含CO2油气混输管道动态腐蚀研究.pdf

第 1 期 ．． 4 9． ． 含c O 2 油气混输管道动态腐蚀研究 刘萍萍 ，李悦钦 ，古丽 1 ． 中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司，四川 成都 6 1 0 0 4 1 2 ． 西南石油大学石油天然气装备教育部重点实验室。四川 成都 6 1 0 5 0 0 [ 摘 要]以国内某高温高压气田为例，应用失效分析理论、流体动力学理论和数值模拟方法，分析了高温高压高含气 气体 体积分数约为9 5 ％油气混输管道动态腐蚀机理。样品失效源于高温高压环境下不均匀分布的气液混合物c O 2 腐蚀一冲蚀共同作 用。； 良 井 日 沉积和结构引 起的湍动对管壁的冲击是管壁减薄的主要原因。根据现场试验， 研究了高温高压条件TC O 2 动态腐蚀规 律 ，提 出了相 关结论。 [ 关键词]高温高压；油气混输；c o 2 ；腐蚀一冲蚀 随着深 层含CO 油气藏 的开发 以及 多相混 输 技术的．立用，集输管道越来越多地处于含C O 油 气水多相环境 中。与此同时 ，出现 了越 来越 多的 失效 问题 ，给油气 田造成 较大经济损 失和 安全 隐 患 ，限制 了混输 技术 的应用 。针对 多相混输 失效 问题 ，一些学者基于反应 釜或 自行简化 设计 的试 验环道进行了许多含固相粒子的冲蚀一腐蚀实验 研究，结果认为由多相流腐蚀与流动交互作用 引发 的冲蚀 一腐蚀是石油化工管道失效 的主要原 因；多相流的冲蚀一腐蚀主要与介质腐蚀性、含 固相情况 、流速 以及管输介质流动形态等 因素有 关 ；冲蚀 一腐蚀协 同作用 明显 。而对不含 固相 的 较 高流速 的冲蚀 一腐蚀 ，尚无较为系统 的研究 ， 多数学者将这种不含 固相 的环境归为 “ 腐蚀 ”进 行研究[ 1 ．3] ，在实际应用中存在着较大局限性。 本文 以我 国某 高温高压凝析气 田为例 ，应用 失效分析理论 、流体动力学理论和数值模拟方法 及现场试验，系统分析得出C O 动态腐蚀的失效 机理及作用规律，为类似油气田的开发和工程设 计提供基础 ，从而有效保证油气传输系统的完整 性 。 l 失效形貌分析 国内某 高温 高压凝析 气 田集输系统采用气液 混输、高压集气工艺，集输温度约为6 5 ℃，天然 气中CO 含量0 ． 3 2 ％，地面集输系统 中CO 分压为 0 ． 0 4 MP a ，原油具有密度低 ，粘度低，凝 固点低 ， 含硫低的特点。该气田投产一年多，站内碳钢集 输管线多次出现壁厚严重减薄以及刺漏、穿孔等 事故，局部腐蚀率高达1 2 m m ／ a ，管道平均每3 ～ 5 月 更换一次 ，严重影响正常生产 ，形成严重 的安全 隐患。 经 对 该气 田某 站 场大 量 失 效三 通管 件 的调 研 ，发现该环 境中三通 管件 的失效具有 明显 的腐 蚀和冲蚀特 征。管件 下部壁 厚减薄严重 ，表面较 为光滑且伴有明显的冲蚀沟槽 ；上部壁厚减薄量 较小，有腐蚀产物层和大量蚀坑存在；管件下游 损坏 比上游严重。 2 数值模拟 随着对两相流动现象本质认识 的不 断加深及 计算流体力学 的发展 ，有可能对复杂的两 相流过 程进行较 为精确 的数值模拟 r 4 ] 。应用数值计算方 法 ，进行失效三通部件的流场模拟验证 ，展现气 液两相流 内部流场特征 ，结合失效形貌 ，得 出引 起失效的主要结论。 2 ． 1 模型及参数设定 采用稳态模拟，多相流模型选用欧拉一欧 拉 多相流模型 ，界面传递采 用离子模 型。由于气 相含量很高 ，液相含量较低 ，设气相 为连续相 ， 而液 相 为离 散相 。气 相和 液相 湍 流模 型分别 为 k E p s i l o n 模型 1 Z e r o E q u a t i o n t ，两相 界面张力 系数为0 ． 0 2 N／ m[卅 。边界条件为质量入 口和压力出 口进 口为气液两相质量流率 5 ． 1 6 和2 ． 1 4 k g ／ s 和体积分数 0 ． 9 4 8 8 5 fl 0 ． 0 5 1 2 ；出 口为截面平均 静压，1 1 ． 4 MP a 。因现场 中，样 品入 口前有较长的 直管段，可以认为样品在入口前不存在涡旋或其 作者简介刘萍萍 1 9 8 7 一， 女， 西南石油大学化工过程机 械专业，硕士。中国石油集团工程设计有限责任公司西南分公司 助理工程 师。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 2 一 ■ 腐蚀防护 石 油 和 化工 设备 2 01 3 年第1 6 卷 根据检测数据 ，各直管段平均壁厚减薄率如 图6 各直管段平均壁厚减薄率 1 在离三通较远的直管 中 图6 中2 ，随 着气液两相折算流速的增加，壁厚减薄率反而减 小 ，Z1 段减薄率远大于后三个直管段 ，Z 2 、Z 3 、 Z 4 的减薄率小于其在静态腐蚀下的腐蚀率0 ． 5 3 mm／ a ，说明流速增大对金属钢材起到 了保护作用 。因 为在离三通较远处，流 动 比较平稳 ，湍动很小 ， 冲蚀较小或者几乎不存在，此时，CO 腐蚀是主导 作用。有研究表明【 3 】 ，高流速会影ll F e 的溶解动力 学和F e C O 形核，形成一个虽薄但更具保护性 的薄 膜 ，提 高流速 ，腐蚀速率反而降低 。因此该研 究 条件下 ，无湍动 时，流速 的增大对管壁具有 良好 的保护作用 ，此 时，流速增大通过影响腐蚀过程 来影响减薄率，与 田光[ 8 】 的腐蚀实验研究相似 。 2 在离三通较近的直管 中 图6 中1 ，随 着流速的增 加 ，整体呈现先增大后减小再增大的 趋势；较 大流速 时的侵蚀率远小于较小流速 的减 薄率 Z1 [1 Z 2 的减薄率远大于Z 3 D Z 4 ，笔者认 为 ，流速较 小时，腐蚀 一冲蚀共 同作用显著 ，表 现为对腐蚀／ 侵蚀的加剧作用，管壁侵蚀率大大增 加 ；而当流速较大时，腐蚀来不及进行 ，冲蚀 占 主 导作用 ，管壁侵蚀率较 低 ，且壁 厚减 薄率随着 气液两相流速增加而逐渐增加 。 根据检测数据绘制 出图7 和 图8 所示 管道各 向 壁厚变化情况。 1 3 _ _ l ’ 目 6 ∞ i ； ； i z _ j j 箍 。 ’ 嘴 一 l ； 毫 囊执 觎 ⋯ 摄3 L ．～ 一 一。 。母 、 静 I ； 怫 ⋯ l 喵 i 摹 。 A 8 C 0 ￡ } 6 H 由图7 可看 出在无湍动的各直管段 中，管道 底部 B、C、D向壁厚最小 ，管道顶部 F、 G、H向壁厚最大，即管道 中由于气液两相不均 匀分布对各部位产生 的侵蚀率有差异，管道底部 壁厚 比上部壁厚要小。 g ￡ ≤ 套 誓 利 誊 jZ 1 ． 鼍 哪 羹 等 蛳 ⋯ Z i 懈 吾3 删 z U3 A 8 f f f F H 图8 离三通较近处直管段各向平均壁厚变化情况 由图8 可看出在有湍动 的情况下，各直管段 各 向壁厚值差异较大 ，且这种差异随着气液两相 速度 的增大而减 小；壁厚各 向变化没有明显 的规 律 。因为流速较 大时，流体惯性较大，受结构 引 起 的湍动作用不足 以占主 导作用 ，气液两相相互 掺混 、撞击较小，因而对管壁破坏较小；另外流 速较大时 ，腐蚀来不及进行 ，冲蚀 占主导作用 ， 管壁侵蚀率小于腐蚀一冲蚀的共同作用 。 4结论 1 通过对特殊样品进行数值模拟 ，结合失 效形貌 ，得出 了气液两相对管壁的冲 击 由液相 沉积和湍动产生是管道周 向不均匀减 薄的主要 原 因，壁面切应力对产物膜的破坏也起 到一定 的 促进作用 。 2 高温高压环 境下含C O 气液混合物对碳 钢管道的侵蚀过程如下①管壁被腐蚀，并在表 面产 生腐蚀产物膜 ；②在 重力和湍动作用下 ，不 均匀气液两相冲击和壁面切应力使部分存在缺陷 或疏松 的产物膜破裂、脱落 ，使管道产生周 向不 均匀的壁厚侵蚀率。 3 高温 高压条件 下 ，对站 内汇管各段 分 析，得出了该管道 中流动对C O 动态腐蚀的影响 ①湍动小或不存在 时，腐蚀 占主导作用 ，较小 的 冲蚀只发生在 管道底部 。随着气液两相 流速 的增 加，腐蚀率迅速降低，然后趋于平稳。②湍动加 大以后，当流速较小时，腐蚀一冲蚀共同作用显 著，表现为对腐蚀／ 侵蚀的加剧作用，管壁侵蚀率 图7 离三通较远处直管段各向平均壁厚变化情况 下转5 5 页 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第1 期 支纪成石油化工静设备的应力腐蚀开裂与防护 一 5 5 一 坏 ，应 当高度重视 ，从设备设计 、制造 、安装到 使用等各个环节严格按照标准规范施工 ，进而减 少 因应力腐蚀破坏造成的损失。 ◆参考文献 [ 1 ] 高志，潘红良 表面科学与工程[ M] ． 上海华东理工大学 出版社 ，2 0 0 6 ，5 9 ． 8 2 ． [ 2 ] 马秉骞． 化工设备[ M] 一 E 京化学工业出版社，2 0 0 9 ，7 - 8 ． [ 3 ] 王文翰． 焊接技术手册[ M] ． 郑州河南科学技术出版社， 1 9 9 9，6 7 ． [ 4 ] 张志宇，段林峰． 化工腐蚀与防护[ M] E 京化学工业出 版社 ，2 0 0 5 ，5 1 5 4 ． 『 5 ]5董月香． 石油加工装置常见应力腐蚀及其防护措施【 J ] ．石油 和化工设备，2 0 1 0 ，1 2 1 2 4 6 - 4 8 ． 上接4 8 页 重对工艺流程进行现场了解。特别是含有硫化氢 的物料 中硫 化氢的浓度 、温度和流速 ，因这些 与 硫化氢腐蚀程度密切相关。 2 对气相和气液相交界处 ，要使用灵敏度 较高的荧光磁粉湿法探伤 加强检查，提 高缺 陷的 检 出率。 ． 3 对 表 面有制造 缺 陷的部位 ，如咬边 、 沟槽、蚀坑、机械损伤等处，容易造成硫化氢聚 集，必须加强检查 。 4 检验长周期运行且含硫化氢介质 的设备 时 ，要有 针对性地对板材 进行检验 ，观 察是否有 氢鼓泡和氢致开裂发生。 ◆参考文献 [ 1 ]李代锺． 钢中的非金属夹杂物[ M】 ． 北京科学技术出版 社 ，1 9 7 3 ． f 2 1 B E Wi l d e ， C D Ki m， E H P h e l p s ． S o me o b s e r v a ti o n s o n t h e r o l e o f i n c l u s i o n s i n the h y d r o g e n ind u c e d b l i s t e r c r a c k i n g o f l i n e p i p e s t e e l s i n s u l fi d e e n v i r o n me n t [ J ] ． C o r r o s i o n ， 1 9 8 0 ， 3 6 1 1 1 6 2 5 ． 6 3 2 ． 『 3 1 G Do mi z z i ， G A n t e d ， J O v e j e r o ． G a r c i a ． I n f lu e n c e o f S u l p h u r Co n t ent a n dI n c l u s i o nDi s t r i b u t i o no nHy d r o g e nI n d u c e dBl i s t e r C r a c k i n g i n P r e s s u r e V e s s e l a n d P i p e l ine S t e e l s [ J ] ． C o r r o s i o n S c i e n c e ， 2 0 0 1 ， 4 3 3 2 5 ． 3 3 9 ． [ 4 ]4 Ad a m Ma z u r ． S e g r e g a t i o n b and s ’ r o l e in H2 S c r a c k i n g o f s t e e l s [ J ] ． Ma t e r i a l s p e rf o r ma n c e ． 1 9 9 5 ． 7 5 2 ． 5 4 ． [ 5 ] 柴祥东，张国信，黎国磊． 湿H S 环境中容器壳体开裂问 题的探讨[ J ] _石油化工设备技术，2 0 0 4 ，2 5 5 5 4 ． 6 0 ． [ 6 ] 褚武扬． 氢损伤和滞后断裂[ M] ． 北京冶金工业出版社， 】 9 8 8 ． 上接5 2 页 大大增加。当流速较大时，腐蚀来不及进行，冲 蚀 占主导作 用，管壁侵蚀率较低 ，且壁 厚减薄率 随气液两相流速增加而逐渐增加 。 ◆参考文献 [ 1 】李殉． 井下油套管二氧化碳腐蚀研究[ D] ． 四川大学， 2 0 0 5 2 0 1 ． [ 2 ] 高洪斌． 二氧化碳对油田集油管线腐蚀的预测[ J ] ． 石油天然 气学报，2 0 0 6 ，2 8 f 4 1 4 1 0 ． 4 1 3 ． [ 3 ] 张忠铧等． C O 2 对油气管材的腐蚀规律及国内外研究进展 [ J ] ． 宝钢技术，2 0 0 0 ，f 4 5 4 ． 5 8 ． [ 4 ] 郭烈锦． 两相与多相流动力学[ M] ． 西安西安交通大学出 版社，2 0 0 2 ． [ 5 ] 徐健． 机械搅拌通风发酵罐内气液两相流的仿真模拟[ J ] ．包 装食品机械，2 0 0 6 ，2 4 6 1 0 1 3 ． [ 6 】 罗玉祥等． 原油界面张力系数与温度关系的实验研究[ J ] ．科 学技术与工程 ，2 0 0 9 ，9 1 3 3 7 5 8 ． 3 7 6 0 ． [ 7 ] G． S c h mi t t ． F r a c t u r e Me c h a n i c a l P r o p e r ti e s o f c o 2 C o r r o s i o n P r o d u c t S c a l e s and T h e i r R e l a ti o n t o L o c a l i z e d C o r r o s i o n [ C ] ． COR ROS I ON 9 6 ， 9 ． [ 8 ]田光． 流速对C O2 腐蚀速率影响的研究【 D] ． 西安石油大 学 ，2 0 1 0 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m