均較好的管材。

3. 結(jié)果與討論

3.1 適用性評(píng)價(jià)

相容性評(píng)價(jià)試驗(yàn)前后PE-RT II管材宏觀形貌分別如圖2和圖3所示。結(jié)果表明,相容性試驗(yàn)前PE-RT II管材外壁和內(nèi)壁均無(wú)明顯缺陷及損傷,試溶解、氣泡、開裂及變形的現(xiàn)象。

圖 2相容性評(píng)價(jià)試驗(yàn)前PE-RT II管材試樣的宏觀形貌

Figure 2.Macroscopic morphology of PE-RT II pipe sample before compatibility evaluation test: (a) inner wall of 1#sample; (b) outer wall of 1#sample; (c) inner wall of 2#sample; (d) outer wall of 2#sample; (e) inner wall of 3#sample; (f) outer wall of 3#sample

圖 3相容性評(píng)價(jià)試驗(yàn)后PE-RT II管材試樣的宏觀形貌

Figure 3.Macroscopic morphology of PE-RT II pipe sample after compatibility evaluation test: (a) inner wall of 1#sample; (b) outer wall of 1#sample; (c) inner wall of 2#sample; (d) outer wall of 2#sample; (e) inner wall of 3#sample; (f) outer wall of 3#sample驗(yàn)后PE-RT II管材內(nèi)外壁未見

由表6可見：相容性試驗(yàn)后PE-RT II管材的材料屬性、熱學(xué)性能、力學(xué)性能等均未出現(xiàn)顯著變化,且均滿足ISO 22391-2-2009標(biāo)準(zhǔn)的要求,在核桃殼過濾器撬塊內(nèi)服役工況下具有良好的適用性。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 22391-2-2009,在80 ℃工作環(huán)境中,對(duì)于設(shè)計(jì)壓力1.25 MPa的PE-RT II管(規(guī)格為4″,外徑110 mm,壁厚10 mm),假設(shè)試驗(yàn)開始時(shí)管內(nèi)壓為1.15 MPa,通過公式(2)計(jì)算靜液壓強(qiáng)度與管內(nèi)壓。試驗(yàn)開始時(shí)靜液壓強(qiáng)度為5.8 MPa。通過PE-RT II管材預(yù)測(cè)靜液壓強(qiáng)度參照曲線外推,可以看出當(dāng)使用年限為20 a左右時(shí),PE-RT II管材的靜液壓強(qiáng)度為4.6 MPa,根據(jù)式(2)可以計(jì)算出此時(shí)管內(nèi)壓為0.92 MPa,即設(shè)計(jì)壓力1.25 MPa的PE-RT II管(4″)在80 ℃、0.92 MPa內(nèi)壓條件下可使用20 a不滲漏。由于核桃殼過濾器撬塊內(nèi)管線工作壓力為0.5 MPa,使用溫度為55~60 ℃,可以預(yù)測(cè)使用設(shè)計(jì)壓力為1.25 MPa的PE-RT II管的使用年限超過20 a。因此,PE-RT II管在核桃殼過濾器撬塊內(nèi)管線服役環(huán)境中具有良好的適用性,可滿足在核桃殼過濾器中長(zhǎng)期服役的要求。

式中：σ為靜液壓強(qiáng)度,MPa；P為管線內(nèi)壓,MPa；dem為管材平均外徑,mm；emin為管材最小壁厚,mm。

從圖4中可以看出：抗菌鋼、3Cr鋼表面有均勻腐蝕痕跡,未見明顯局部腐蝕；316L不銹鋼試樣表面金屬光澤仍清晰可見,腐蝕輕微。從圖5中可以看出：模擬工況下抗菌鋼和3Cr鋼的均勻腐蝕速率均遠(yuǎn)小于0.125 mm/a,為NACE RP 0775-2018標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的中度腐蝕；316L不銹鋼均勻腐蝕輕微,腐蝕速率僅為0.001 1 mm/a。上述結(jié)果表明,316L不銹鋼、3Cr鋼、抗菌鋼在核桃殼過濾器撬塊內(nèi)工況下的耐腐蝕性能均較好。

圖 4耐蝕性試驗(yàn)后316L不銹鋼、3Cr鋼和抗菌鋼試樣的宏觀形貌(酸洗后)

Figure 4.Macroscopic morphology of 316L stainless steel (a), 3Cr steel (b) and antibacterial steel (c) samples after corrosion resistance test (after pickling)

圖 5316L不銹鋼、抗菌鋼、3Cr鋼試樣在模擬環(huán)境中的均勻腐蝕速率

Figure 5.Uniform corrosion rate of 316L stainless stee, 3Cr steel and antibacterial steel samples in simulated environment

2″管設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa,壁厚為5.54 mm,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 559-1991中推薦的方法,計(jì)算管內(nèi)壓,如式(3)所示。參照圖5所示的腐蝕速率,在嚴(yán)格控制溶解氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)<50 μg/L的情況下,僅考慮腐蝕因素,核桃殼過濾器撬塊內(nèi)管線使用316L不銹鋼、3Cr鋼、抗菌鋼的預(yù)計(jì)使用年限均超過25 a。

式中：P為管線內(nèi)壓力,MPa；S為鋼管的壁厚,mm；D為鋼管的外徑,mm；R為允許應(yīng)力,為鋼管材質(zhì)的下屈服強(qiáng)度的60%,MPa。

3.2 施工及維護(hù)評(píng)價(jià)

對(duì)于PE-RT II管材,通常使用熱熔焊接與電熔焊接的方式進(jìn)行施工[9]。其中,對(duì)于滿足熱熔焊接設(shè)備尺寸要求的管線,優(yōu)先選用熱熔焊接；對(duì)于相鄰管線間距小于26 cm的管線,使用電熔焊接?？紤]到主管線上儀表引壓管、排污等小分支開孔情況,為避免在工作壓力下開孔位置發(fā)生滲漏,可在確定儀表引壓管或排污孔的小分支開孔位置后,準(zhǔn)備異徑三通與連接儀表的內(nèi)絲管件,通過熱熔焊接或者電熔焊接的方式與PE-RT II管連接,最后將內(nèi)絲管件與儀表連接。需要注意的是,當(dāng)PE-RT II管受陽(yáng)光紫外線照射時(shí),容易產(chǎn)生老化等情況,在PE-RT II管材后期維護(hù)中,需要對(duì)PE-RT II管及配件增加外防護(hù),比如鐵皮或鋁皮防護(hù)等,避免PE-RT II管件及配件受到紫外線的直射[10]。同時(shí),需要對(duì)外防護(hù)金屬的腐蝕情況進(jìn)行定期檢查,確保其對(duì)紫外線起到完全隔離的作用。

對(duì)于三種金屬管材,均可通過電焊的方式進(jìn)行施工,在后期維護(hù)中需要定期對(duì)管線壁厚進(jìn)行檢測(cè),當(dāng)管線壁厚接近臨界使用壁厚時(shí),需要及時(shí)對(duì)管線進(jìn)行更換。

基于上述分析,將核桃殼過濾器撬塊內(nèi)管線更換為PE-RT II管材、316L不銹鋼、3Cr鋼、抗菌鋼,從施工及維護(hù)的角度來(lái)看,具備可行性。

3.3 經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)

PE-RT II、316L不銹鋼、3Cr鋼、抗菌鋼管材的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)結(jié)果如圖6所示,其中各材質(zhì)的費(fèi)用均包含核桃殼過濾器撬塊內(nèi)管線用全部管材費(fèi)用、現(xiàn)場(chǎng)施工費(fèi)用、焊接施工設(shè)備費(fèi)用及稅費(fèi)。從經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)結(jié)果可以看出,PE-RT II管材的經(jīng)濟(jì)性最佳,抗菌鋼比PE-RT II管材略高,3Cr鋼價(jià)格為PE-RT II管的2.3倍,316L不銹鋼價(jià)格約為PE-RT II管的6.8倍。

圖 6四種材質(zhì)管材的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)結(jié)果

Figure 6.The economic evaluation results of four kinds of pipe material

4. 結(jié)論

(1)相容性評(píng)價(jià)試驗(yàn)后,PE-RT II管材表面無(wú)溶解、氣泡、開裂及變形,316L不銹鋼、3Cr鋼和抗菌鋼表面呈均勻腐蝕形貌,四種管材在相應(yīng)工況下服役周期均超過20 a。

(2) PE-RT II管材、316L不銹鋼、3Cr鋼價(jià)和抗菌鋼均能滿足在核桃殼撬塊內(nèi)的安裝施工要求。

(3) PE-RT II管材經(jīng)濟(jì)性最佳。

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