注入及油集輸管道腐蝕失效原因分析及應(yīng)對措施

馮海泉（大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠）

1 管道建設(shè)現(xiàn)狀

某油田經(jīng)過50多年的開發(fā)歷程，地面已建管網(wǎng)密度逐漸加大，截止到2021年底，已建各類埋地管道11 492 km，運(yùn)行20 a以上管道占25.87%，從運(yùn)行系統(tǒng)看，油集輸管道數(shù)量最多，占60.93%，注入管道其次，占32.01%；管道失效率0.31次/km·a，其中注入管道、油集輸管道失效占比高，分別為總失效次數(shù)的29.59%和68.24%。為有效減少埋地管道腐蝕，遏制油管道失效引發(fā)的采出液、污水等介質(zhì)泄露，及由于介質(zhì)泄露造成的停產(chǎn)、污染事件，降低企業(yè)的經(jīng)濟(jì)損失和對企業(yè)形象的負(fù)面影響[1]，利用掃描電鏡[2]、X射線光電子能譜、電化學(xué)性能檢測[3]等技術(shù)對注入及油集輸管道的腐蝕成因進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的治理措施，有效降低管道失效率，降低管道運(yùn)行維護(hù)成本。

2 失效原因分析

分別對注入、油集輸兩種類型管道失效原因進(jìn)行分析，為治理措施的制定提供依據(jù)。

2.1 注入管道失效特點(diǎn)及原因分析

統(tǒng)計(jì)不同驅(qū)替方式注入管道失效情況見表1，統(tǒng)計(jì)不同運(yùn)行年限注入管道失效情況見表2，可見注聚管道失效率最高；運(yùn)行6～10 a注入管道失效率高。

表1 不同驅(qū)替方式注入管道失效情況Tab.1 The injection pipeline failure with different displacement mode

表2 不同運(yùn)行年限注入管道失效情況Tab.2 Injection pipeline failure in different operation

2.1.1 聚合物加速管道腐蝕

現(xiàn)場截取管段進(jìn)行產(chǎn)物分析，從宏觀腐蝕形貌看管道內(nèi)表面生成了菌瘤[4]，且涂層破損處有明顯的腐蝕坑。管道內(nèi)腐蝕宏觀形貌及內(nèi)壁腐蝕坑見圖1。

圖1 管道內(nèi)腐蝕宏觀形貌及內(nèi)壁腐蝕坑Fig.1 Corrosion macroscopic morphology and inner wall corrosion pit in pipeline

采用掃描電鏡，進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物形貌分析，其原理見圖2，由最上邊電子槍發(fā)射出來的電子束，經(jīng)柵極聚焦后，經(jīng)過二至三個(gè)電磁透鏡所組成的電子光學(xué)系統(tǒng)，電子束會聚成一個(gè)細(xì)的電子束聚焦在樣品表面，在掃描線圈的作用下電子束在樣品表面掃描，產(chǎn)生二次電子、X射線等信息，這些信號被相應(yīng)的接收器接收，經(jīng)放大后送到顯像管的柵極上，調(diào)制顯像管的亮度，完成成像。得到管道內(nèi)腐蝕產(chǎn)物微觀形貌見圖3，產(chǎn)物表面存在明顯的微生物。

圖2 掃描電鏡原理Fig.2 Schematic diagram of scanning electron microscopy

圖3 管道內(nèi)腐蝕微觀形貌Fig.3 Corrosion micromorphology in pipeline

利用X射線光電子能譜儀來表征產(chǎn)物表面元素及其化學(xué)狀態(tài)，進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物微觀組分分析，其基本原理是使用X射線與樣品表面相互作用，利用光電效應(yīng)，激發(fā)樣品表面發(fā)射光電子，利用能量分析器，測量光電子動(dòng)能，進(jìn)而得到激發(fā)電子的結(jié)合能。從腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果看，涂層對金屬腐蝕的影響見表3，腐蝕產(chǎn)物中S2-含量較高[5]。

表3 腐蝕產(chǎn)物能譜分析Tab.3 Energy spectrum analysis of corrosion products

因此，分析認(rèn)為注聚管道內(nèi)壁在涂層破損處產(chǎn)生了微生物腐蝕。且從細(xì)菌腐蝕機(jī)理看，細(xì)菌的陰極去極化作用[6]，見式（1）～（7），加速了腐蝕反應(yīng)。

SRB的腐蝕機(jī)理：

2.1.2 涂層失效導(dǎo)致管體腐蝕

對無涂層掛片、涂層帶針孔掛片、完好涂層掛片在3.5%NaCl溶液中進(jìn)行耐腐蝕能力測試，含有完整涂層的掛片可以起到完全保護(hù)金屬基體的作用，阻礙腐蝕介質(zhì)與金屬接觸形成原電池反應(yīng)，對無涂層掛片及涂層帶針孔掛片測試發(fā)現(xiàn)，帶有針孔的涂層已經(jīng)起不到保護(hù)金屬基體的作用，兩種掛片的腐蝕電流和腐蝕速率相近，涂層對金屬腐蝕的影響見表4。所以當(dāng)管道表面涂層有漏點(diǎn)或破裂后，介質(zhì)就會對金屬產(chǎn)生腐蝕，而且腐蝕速度與無涂層的金屬相近。因此，保障涂層的完好是抑制腐蝕的有效手段。

表4 涂層對金屬腐蝕的影響Tab.4 Effect of coating on metal corrosion

2.2 油集輸管道失效情況及原因分析

2.2.1 集輸系統(tǒng)采出液腐蝕性增強(qiáng)

不同類型油集輸管道失效情況見表5，不同運(yùn)行年限油集輸管道失效情況見表6，其中摻水管道失效率最高；運(yùn)行16 a以上油集輸管道失效率高。

表5 不同類型油集輸管道失效情況Tab.5 Failure statistics on different types of oil gathering and transportation pipeline

表6 不同運(yùn)行年限油集輸管道失效情況Tab.6 Failure statistics of oil gathering and transportation pipeline in different operation

油田開發(fā)進(jìn)入高含水期，采出液含水率持續(xù)升高，采出液物相從早期“油包水”轉(zhuǎn)變?yōu)椤八汀?；且采出液普遍見聚[7]，介質(zhì)腐蝕作用增強(qiáng)，普通污水處理站見聚情況見表7。

表7 普通污水處理站見聚情況Tab.7 Common sewage treatment station

2.2.2 聚驅(qū)摻水介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)

集油管道中，原油附著在管道內(nèi)壁，阻礙電子轉(zhuǎn)移，減緩腐蝕，摻水介質(zhì)溫度高，加速離子運(yùn)動(dòng)，加速了腐蝕反應(yīng)[8]，因此，摻水介質(zhì)腐蝕性較回油強(qiáng)；不同驅(qū)替環(huán)境中，聚驅(qū)摻水pH值一般在8左右，聚丙烯酰胺水解更易于細(xì)菌生長，因此，聚驅(qū)摻水介質(zhì)腐蝕性較水驅(qū)和三元復(fù)合驅(qū)摻水介質(zhì)腐蝕性強(qiáng)。

利用電化學(xué)工作站對三種驅(qū)替方式的摻水介質(zhì)腐蝕性進(jìn)行檢測，聚驅(qū)摻水介質(zhì)腐蝕性最強(qiáng)，為2.7 mil/a。

2.2.3 土壤腐蝕性的影響

某油田地面總趨勢北高南低，東高西低，大地高程多在136～148 m，平均土壤電阻率為21.1 Ω·m，土壤腐蝕性強(qiáng)，利用X射線光電子能譜儀對摻水和集油管道外進(jìn)行腐蝕產(chǎn)物微觀組分分析，可以發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物中除含土壤中的礦物元素，還含有一定量的O和Cl-，說明在土壤中管道不但會受土壤中礦物質(zhì)影響，還會發(fā)生氧腐蝕和氯離子腐蝕。不同類型管道外腐蝕產(chǎn)物組分分析見表8。

表8 不同類型管道外腐蝕產(chǎn)物組分分析Tab.8 Analysis on corrosion products in different types of pipeline (wt%)

3 失效治理措施及效果

針對注聚管道內(nèi)腐蝕失效[9]問題，采取了加強(qiáng)注聚管道內(nèi)涂層質(zhì)量檢驗(yàn)的措施，明確抽檢制度及檢測內(nèi)容，增加抽檢頻次，規(guī)范了涂層外觀、厚度、漏點(diǎn)、附著力、抗沖擊性五項(xiàng)性能的檢驗(yàn)操作流程。同時(shí)，在聚驅(qū)區(qū)塊應(yīng)用非金屬管道，其中母液管道選用鋼骨架塑料復(fù)合管道，聚驅(qū)注入管道選用玻璃鋼材質(zhì)管道，“十三五”期間共應(yīng)用非金屬管道300余千米。

針對油集輸管道失效問題，對13座聚驅(qū)計(jì)量間摻水閥組，設(shè)計(jì)液體環(huán)氧內(nèi)防腐涂層；對運(yùn)行年限長腐蝕老化嚴(yán)重管道，依據(jù)管道風(fēng)險(xiǎn)等級及失效頻次，有序安排更換；對土壤腐蝕性強(qiáng)區(qū)域47 km管道優(yōu)先安排外防修復(fù)，通過加強(qiáng)現(xiàn)場監(jiān)督、開挖驗(yàn)證等措施，保證外防修復(fù)效果；同時(shí)，在站外系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)[10]，構(gòu)建以“轉(zhuǎn)油站”為中心的站間管網(wǎng)區(qū)域陰極保護(hù)體系，以“計(jì)量間”為中心的單井管網(wǎng)區(qū)域陰極保護(hù)體系。

通過以上措施的制定和實(shí)施，按降低管道失效率0.1%計(jì)算，將減少管道失效400余次，則將至少減少年均480 t（平均每點(diǎn)次1.2 m3）的油氣泄漏量，按每噸原油價(jià)格3 100元計(jì)算，減少直接經(jīng)濟(jì)損失148.8萬元/a，相應(yīng)的由于介質(zhì)泄露造成的停產(chǎn)、污染事件也會大幅減少。

4 結(jié)論及認(rèn)識

1）聚驅(qū)注入管道，受介質(zhì)含聚影響，聚丙烯酰胺水解生成氨基酸，為細(xì)菌生長提供養(yǎng)料，加速了管道內(nèi)涂層破損處的細(xì)菌腐蝕。加強(qiáng)管道內(nèi)涂層質(zhì)檢的同時(shí)，加大非金屬管道的應(yīng)用，可有效降低管道失效。

2）集輸系統(tǒng)聚驅(qū)摻水管道介質(zhì)腐蝕性增強(qiáng)，且土壤腐蝕性強(qiáng)區(qū)域涂層破損處易發(fā)生腐蝕失效。通過對聚驅(qū)計(jì)量間摻水閥組應(yīng)用內(nèi)防腐涂層，對土壤腐蝕性強(qiáng)區(qū)域管道加強(qiáng)外防修復(fù)，并應(yīng)用管網(wǎng)區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)，對腐蝕老化嚴(yán)重管道有序更換等措施，可有效降低油集輸管道失效。