蘇里格氣田水處理系統(tǒng)管線腐蝕因素分析*

蘇 容

（中國(guó)石油 長(zhǎng)慶油田分公司 第三采氣廠，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017300）

蘇里格氣田是當(dāng)前國(guó)內(nèi)最具規(guī)模的“整裝氣田”，是典型的砂巖致密氣藏，具有低孔低滲低豐度的特點(diǎn)[1-3]。其開發(fā)模式主要依賴“排水采氣”工藝措施，導(dǎo)致采出水產(chǎn)量激增[4]。天然氣處理廠水處理系統(tǒng)肩負(fù)著采出水處理的任務(wù)，其正常平穩(wěn)運(yùn)行，不僅直接關(guān)系到氣田生產(chǎn)的有效平穩(wěn)實(shí)施，同時(shí)也是現(xiàn)場(chǎng)安全環(huán)保管控系統(tǒng)關(guān)注的重點(diǎn)[5-7]。管線腐蝕一直是蘇里格天然氣采出水系統(tǒng)面臨的問題，隨著蘇里格氣田產(chǎn)量的不斷遞增，采出水系統(tǒng)腐蝕問題日益突出[8]。一旦發(fā)生管線刺漏或穿孔等安全問題，會(huì)嚴(yán)重影響氣田現(xiàn)場(chǎng)的平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至引發(fā)重大安全隱患[9]。

1 蘇里格氣田水系統(tǒng)管線運(yùn)行現(xiàn)狀

蘇里格氣田采出水成分十分復(fù)雜，由氣田各處理廠水質(zhì)分析發(fā)現(xiàn)，各處理廠采出液中均含細(xì)菌、懸浮物及含油物質(zhì)等成分，腐蝕性較強(qiáng)[10]，對(duì)天然氣處理廠水處理系統(tǒng)管線會(huì)產(chǎn)生不同程度的腐蝕，集中分布于連接管線彎聯(lián)管處、匯管處及變徑處等位置。從近幾年動(dòng)火情況可以看出，隨著氣田開發(fā)進(jìn)入中后期，采出水成分越發(fā)復(fù)雜，現(xiàn)有的腐蝕在線監(jiān)測(cè)技術(shù)尚不能滿足現(xiàn)場(chǎng)的工藝需求，需要針對(duì)各個(gè)成分對(duì)采出水管線的腐蝕機(jī)理和規(guī)律進(jìn)行系統(tǒng)的分析[11]。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)多處取樣，進(jìn)行采出液成分分析和測(cè)試，得出蘇里格氣田采出水的主要性質(zhì)：溶液呈微酸性，pH值（6~7）；高濃度的懸浮物和含油物質(zhì)，前者最高含量可達(dá)268mg·L-1，后者最高含量達(dá)128mg·L-1；高含氧量和Cl-含量，含氧量（0.2～0.4mg·L-1），Cl-含量（13·471～22·865g·L-1），采出水微生物含量高，硫酸鹽還原菌（10～105mg·L-1），腐生菌（102～105mg·L-1）。

2 蘇里格氣田水系統(tǒng)腐蝕因素分析

為了分析不同因素對(duì)蘇里格氣田水系統(tǒng)管線腐蝕的貢獻(xiàn)率，利用室內(nèi)靜態(tài)掛片實(shí)驗(yàn)，分析溶氧量、流速及pH值等對(duì)腐蝕的貢獻(xiàn)率。取3個(gè)不同位置水樣為試驗(yàn)試劑，20#碳鋼為腐蝕材質(zhì)，恒溫箱溫度設(shè)置在25℃。

2.1 含氧量對(duì)腐蝕的影響

采出液中的溶解氧來(lái)源包括：加藥環(huán)節(jié)納入的溶解氧、運(yùn)輸環(huán)節(jié)導(dǎo)入相應(yīng)的溶解氧及通過相應(yīng)呼吸閥位置導(dǎo)入的溶解氧3大類。溶解氧對(duì)管線腐蝕的作用很大，管線中的Fe元素會(huì)與污水中的溶解氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。氧電極點(diǎn)位一般大于Fe，在中酸性環(huán)境下，F(xiàn)e會(huì)發(fā)生陽(yáng)極去離子反應(yīng)，形成沉淀，造成腐蝕。參觀采樣水質(zhì)特征，利用蒸餾水配制實(shí)驗(yàn)用溶液，采用注氮法進(jìn)行除氧，控制溶液中的含氧量，開展不同含氧量下的掛片試驗(yàn)，結(jié)果見表1和圖1。

表1 不同含氧量掛片的腐蝕速率Tab.1 Corrosion rate of coupon with different oxygen content

圖1 不同含氧量掛片的腐蝕速率曲線Fig.1 Corrosion rate curve of coupon with different oxygen content

由表1和圖1可以看出，隨著體液中含氧量的不斷攀升，管線腐蝕作用表現(xiàn)為從一開始的大幅度升高至逐漸趨于平緩。由于溶解氧的揮發(fā)效應(yīng)，腐蝕程度越來(lái)越高，但當(dāng)污水中的含氧量持續(xù)走高后，金屬壁會(huì)生成Fe（OH）2等腐蝕產(chǎn)物，阻止管線與O2接觸，抑制腐蝕作用，緩解管線運(yùn)行的壓力?？梢?，降低氣田產(chǎn)出水中的溶氧量可有效緩解管線的腐蝕作用。

2.2 Cl-對(duì)腐蝕的影響

蘇里格氣田天然氣處理廠水質(zhì)中富含Cl-，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)研究證明，Cl-同樣具有促進(jìn)腐蝕的作用[12]。Cl-本身不會(huì)參與腐蝕反應(yīng)，但由于其直徑很小，可輕松進(jìn)入碳鋼表面的保護(hù)膜，起到弱化保護(hù)膜阻隔的作用。不同Cl-濃度下掛片的腐蝕速率見表2，Cl-濃度與腐蝕速率關(guān)系曲線見圖2。

表2 不同Cl-濃度下掛片的腐蝕速率Tab.2 Corrosion rate of hanging piece under different chloride ion concentration

圖2 Cl-濃度與腐蝕速率的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship curve between chloride ion concentration and corrosion rate

由圖2可以看出，曲線整體走向先上升后下降。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因在于，當(dāng)Cl-濃度較低時(shí)，溶液導(dǎo)電性能增大，引發(fā)更大范圍的電化學(xué)反應(yīng)。Cl-直徑很小，貫穿能力強(qiáng)，會(huì)集中吸附于金屬壁保護(hù)膜缺陷處，引發(fā)局部濃差電池腐蝕。但當(dāng)Cl-含量過飽和時(shí)，會(huì)排擠OH-的吸附，降低腐蝕速率。

2.3 細(xì)菌對(duì)腐蝕的影響

硫酸鹽還原菌SRB是蘇里格采出水中常見的一種微生物，其適應(yīng)性極強(qiáng)，可在強(qiáng)酸強(qiáng)堿、溫度20~80℃下正常繁殖[13]，低氧環(huán)境中，以菌群形式附著于管壁面，發(fā)生極化效應(yīng)。隨著SRB含量的增多，管線腐蝕速率相應(yīng)增大，反應(yīng)方程式如下：

整體反應(yīng)式：

由上述反應(yīng)式得出，硫酸鹽還原菌SRB從Fe表面除去H+后，促使Fe發(fā)生去離子反應(yīng)生成Fe2+，F(xiàn)e2+會(huì)與體系中的S2-和OH-發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生FeS和Fe（OH）2腐蝕產(chǎn)物。反應(yīng)中，硫酸鹽還原菌不僅可以起到陰極去極化效應(yīng)，同時(shí)能夠與體系中H+的復(fù)合，離散的H+滲入金屬內(nèi)部后，會(huì)增大采出水管線清脆破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 水中懸浮物和含油量對(duì)腐蝕的影響

采出液中懸浮物大體分為污泥、微生物代謝物及腐蝕產(chǎn)物等，含有物質(zhì)以油滴、乳化油為主。懸浮物和含油物質(zhì)會(huì)對(duì)氣田采出水管線造成較大的危害，表現(xiàn)為：

（1）水中懸浮物和含油物質(zhì)可為硫酸鹽還原菌等微生物提供養(yǎng)分，增強(qiáng)硫酸鹽還原菌的活性，加速微生物的代謝和繁殖。

（2）懸浮物會(huì)與含油物質(zhì)粘附成一體，吸附于管線表面形成污垢，造成垢下腐蝕。

（3）加入污水中的殺菌劑會(huì)吸附于管壁表面的污垢中，降低殺菌劑的使用效果，增大了投資成本。

（4）一旦采出水系統(tǒng)管線粘附了油污后，污水中的含油物質(zhì)和懸浮物會(huì)持續(xù)在粘附處堆積，造成管道堵塞。

2.5 流速對(duì)腐蝕的影響

流速主要是通過控制其它因素進(jìn)而間接影響管線的腐蝕，主要表現(xiàn)為：（1）碳鋼表面經(jīng)腐蝕會(huì)產(chǎn)生一層阻隔氧氣的保護(hù)膜，進(jìn)而在溶液與碳鋼表面形成一層滯留邊界帶，溶解氧必須克服邊界層的阻力才能擴(kuò)散至碳鋼表面，大流速恰恰迎合了這一需要；（2）大流速會(huì)沖刷碳鋼表面形成的腐蝕產(chǎn)物，使碳鋼表面直接暴露于體液中，起到促進(jìn)腐蝕的作用[14]。

根據(jù)采出水流量和管線公稱直徑得出相應(yīng)的雷諾數(shù)，結(jié)合流體力學(xué)相關(guān)公式得出相應(yīng)溫度下的電動(dòng)轉(zhuǎn)速，選取適宜的4個(gè)轉(zhuǎn)速開展試驗(yàn)，結(jié)果見表3和圖3。

表3 不同流速下掛片的腐蝕速率Tab.3 Corrosion rate of coupon at different flow rates

圖3 不同流速下掛片的腐蝕速率曲線Fig.3 Corrosion rate curve of coupon under different flow rates

由表3和圖3從流速實(shí)驗(yàn)可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速小于10r·s-1時(shí)，腐蝕速率與轉(zhuǎn)速近乎呈正比；轉(zhuǎn)速處于10~12r·s-1時(shí)，腐蝕速率處于較為穩(wěn)定的狀態(tài)；轉(zhuǎn)速大于12r·s-1時(shí)，腐蝕速率大幅度上升。這是由于當(dāng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，雖然溶解氧機(jī)制加速活躍，但流速造成的剪切應(yīng)力尚不能突破碳鋼表面保護(hù)膜的阻力，腐蝕速率變化較小；當(dāng)流速達(dá)到一定范圍后，剪切應(yīng)力不斷增大，但碳鋼表面的保護(hù)膜仍未受到破壞，腐蝕速率維持穩(wěn)定；隨著流速的繼續(xù)增大，高流速產(chǎn)生的沖刷作用會(huì)沖擊碳鋼表面的腐蝕產(chǎn)物，進(jìn)而破壞保護(hù)膜，促使碳鋼與體液重新接觸，加快腐蝕速率。

2.6 p H值對(duì)腐蝕的影響

用HCl和NaOH試劑調(diào)節(jié)采出水樣的pH值，將腐蝕介質(zhì)掛入對(duì)應(yīng)不同pH值的試劑瓶中，開展不同pH值下的掛片實(shí)驗(yàn)，見表4、圖4。

圖4 碳鋼在模擬水中的腐蝕速率與pH值關(guān)系曲線Fig.4 Relationship curve between corrosion rate and pH value of carbon steel in simulated water

表4 不同pH值環(huán)境下掛片的腐蝕速率Tab.4 Corrosion rate of coupon under different pH value environment

由表4和圖4可以看出，體系pH值小于7.0時(shí)，腐蝕速率相應(yīng)較大，pH值不斷減小后，腐蝕程度不斷增強(qiáng)。究其原因在于金屬表面的保護(hù)膜遇強(qiáng)酸溶解，促使下層未接觸金屬與溶液接觸，加快腐蝕速度。當(dāng)溶液pH值大于7.0時(shí)，腐蝕程度逐漸減弱，在高pH值環(huán)境下，產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物阻斷了金屬與腐蝕溶液的接觸，起到抑制腐蝕的作用。

2.7 振動(dòng)對(duì)腐蝕的影響

受柱塞泵的壓力脈沖的影響，天然氣處理廠管線產(chǎn)期受高頻率振動(dòng)的沖擊，導(dǎo)致水處理管線發(fā)生腐蝕穿孔現(xiàn)象。針對(duì)此情況，開展了不同振動(dòng)頻率和振動(dòng)速度下，模擬水和現(xiàn)場(chǎng)采集水樣振動(dòng)掛片對(duì)比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見表5和圖5。

表5 模擬水和現(xiàn)場(chǎng)采集水振動(dòng)掛片實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Tab.5 Comparison of simulated water and field collected water vibration coupon test results

由表5和圖5可知，振動(dòng)頻率和振動(dòng)速度越高，管線的腐蝕程度越強(qiáng)。碳鋼表面形成的保護(hù)膜可起到緩解腐蝕的效應(yīng)，在長(zhǎng)期振動(dòng)的作用下，管線表面的腐蝕產(chǎn)物會(huì)在振動(dòng)沖刺作用下剝落，使金屬裸露在含氧污水中。當(dāng)振動(dòng)頻率達(dá)金屬固有頻率，且在周期性應(yīng)力作用下，金屬會(huì)產(chǎn)生非極限抗拉強(qiáng)度裂紋，形成疲勞腐蝕。當(dāng)振動(dòng)頻率較低時(shí)，疲勞腐蝕強(qiáng)度較小。

圖5 振動(dòng)值一定下不同頻率與腐蝕速率的關(guān)系曲線Fig.5 Relationship curve between different frequency and corrosion rate under certain vibration value

3 結(jié)論與建議

（1）對(duì)于蘇里格氣田采出水處理管線而言，采出水中的含氧量、硫酸鹽還原菌含量、Cl-濃度、及懸浮物和含油物質(zhì)都會(huì)在一定程度上加劇腐蝕問題，但腐蝕程度和腐蝕規(guī)律各不相同。

（2）降低采出液中的溶氧量、Cl-濃度、細(xì)菌、懸浮物及含油物質(zhì)是當(dāng)前蘇里格天然氣水處理管線腐蝕最主要的防腐目標(biāo)。

（3）采出水的流速、pH值對(duì)管線腐蝕也有影響，將pH值調(diào)至中性，同時(shí)降低流速，可有效降低腐蝕速率。

（4）振動(dòng)對(duì)管線腐蝕的影響不容忽視，盡可能降低集輸管線的振動(dòng)頻率和振動(dòng)速度，可顯著抑制疲勞腐蝕的發(fā)生。