長慶油田集輸系統(tǒng)管道防腐蝕工藝研究
2024-05-13 14:38:06
作者：劉文博 來源： 腐蝕與防護
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油田集輸系統(tǒng)主要功能是將油田各油井生產(chǎn)的原油和油田氣體進行收集、處理，然后分別輸送至礦場油庫或外輸站和壓氣站。近年來，隨著長慶油田開發(fā)年限的增長和油井采出液綜合含水率的逐年升高，集輸系統(tǒng)出現(xiàn)了嚴重的腐蝕現(xiàn)象，許多管道、閥門、油水處理設(shè)施等多次因腐蝕而穿孔和破損，造成了較大的經(jīng)濟損失。
油田集輸系統(tǒng)的腐蝕主要是CO2、H2S、溶解氧和Cl¯、HCO3¯、Ca2+、Mg2+、Na+、K+等外來腐蝕性離子等引起的。油氣集輸系統(tǒng)中的CO2主要有兩個來源：一是來自蘊藏在地質(zhì)結(jié)構(gòu)豐富的CO2氣體，在石油和天然氣開采時CO2作為伴生氣產(chǎn)出；二是由于CO2多級混相驅(qū)油時，將CO2加壓注入油井與原油混溶，致使原油發(fā)生溶脹，從而降低原油的黏度。
油田集輸系統(tǒng)中的H2S可來自于硫酸鹽的還原、金屬硫化物的氧化、生物體的代謝和降解、高溫高壓下不穩(wěn)定含硫有機物的熱化學(xué)分解以及地層中的巖漿活動等，在酸性油層中，當(dāng)含硫物質(zhì)的熱分解、含有硫酸鹽還原菌的各種流體以及鉆井液熱分解時，都可能釋放出H2S。H2S的存在不僅會造成嚴重的局部腐蝕，還會使管道發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂和氫致開裂。
溶解氧主要來自于油氣田生產(chǎn)的伴生氣，也有可能來自于油田生產(chǎn)過程密封不嚴而滲入的空氣。腐蝕性離子Cl¯、HCO3¯、Ca2+、Mg2+、Na+、K+等來源于地層中的礦物質(zhì)。然而，大多油藏屬于邊水或底水類型，目前我國在油田開發(fā)中普遍采用的注水開發(fā)工藝產(chǎn)出水的存在也是導(dǎo)致腐蝕的不可避免的因素。
為了降低油田集輸管道的腐蝕破壞，提高集輸管道使用壽命，工程上通常采用添加緩蝕劑、選用耐腐蝕管道材料、電化學(xué)保護及管道內(nèi)涂層等工藝和方法降低集輸管道的腐蝕速率。而涂層技術(shù)因其具有成本低，使用方便，對油田生產(chǎn)影響相對比較小等優(yōu)點，在國內(nèi)外油田防腐蝕工藝中得到廣泛應(yīng)用。然而，由于油田地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多變性，油田集輸系統(tǒng)防腐蝕工藝也不盡相同，需要結(jié)合油田具體地質(zhì)條件制定防腐蝕工藝。
長慶油田集輸系統(tǒng)主要腐蝕機理是由Ca2+、Mg2+等結(jié)垢性離子沉淀所引起的垢下腐蝕，以及CO2和H2S水解所形成的CO2腐蝕和H2S腐蝕。長慶油田第十一采油廠的技術(shù)人員針對前期長慶油田集輸系統(tǒng)腐蝕機理研究結(jié)果，采用國內(nèi)外普遍使用的最新涂層材料，通過掛片浸泡試驗方法，針對長慶油田地質(zhì)條件的集輸系統(tǒng)開展防腐蝕工藝研究，以期獲得長慶油田集輸系統(tǒng)的最佳防腐蝕工藝。
采用浸漬試驗方法進行防腐蝕工藝研究，試驗材料為集輸系統(tǒng)管線用Q345鋼，掛片尺寸為75 mm×25 mm×5 mm，試驗溶液為從長慶油田集輸系統(tǒng)采出水管道中提取的水樣，溶液pH為7.4，水型為CaCl2。
試驗分為5組，每組2片掛片，掛片表面分別進行陶瓷內(nèi)襯防腐蝕層、HCC纖維增強復(fù)合材料防腐蝕層、環(huán)氧樹脂玻璃鋼防腐蝕層和環(huán)氧富鋅涂料防腐蝕層處理，另外選擇一組空白掛片（無任何涂料）進行防腐蝕對比。
待掛片表面涂層充分干透后浸入磨口瓶中的水樣中，如圖1所示，1/3鋼片露出水面，然后蓋上蓋子密封，試驗溫度為室溫，在浸泡30天后取出掛片進行試驗分析。
對掛片進行宏觀檢查，然后利用ZEISS EVO18型掃描電子顯微鏡進行腐蝕層形貌分析，如圖2~6所示，可見空白掛片在試驗過程中發(fā)生了嚴重的腐蝕，表面覆蓋一層黃褐色腐蝕產(chǎn)物；陶瓷涂層掛片表面腐蝕層雖然較為均勻，但是防腐蝕效果一般，掛片表面有輕微的均勻腐蝕；環(huán)氧樹脂涂層掛片和環(huán)氧富鋅涂層掛片表面在試驗前后幾乎沒有變化，說明這兩種涂層具有明顯的防腐蝕作用；HCC涂層掛片在腐蝕前后表面變化不大，僅局部發(fā)生點蝕現(xiàn)象，表明HCC涂層具有較好的防腐蝕性能。圖4(c)為腐蝕坑的SEM形貌，放大倍數(shù)觀察發(fā)現(xiàn)，掛片表面腐蝕孔洞清晰可見，與現(xiàn)場取回的HCC涂層管道內(nèi)表面形貌較為接近，現(xiàn)場HCC纖維增強復(fù)合材料涂層管內(nèi)壁存在大量的點蝕坑，見圖4(d)，原因可能是HCC涂層不均勻，導(dǎo)致管道內(nèi)表面涂層較薄或者沒有涂層的區(qū)域被腐蝕，出現(xiàn)點蝕現(xiàn)象。
圖4 HCC涂層掛片在浸泡試驗前后的宏觀形貌、腐蝕坑微觀形貌及現(xiàn)場管道腐蝕形貌
圖5 環(huán)氧樹脂涂層掛片在浸泡試驗前后的宏觀形貌
圖6 環(huán)氧富鋅涂層掛片在浸泡試驗前后的宏觀形貌
為了分析陶瓷涂層和HCC纖維增強復(fù)合材料涂層防腐蝕失效原因，選取空白掛片、陶瓷涂層掛片和HCC涂層掛片進行SEM和XRD分析，結(jié)果如圖7~9所示。
圖7 空白掛片在試驗后表面腐蝕產(chǎn)物的形貌、EDS譜及XRD譜
圖8 陶瓷涂層掛片在試驗后表面腐蝕產(chǎn)物的形貌、EDS譜及XRD譜
圖9 HCC涂層掛片在試驗后表面腐蝕產(chǎn)物的形貌、EDS譜及XRD譜
由圖7可見：空白掛片表面存在一層較為均勻的腐蝕產(chǎn)物，EDS分析表明腐蝕產(chǎn)物的主要成分為C、O、S、Fe元素，相應(yīng)的XRD分析表明腐蝕產(chǎn)物由FeO(OH)、FeCO3、FeS、CaCO3和SiO2組成，SEM和XRD分析結(jié)果一致。
由圖8可見：陶瓷涂層掛片腐蝕后的形貌較為均勻，也產(chǎn)生了嚴重的腐蝕，掛片表面產(chǎn)生了一些腐蝕鼓泡和較厚的腐蝕產(chǎn)物，EDS和XRD分析表明，陶瓷涂層表面腐蝕產(chǎn)物主要為FeO(OH)、FeCO3、和FeS。
由圖9可見：腐蝕后HCC涂層掛片表面存在大量的點蝕坑，較大的點蝕坑已經(jīng)穿透HCC涂層深入到掛片基體；EDS和XRD腐蝕產(chǎn)物分析表明，HCC涂層表面的腐蝕產(chǎn)物主要為FeO(OH)、FeCO3、CaCO3和FeS。3種掛片表面的主要腐蝕產(chǎn)物均為FeO(OH)、FeCO3和FeS，而在掛片表面還檢測到少量的CaCO3和SiO2，應(yīng)為水樣中固體物附著在掛片表面所致。
在長慶油田集輸系統(tǒng)水樣中，存在高濃度的Ca+、Mg+、Na+陽離子和HCO3¯、SO42-、Cl¯陰離子，以及溶解了較高濃度的H2S、CO2、O2氣體，高濃度離子的存在使溶液的導(dǎo)電率增加，從電化學(xué)腐蝕的角度分析，這將減小介質(zhì)的極化阻抗，從而使腐蝕加劇。當(dāng)CO2和H2S氣體溶于水時，水中的CO2與水反應(yīng)生成弱解離酸，水樣中的HCO3¯¯濃度增加，溶解后形成弱酸環(huán)境，溶液的pH減小，導(dǎo)致腐蝕速率增大。在常溫下，鐵和CO2、H+之間腐蝕的最終產(chǎn)物是FeCO3和H2。此外，H2S溶于水后形成弱酸，其影響比CO2嚴重。H2S溶于水能立即電離呈酸性，釋放出的H+是強去極化劑，易在陰極奪取電子，促進陽極發(fā)生溶解反應(yīng)生成FeS。而在含有氧氣的溶液中，在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，氧氣的還原反應(yīng)實質(zhì)是陰極的吸氧腐蝕，其腐蝕產(chǎn)物為FeO(OH)。
由于空白掛片、陶瓷涂層掛片及HCC涂層掛片在腐蝕性溶液中均發(fā)生了不同程度的CO2腐蝕、H2S誘發(fā)的硫化物腐蝕和氧腐蝕，因此掛片表面形成FeO(OH)、FeCO3和FeS等腐蝕產(chǎn)物。因此，空白掛片、陶瓷涂層掛片、HCC涂層掛片的腐蝕失效是上述3種腐蝕共同作用的結(jié)果。
(1) 環(huán)氧樹脂玻璃鋼涂層和環(huán)氧富鋅涂料涂層掛片表面在試驗前后幾乎沒有變化，對長慶油田集輸系統(tǒng)水樣具有較好的防腐蝕性能，而空白掛片、HCC纖維增強復(fù)合材料涂層和陶瓷涂層掛片發(fā)生了較為嚴重的腐蝕，腐蝕機理主要是水中的CO2引起的CO2腐蝕、H2S引起的硫化物腐蝕以及溶解氧引起的氧腐蝕。
(2) 根據(jù)浸泡試驗結(jié)果，建議長慶油田集輸系統(tǒng)管線采用環(huán)氧樹脂玻璃鋼涂層或環(huán)氧富鋅涂料涂層進行內(nèi)防腐蝕，不宜采用HCC纖維增強復(fù)合材料涂層和陶瓷涂層作為集輸管線的內(nèi)防腐涂層。
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