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      管道內(nèi)腐蝕機(jī)理研究

      2021-11-29 02:16:12姜崢嶸
      全面腐蝕控制 2021年10期
      關(guān)鍵詞:腐蝕性驅(qū)油流體

      姜崢嶸

      (大慶油田有限責(zé)任公司 儲運(yùn)銷售分公司,黑龍江 大慶 163453)

      0 引言

      目前石油開采大部分都到了中后期,三次開采已經(jīng)普遍應(yīng)用。其中聚合物驅(qū)油技術(shù)經(jīng)過十幾年的發(fā)展,終于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn),技術(shù)日臻成熟,形成一組配套技術(shù)。隨著一、二次采油后地層下還有部分儲量,但是面臨著開采難度大的問題,怎么樣高效的,最大限度的開采剩余原油是目前各大油田都面臨的首要難題。聚合物驅(qū)正是三次開采中提高采收率的關(guān)鍵技術(shù),目前大慶油田已有三分之一的產(chǎn)油量是以聚合物驅(qū)油為主的。在使用三次開采的技術(shù)之后也隨之出現(xiàn)了一系列問題,比如管道的腐蝕情況日益明顯,聚合物驅(qū)油技術(shù)造成管道內(nèi)表面腐蝕情況復(fù)雜,這種現(xiàn)象十分普遍并且日益加劇。在油田開發(fā),生產(chǎn),運(yùn)輸中管道腐蝕的問題也相伴而來,給油田安全生產(chǎn),持續(xù)開發(fā)以及經(jīng)濟(jì)都帶來了問題。油田集輸管道是完整的體系,系統(tǒng)的串聯(lián)一起,哪一部分被腐蝕后都會影響帶整個管道系統(tǒng)的安全運(yùn)行,嚴(yán)重導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓,給整個生產(chǎn)生活帶來一定的威脅,并會給周圍的環(huán)境帶來污染。除了管道的整體性遭到破壞后帶來的影響,還在其自身的各個方面造成一定的影響,例如管道機(jī)械性能受到影響,對油品質(zhì)量,管道壽命都會造成影響,腐蝕嚴(yán)重時能夠?qū)е鹿艿来┛自斐膳?、冒、滴、漏油的情況出現(xiàn)[1]。全面了解腐蝕發(fā)生的原因及各種機(jī)理的存在、影響因素等以便能夠采取相對應(yīng)的聚驅(qū)管道防腐措施,對以后的生產(chǎn)生活具有重要的意義。

      國內(nèi)防腐蝕的應(yīng)用技術(shù)主要是涂層防腐,或加入緩蝕劑。對于管道內(nèi)腐的研究各學(xué)者從未停止過,2013年,陳新華團(tuán)隊對管道內(nèi)腐的研究,分析輸送工藝以及結(jié)合腐蝕案例發(fā)現(xiàn)集輸工藝較易形成沉積水地帶,而這地帶就是較為嚴(yán)重的腐蝕環(huán)境,也是內(nèi)腐蝕的原因。之后,劉賢斌團(tuán)隊,對蘭成渝輸油管線進(jìn)行詳細(xì)的研究分析,最終認(rèn)為導(dǎo)致管道腐蝕的主要原因是微生物的存在。

      國外對成品油管道內(nèi)腐蝕原因的研究和國內(nèi)有一些不同。例如歐洲的一些國家認(rèn)為輸油管道內(nèi)腐蝕的主要原因是管道內(nèi)水分的殘留。管道中的這些水分來源多樣,有油品中攜帶的水分、管道清洗預(yù)留的水分等。這些水分通常會大量積聚在管道的低洼處,在管道的彎道處和其他測量儀表、控制閥門等都會受到更加嚴(yán)重的腐蝕,腐蝕程度和腐蝕速率要比其他部位的腐蝕情況嚴(yán)重的多[2]。

      1 管道腐蝕速率計算方法

      試驗法

      (1)土壤埋片法

      在管道沿線典型土壤環(huán)境下埋片,間隔一定時間將埋片取出清理、稱重,多次測試埋片質(zhì)量變化計算管道腐蝕速率[3]。

      式中W0埋片原始質(zhì)量,g;W1經(jīng)過一定時間、清理腐蝕產(chǎn)物后埋片質(zhì)量,g;S埋片有效暴露面積,mm2;T埋片時間,a;Vc管道腐蝕速率,mm/a。

      (2)掛片實驗法

      失重掛片法原理是將已知重量金屬試片置于腐蝕環(huán)境中,經(jīng)一段暴露時間后取出清洗稱重,基于單位面積試片腐蝕前后質(zhì)量損失計算腐蝕速率。

      式中Vc腐蝕速率,g/(m2·d);η常數(shù),取值2.23×104;S’試樣面積,cm2;T’試驗時間,天;W試樣試驗前后質(zhì)量損失值,g;ρ密度,g/cm3。

      (3)NACE腐蝕速率經(jīng)驗公式

      美國腐蝕工程師協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)NACE SP0502-2010《管道外腐蝕直接評價方法》推薦了幾種腐蝕速率經(jīng)驗公式:

      1)缺省腐蝕速率。如管道信息和數(shù)據(jù)收集困難,推薦采用腐蝕速率缺省值0.4mm/a。針對大多數(shù)管道情形,該值略保守,但仍有一定應(yīng)用價值;

      2)線性極化電阻LPR(Linear Polarization Resistance)實時監(jiān)測管道腐蝕速率計算公式:

      式中β是Stern-Geary常數(shù),Rp極化電阻,Ω;A極化探頭面積,cm2;D管材密度,g/cm3;W管道金屬損失質(zhì)量,g。

      2 管道內(nèi)腐蝕原因及影響因素

      2.1 內(nèi)腐蝕原因

      管道內(nèi)腐蝕主要是因為管道內(nèi)的水分和微生物等物質(zhì)的存在會與管道的油氣混合物產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)從而造成的管道內(nèi)腐蝕[4]。油氣中具有腐蝕性的氣體主要有H2S、CO2、SO2及各種氣體的混合物等,對于硫化氫氣體,這種氣體溶于水中會生成硫酸,硫酸具有強(qiáng)腐蝕性。聚合物管道被H2S腐蝕后容易導(dǎo)致局部氫脆。CO2溶于水后使得溶液PH值降低,產(chǎn)生離子,這些酸性物質(zhì)容易與管道的鐵質(zhì)物質(zhì)反應(yīng)生成碳酸鐵、碳酸亞鐵等沉淀,不僅腐蝕鐵還產(chǎn)生污垢堵塞管道。二氧化硫與二氧化碳的腐蝕原理基本相同,二氧化硫溶于水與管道內(nèi)的鐵反應(yīng),生成硫酸亞鐵可水解成三氧化二鐵和硫酸根離子,產(chǎn)生的硫酸根離子也具有腐蝕性。同時,管道的內(nèi)部中流體,在輸送過程中也能對管內(nèi)壁產(chǎn)生沖刷腐蝕,流體中含有沙塊、碎屑等固相顆粒對管道內(nèi)部磨蝕,結(jié)合腐蝕性氣體,加速了管道內(nèi)部的腐蝕[5]。

      2.2 內(nèi)腐蝕影響因素

      2.2.1 電化學(xué)腐蝕

      由于輸油油管線中含有三元溶液,其腐蝕部分為電化學(xué)腐蝕,反應(yīng)方程為:

      陽極反應(yīng):

      陰極反應(yīng):

      在pH>9時生成Fe(OH)2,并可能進(jìn)一步氧化:

      Fe(OH)3就是鋼表面的銹層,這時腐蝕較快,反應(yīng)中Fe2+也可能進(jìn)一步生成黃色(正)鐵離子Fe3+。

      2.2.2 堿腐蝕

      聚合物驅(qū)油管道腐蝕的因素之一是堿的濃度與溫度。NaOH溶液的濃度不變時,溫度越高,腐蝕越嚴(yán)重。反應(yīng)如下:

      當(dāng)高溫時反應(yīng)為:

      當(dāng)?shù)蜏貢rNa2FeO2由于水解作用生成游離的NaOH,即:

      通常腐蝕部位的硬質(zhì)堆積物就是此類物質(zhì)。

      2.2.3 聚合物腐蝕

      采用聚合物驅(qū)油的方式來進(jìn)行開采,按類型分有離子型和非離子型,有三種聚合物驅(qū)油產(chǎn)品。目前,廣泛采用的是離子型聚合物,聚合物容易聚集在一起,增加水的粘度,增大流體的摩擦力,使得流體流動緩慢。聚合物中還有化學(xué)物質(zhì)會造成管道的腐蝕穿孔。聚合物越多對管道的腐蝕越不利[6]。

      3 管道內(nèi)腐蝕機(jī)理分析

      聚合物輸油管內(nèi)的腐蝕主要是由于管道內(nèi)存在大量的易腐蝕的氣體,這些氣體與管道內(nèi)的油品和聚合物發(fā)生反應(yīng)造成腐蝕,油氣中的腐蝕性氣體主要有H2S、CO2、SO2等。

      3.1 氣體腐蝕

      3.1.1 硫化氫氣體

      油層中幾乎都含有H2S。因為H2S在水中溶解后的pH值較小,溶解度高,會造成管道的腐蝕。硫化氫在遇水時,極易水解,在水中發(fā)生電離:

      硫化氫在有氧條件下與金屬的反應(yīng):

      硫化氫氣體溶于水,易產(chǎn)生硫酸,硫酸極具有強(qiáng)腐蝕性,還容易產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕?;瘜W(xué)腐蝕與電化學(xué)腐蝕兩項腐蝕同時存在便容易加劇管道的腐蝕,使管道更容易開裂,破碎,造成危害。

      3.1.2 二氧化碳腐蝕

      CO2是油田常見的一種氣體。二氧化碳?xì)怏w在干燥的環(huán)境下沒有腐蝕作用,融于水和油品等濕潤的條件下,容易生成碳酸造成管道的腐蝕。CO2的腐蝕反應(yīng)式:

      碳酸(H2CO3)使pH值下降,容易造成管道腐蝕。

      二氧化碳容易引起普遍腐蝕和局部腐蝕,以局部腐蝕更為常見,如常見的點蝕、縫隙腐蝕等。

      3.1.3 二氧化硫腐蝕

      二氧化硫與空氣中的氧氣和管道中的金屬成分發(fā)生反應(yīng)可以生成腐蝕管道的酸硫酸亞鐵(FeSO4),硫酸亞鐵和水反應(yīng)生成三氧化二鐵和硫酸根離子,硫酸根離子和管道內(nèi)壁的金屬成分反應(yīng)繼續(xù)生成硫酸亞鐵和氫氣。SO2腐蝕的化學(xué)反應(yīng)式:

      在有氧環(huán)境下,二氧化硫與鐵反應(yīng)生成FeSO4上述反應(yīng)物被進(jìn)一步反應(yīng)水解,旋即繼續(xù)水解,重復(fù)這上述步驟。伴隨著這一循環(huán),管道內(nèi)的腐蝕程度逐漸加劇。

      3.1.4 溶解氧的腐蝕

      溶解的氧氣也是管道腐蝕的關(guān)鍵性因素之一。氧氣不像二氧化碳一樣溶于水生成碳酸根離子,氧氣是一種具有氧化性的常見氧化劑。氧氣的存在會加速管道的腐蝕。

      上述反應(yīng)最終生成的是F e(O H)2,但F e(OH)2會變成氫氧化鐵沉淀,氫氧化鐵與水反應(yīng)會生成三氧化二鐵。

      3.2 沖蝕作用

      3.2.1 管內(nèi)流體的沖蝕作用

      在管道運(yùn)輸過程中,流體對管道的沖擊作用對管道的腐蝕具有很大的促進(jìn)作用。尤其在管道起伏的過程中流體中可能存在的固體雜質(zhì)等隨著流體的流動,不斷沖蝕撞擊著管道。在原本的環(huán)境中各種腐蝕性氣體的存在就使得管道的腐蝕磨損嚴(yán)重,再加之沖擊腐蝕作用,勢必會極大的加快管道的腐蝕,造成管道的磨損。

      3.2.2 管道中多相流侵蝕作用

      在高壓輸送過程中,油氣中的少量砂礫,礫石等固相成分隨著高速流動的油氣,對管道的內(nèi)側(cè)產(chǎn)生了沖擊和侵蝕作用。尤其是當(dāng)管道內(nèi)部受到其他內(nèi)腐蝕因素作用而變得粗糙,凹凸不平時,這種現(xiàn)象變得更加明顯,被稱為侵蝕性腐蝕。

      4 管道內(nèi)防腐措施

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