海底輸送管線

    在石油天然氣工業中,管線是原油、天然氣最主要的輸送方式.隨著我國海洋油氣資源的不斷開發和利用,海底輸送管線的建設也不斷增多,但使用過程中出現了各種問題,如腐蝕失效產生的泄漏和斷裂等.海底輸送管線流體為多相流,其中溶有酸性氣體( CO2、H2S)而具有酸性,隨開采時間增加,原油含水率逐年升高,嚴重腐蝕管道; 由于管道彎管處結構的特殊性,其腐蝕往往會更嚴重.

   本文研究的某海底輸送管線,輸送流體為原油、油田產出水和天然氣,隨生產時間延長,輸油量降低,輸水量升高,原油含水率逐年增加,進出口壓力逐年增大.海底輸送管線內的腐蝕環境越來越惡劣,導致管道腐蝕情況越來越嚴重,部分管段甚至穿孔,因此有必要對該海底輸送管線進行腐蝕原因分析,找出腐蝕的主要影響因素,為后期管道設計及維護提供依據和幫助.

   (一)宏觀形貌分析

   某海底輸送管線內管連接示意圖如圖所示.由上圖可見,穿孔位置在彎管外弧側( 紅色圓圈) .穿孔位置宏觀形貌見下圖2,測量蝕孔尺寸約34. 46 mm ×27. 23 mm.圖2 - a) 為穿孔處內壁宏觀形貌,穿孔處內壁布滿深度不一的局部腐蝕坑,橢圓形區域內可見極深的腐蝕坑,圓形區域可見由內壁向外壁發展的腐蝕坑.圖2 - b) 為穿孔處外壁宏觀形貌,穿孔處周圍外壁表面相對較平整,未見明顯的局部腐蝕坑,主要呈層片狀腐蝕特征.從宏觀形貌上觀察穿孔處周圍內壁腐蝕程度較外壁更嚴重,由此可以判斷,孔蝕是由內壁向外壁發展.

   (二)測試結果

    結合化學成分分析、機械性能分析、微觀形貌分析、極化曲線測試結果如下:

   1) 彎管材料的理化性能滿足API Spec 5 L - 2012《美國石油協會管線鋼管規范》的要求.

   2) EDS 和XRD 分析結果表明,彎管內、外壁腐蝕產物為CO2腐蝕和氧腐蝕產物,穿孔前,管內輸送介質含CO2,CO2溶于水對材料有強腐蝕性,發生CO2腐蝕,穿孔方向由內壁向外壁; 穿孔后,管內和彎管、外管環形空間連通,彎管內、外壁同時遭受CO2腐蝕和氧腐蝕.

   3) 含CO2氣體的水介質及壓強較大的點主要分布在彎管外側,彎管外弧側所處腐蝕環境較內弧側更惡劣,腐蝕趨勢較大,更易發生腐蝕穿孔.

   (三)彎管外弧側腐蝕穿孔主要原因解析:

   1 、彎管外弧側腐蝕穿孔原因分析

   在海底輸送管線內,管道彎曲造成流體力學參數變化,容易發生腐蝕.由于輸送流體包括原油、油田水和天然氣,對彎管的腐蝕也是多種腐蝕介質的共同作用結果,不同的液體腐蝕除了受共同外界條件影響外,流體間也會相互影響周彬等人研究發現彎管的腐蝕與流體的運動息息相關,多相流經過彎管后流速、液相分布、湍動能、壓力大小分布都發生了變化,加速了彎管的腐蝕.高速流體沖刷管壁,造成腐蝕產物膜破壞,促進腐蝕惡化.

   管道輸送介質含有氣、水、CO2、H2S 等,采用多相流混合模型,選用周彬等人.的數學模型建模,運用ANSYS軟件進行模擬計算,對彎管模型進行網格劃分,彎曲部分進行局部網格加密,以提高解的收斂性.邊界條件為入口采用壓力入口,出口采用壓力出口,液相體積分數為10 %.由彎管內液相分布云圖可見,液相主要分布在彎管外側,液相分布率較大時,液相中的腐蝕電解質和管壁易相互接觸,容易引起電化學腐蝕,特別是H2S、CO2和其他強電解質溶解在液相介質中時,一旦聚集在管壁上,就會形成酸性環境造成管壁腐蝕.由于彎管處結構的變化,引起流體流動分布發生變化,破壞了流體穩定的邊界層,混輸液的速度梯度變大使管壁腐蝕更嚴重.彎管內壁外側液體速度較快,沖刷帶走表面腐蝕產物,不斷露出新的金屬基體,由于缺乏有效保護,彎管內壁外側將不斷與腐蝕介質相互接觸,加速腐蝕.

   由彎管內壓強分布云圖可見,壓強較大的點集中在彎管外側,高壓層影響區域較大,由于慣性作用,流體碰到彎管后將動能轉換成靜壓能,使彎管內壁外側壓強較大,變形量較大,腐蝕產物保護易破損,加速腐蝕.

   壓力上升后,一旦彎管內壁由于腐蝕作用而產生缺陷,很容易發生穿孔.管道輸送的流體為原油、油田產出水和天然氣,由于流體在彎管處流過時流速、壓強、液相分布等發生變化,易發生腐蝕.因腐蝕介質主要溶于水相中,管道內水含量分布的密集區就成為腐蝕危險區,輸送介質含CO2強電解質溶解在水介質中時,易形成酸性環境,造成彎管腐蝕.隨著開采時間延長,原油含水量上升,彎管內壁外側液相分布率較大處較易腐蝕,同時彎管外弧側所處腐蝕環境較其他位置更惡劣,電化學測試結果也反映出彎管外弧側的腐蝕趨勢大,彎管外弧側更易發生腐蝕穿孔.

   2、 彎管內、外壁腐蝕原因分析

   EDS 和XRD 分析結果表明,彎管內、外壁腐蝕產物為CO2腐蝕和氧腐蝕產物.CO2溶于水后對金屬材料有極強的腐蝕性,氣體中含有CO2腐蝕性氣體,彎管內壁在這種環境下很容易發生CO2腐蝕,而管內輸送的介質中CO2氣體含量為5 %,所以會發生CO2腐蝕,同時CO2腐蝕可使管道發生嚴重的局部腐蝕穿孔.

   金屬在酸性很弱的溶液中,氧氣溶解于金屬表面的水膜中而發生電化學腐蝕,氧來源可能有兩種情況:

   1) 海底輸送管線結構從外到里依次是三層PE 防腐層、外管、聚氨酯保溫層和彎管.一般情況下彎管和外管之間的環形空間都有氧存在,如生產過程有殘留、運輸過程會滲入、海上施工過程、施工完不進行抽真空作業等多種情況都會使環形空間有氧存在.正常情況下彎管、外管環形空間為干燥環境,無腐蝕性介質,即使有氧存在也不會對海底輸送管線造成腐蝕,彎管由內壁向外壁發生穿孔后,彎管和環形空間就形成連通環境,環形空間的氧氣進入彎管后溶解于水介質,對彎管造成氧腐蝕.

   2) 外管在與彎管相同位置也發生穿孔.彎管穿孔后,與外管接觸的海水介質會進入環空,海水介質中有氧存在,對彎管造成氧腐蝕.由于沒有提供外管穿孔樣品,無法對外管穿孔的原因進行分析,無法判斷先發生穿孔的是彎管還是外管.

   但可以肯定的是彎管穿孔是由內壁向外壁,彎管發生穿孔前,彎管主要為內腐蝕,腐蝕原因為CO2腐蝕.穿孔后,管內和彎管、外管環形空間連通,彎管內、外壁同時遭受CO2腐蝕和氧腐蝕.

責任編輯：周婭

《中國腐蝕與防護網電子期刊》征訂啟事
投稿聯系：編輯部
電話：010-62313558-801
郵箱：ecorr_org@163.com
中國腐蝕與防護網官方 QQ群：140808414