李 虎， 黃冬云， 巴 硯， 謝金秋

(中海油研究總院，北京 100028)

南海某氣田管線重量控制研究

李 虎， 黃冬云， 巴 硯， 謝金秋

(中海油研究總院，北京 100028)

針對南海某氣田管線物流含CO2的特點，簡要分析了CO2對碳鋼的腐蝕原理，提出了防止CO2腐蝕的措施。闡述了重量控制在該氣田的重要性，并結合重量控制的要求，對含CO2的工藝管線材質進行比選優(yōu)化，達到減輕平臺管線重量的目的。

管線重量；重量控制；腐蝕機理；CO2腐蝕

0 引 言

海洋石油生產平臺是海上油氣田開發(fā)的重要設施，通常分為固定式平臺和浮式平臺。對于300m水深以下，導管架式固定平臺的應用最廣。導管架平臺由上部組塊和導管架組成，上部組塊主要是油氣生產的設備以及操作人員的生活設施等，而導管架為上部組塊提供結構支撐。近年來隨著我國深海油氣勘探開發(fā)能力的不斷提升，大儲量油氣田的開發(fā)不斷增多，平臺規(guī)模也越來越大，由于受海上施工船舶資源的限制，有效控制海上平臺設施重量尤為重要。

南海某深水氣田開發(fā)即采用導管架式固定平臺的開發(fā)模式，水深約200m，該平臺為中心處理平臺，處理來自4個不同水下生產系統(tǒng)的物流，物流中CO2含量較高。平臺設有油氣生產處理設施、生活動力設施、油氣外輸設施及公用設備設施等，平臺規(guī)模龐大，組塊浮托重量達32000t，在世界范圍僅有兩艘船舶可進行該組塊的安裝作業(yè)，因此，在設計時需要嚴格控制組塊重量，其中管線重量占比近20%，因而控制管線重量顯得尤為重要。該氣田物流中CO2含量高，對管線材質提出了防腐的要求，為管線重量控制帶來更大挑戰(zhàn)。在考慮防止CO2腐蝕的基礎上，本文對管線材質進行比選優(yōu)化，達到減輕平臺管線重量的目的。

1 CO2腐蝕原理及防護措施

1.1 CO2腐蝕機理

CO2氣體溶于水后形成碳酸，對鋼鐵材料具有極強的腐蝕性。鋼鐵在CO2水溶液中的腐蝕過程相當于鋼在酸溶液的電化學反應。研究對腐蝕的陽極反應觀點較為一致，其反應機理如下：

而對腐蝕的陰極反應機理研究較為廣泛，研究表明，鋼在CO2溶液中的腐蝕速率受析氫動力學所控制，CO2溶于水后形成碳酸，釋放出氫離子，氫離子極化性極強，易奪取電子，導致陰極鐵溶解而腐蝕。其中主要有兩種觀點[1—4]，一種是非催化的氫離子在陰極的還原反應，另一種是表面吸附CO2氫離子的催化還原反應。

上述腐蝕機理是對裸露在CO2溶液中的鋼鐵而言[5]。實際上，在含CO2油氣環(huán)境中，腐蝕初期金屬表面裸露在CO2溶液中，隨著腐蝕的進行，金屬表面逐漸被腐蝕產物覆蓋，隨后的腐蝕反應會受到腐蝕產物膜的影響，腐蝕產物膜的穩(wěn)定性、厚度等對后續(xù)腐蝕產生重要影響。當腐蝕產物膜較厚、黏附性強且組織結構致密時，就能夠有效阻止腐蝕的擴展，反之則會繼續(xù)產生嚴重的腐蝕。

實際生產中，CO2的腐蝕破壞往往表現(xiàn)為局部腐蝕穿孔[6—7]。20世紀90年代起，CO2腐蝕研究的重點逐漸轉移到局部腐蝕機理和防護技術上來。Xia等[8—10]對CO2局部腐蝕提出了各自的研究觀點，相似之處在于認為碳鋼的CO2局部腐蝕是由于在材料表面覆蓋了腐蝕產物構成了電偶腐蝕，從而加速了碳鋼的局部腐蝕；不同之處在于電偶腐蝕的腐蝕產物不同。

1.2 CO2防護措施

實際上，對于CO2腐蝕的管線內防護，目前在油氣田中應用較為廣泛的方式是管線的選材和緩蝕劑的使用。

管材的化學成分對腐蝕過程的影響很大。諸多研究結果表明[11—12]，在含有CO2的油氣田開發(fā)中，不銹鋼表現(xiàn)出優(yōu)良的抗腐蝕性能，隨著Cr含量的增大，腐蝕速率降低，一般Cr含量達到12%時，其耐蝕性能已經非常好，但耐蝕合金價格貴，需要綜合經濟性考慮。

緩蝕劑是一種以適當濃度和形式存在于環(huán)境中，防止或減緩腐蝕的化學物質，也稱為腐蝕抑制劑。它用量很小，但效果顯著，已成為防腐蝕技術中應用最廣泛的方法之一。合理使用緩蝕劑是防止金屬及其合金在環(huán)境介質中發(fā)生腐蝕的有效方法。通常吸附性緩蝕劑被認為是抑制CO2腐蝕的關鍵，由于CO2對金屬的腐蝕是以氫去極化腐蝕為主[13—14]，金屬表面氧化產物極易被溶解脫落，導致新的金屬表面暴露在腐蝕溶液中，使腐蝕擴展，而吸附型緩蝕劑會吸附在金屬表面，形成一層腐蝕產物層，從而抑制腐蝕的擴展。

2 管線重量優(yōu)化

該氣田物流中CO2含量較高，采用普通碳鋼加入緩蝕劑的防腐方案還是直接采用耐蝕合金，需要綜合考慮。

通過軟件模擬計算可以獲得CO2對碳鋼管線的腐蝕速率，根據(jù)工程實踐經驗，緩蝕劑的腐蝕效率一般按照80%考慮，油田開發(fā)全生命周期內，普通碳鋼腐蝕裕量可通過計算得到，如表1所示。

表1 不同壓力下的CO2對碳鋼的腐蝕速率

在工程實踐項目中，采用碳鋼加入緩蝕劑的防腐方案時，碳鋼的腐蝕裕量一般不大于6mm，分析表1可知，管線不同設計壓力下的腐蝕裕量均超過6mm，因此，不宜采用此防腐方案。

采用耐蝕合金也是防止CO2腐蝕的常見措施。海洋工程設計中，最常用的耐蝕合金有316L和雙向不銹鋼(應用最為廣泛的牌號為S31803)。兩種材質均有優(yōu)異的耐腐蝕性能，316L許用應力較低，但價格也相對便宜。同樣壓力等級下，316L的強度較低，管線的壁厚會更大，導致的管線重量也會增加，下面進行具體比較。

海上用于輸送油氣和公用介質的管線通常采用ASME B31.3 Process Piping規(guī)定的壁厚計算方法：tm=PD/2(SE+PY)+CA，其中tm為滿足內壓、機械加工、腐蝕及侵蝕要求的最小壁厚；P為設計內壓；D為管線外徑；S為材料許用應力；E為縱向焊縫系數(shù)；CA為考慮機械加工減薄量(螺紋槽深度)和腐蝕裕量的附加厚度。計算得到的壁厚并非最終的管線壁厚，為保證在運輸、安裝過程中本身的強度和剛度要求，在工程設計中，會規(guī)定不同管徑的最小壁厚，即計算壁厚如果小于最小壁厚，則采用最小壁厚作為最終管線壁厚。圖1～5為不同壓力等級下的管線壁厚及最小壁厚。

圖1 5700kPaG的管壁厚Fig.1 Pipe wall thickness under 5700kPaG

圖2 8470kPaG的管壁厚Fig.2 Pipe wall thickness under 8470kPaG

圖3 12200kPaG的管壁厚Fig.3 Pipe wall thickness under 12200kPaG

圖4 14600kPaG的管壁厚Fig.4 Pipe wall thickness under 14600kPaG

圖5 25100kPaG的管壁厚Fig.5 Pipe wall thickness under 25100kPaG

由圖1分析可知，在較小壓力(5700kPaG)下，管徑小于4英寸(1英寸≈2.54cm)時，316L和S31803計算壁厚比最小壁厚小，應選取最小壁厚作為管線壁厚，同樣的鋼材用量，選擇價格較低的316L作為管材更經濟，同時能夠保證平臺重量不會因管線選材而增加。

由圖2～5分析可知，隨著管線壓力及管徑的增大，316L材質的管線壁厚遠大于S31803材質的管線壁厚，這樣會大大增加平臺重量。以20英寸的工藝管線為例，在設計壓力為25100kPaG時，316L為管材的計算壁厚為55.36mm，S31803為管材的計算壁厚為30.82mm，壁厚減小了45%左右，管道重量相應減少42%。因此，在較大壓力及較大管徑的系統(tǒng)中，選擇S31803作為管線材料更為合理。

合理的材質選擇能夠有效防止CO2腐蝕，降低管線重量。據(jù)本項目初步統(tǒng)計，采用S31803材質的管線長度約為2000m，重量估算約為600t，比采用316L材質的管線重量減少約400t，占平臺總管線重量的10%左右。

3 結 語

該氣田位于中國南海，具有設計規(guī)模大、組塊重量大以及物流中CO2含量較高等特點，該項目面臨著防止CO2腐蝕和組塊減重的雙重壓力，在一定程度上防止CO2腐蝕會增大化學藥劑設備的規(guī)?；蛱岣卟馁|等級，都會使組塊重量增加，與平臺減重相矛盾，因此，給設計帶來了巨大挑戰(zhàn)。

本文通過深入分析計算，認為選取碳鋼加入緩蝕劑的防腐方案無法滿足防腐要求。在較小壓力及較小管徑的管線中，選擇價格較低的316L作為管材更經濟，且保證平臺重量不會因管線選材而增加。在較大壓力及較大管徑的管線中，以S31803作為管線材料比316L更合理，可有效減少平臺管線重量。

隨著我國南海大開發(fā)的不斷推進，類似規(guī)模甚至更大規(guī)模的油氣田會不斷被探索開發(fā)，對于此類油氣田項目，本文探討的內容極具借鑒意義。

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ResearchonPipingWeightControlofaGasFieldintheSouthChinaSea

LI Hu, HUANG Dong-yun, BA Yan, XIE Jin-qiu

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

We review the mechanism of CO2corrosion in gas field exploitation of a platform in the South China Sea. The relevant protection methods are also introduced. The importance of weight control is emphasized to this platform. The selection of pipe material is considered to reduce piping weight so that the overall weight of the platform is controlled within the required weight limits.

piping weight; weight control; corrosion mechanism; CO2corrosion

TE988.2

A

2095-7297(2017)04-0217-04

2017-04-07

李虎(1986—)，男，碩士，工程師，主要從事海洋平臺布置及重量控制工作。