闞子建

(中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300450 )

隨著油田不斷地勘探開(kāi)發(fā)，綜合含水的不斷上升，生產(chǎn)系統(tǒng)腐蝕越來(lái)越嚴(yán)重，一方面影響油田的正常生產(chǎn)，另一方面造成安全事故和環(huán)境污染，開(kāi)展油田防腐工作已迫在眉睫。如何開(kāi)展好油田防腐工作，首先要開(kāi)展好油田生產(chǎn)系統(tǒng)腐蝕機(jī)理研究和油田腐蝕監(jiān)測(cè)工作，為腐蝕的防腐工作提供科學(xué)的決策依據(jù)。

目前，國(guó)內(nèi)大多的油氣田設(shè)備腐蝕監(jiān)測(cè)仍然以各種結(jié)構(gòu)的掛片監(jiān)測(cè)為主，不能實(shí)時(shí)反映腐蝕情況，所以,有必要把腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)成果進(jìn)一步推廣到各大油氣田企業(yè)。

1 油氣田的腐蝕危害和腐蝕監(jiān)測(cè)的意義及監(jiān)測(cè)點(diǎn)的確定

1.1 油氣田中腐蝕的危害性

(1)采油流程

H2S、CO2分壓造成油氣井井下油套管的腐蝕，地面集輸系統(tǒng)主要表現(xiàn)為管底水相腐蝕穿孔，且主要以?xún)?nèi)腐蝕為主。

(2)聯(lián)合站流程

主要表現(xiàn)為地層產(chǎn)出水腐蝕，集中表現(xiàn)為聯(lián)合站油氣處理系統(tǒng)三相分離器和高含水油罐罐底、水出口管線(xiàn)，污水處理系統(tǒng)以及注水系統(tǒng)通常是腐蝕的重災(zāi)區(qū)。

據(jù)現(xiàn)場(chǎng)腐蝕狀況調(diào)查，部分油管腐蝕斷裂，地面管線(xiàn)腐蝕穿孔頻繁(圖1)。

圖1 油氣田管道腐蝕示意圖Fig.1 Schematic diagram of pipeline corrosion in oil and gas field

因此，腐蝕直接造成設(shè)備損耗，甚至引起腐蝕穿孔，造成停工停產(chǎn)或其它重大火災(zāi)事故，帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。如果腐蝕引起的腐蝕穿孔或脆性斷裂是未知的，可能引發(fā)更大事故甚至導(dǎo)致人身傷亡，由此可見(jiàn)腐蝕的危害是巨大的。

1.2 油氣田腐蝕監(jiān)測(cè)的意義

油氣開(kāi)采過(guò)程中，希望實(shí)時(shí)地掌握工藝介質(zhì)對(duì)設(shè)備或管道造成的腐蝕速度，以便準(zhǔn)確地采用防腐措施，或預(yù)知維修。隨著腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展以及企業(yè)防腐管理的進(jìn)步，對(duì)腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的需求越來(lái)越顯著。生產(chǎn)設(shè)備面臨著嚴(yán)重的腐蝕危害，因此，腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用具有十分重要的意義。

1.2.1 為防腐蝕管理提供科學(xué)的防腐依據(jù)

在油氣田工藝生產(chǎn)過(guò)程中，由于工藝或防腐蝕需要，會(huì)添加各種注劑，當(dāng)管線(xiàn)內(nèi)含有腐蝕介質(zhì)時(shí)，就有可能發(fā)生腐蝕減薄而穿孔。采用在線(xiàn)腐蝕監(jiān)測(cè)，判斷腐蝕控制措施的應(yīng)用情況和效果。

1.2.2 預(yù)防事故的發(fā)生

原油品質(zhì)的惡化或工藝參數(shù)的變化有時(shí)會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的腐蝕。采用腐蝕監(jiān)測(cè)可以隨時(shí)監(jiān)測(cè)介質(zhì)的腐蝕狀況，如果發(fā)現(xiàn)腐蝕速率驟然升高，應(yīng)立即采取相應(yīng)的措施，及時(shí)找出問(wèn)題所在，以防止重大事故發(fā)生。

1.2.3 預(yù)測(cè)設(shè)備的剩余壽命

通過(guò)腐蝕監(jiān)測(cè)可以準(zhǔn)確地掌握設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的腐蝕速率，可以預(yù)測(cè)設(shè)備的剩余使用壽命，做到既安全又經(jīng)濟(jì)。

1.2.4 分析腐蝕原因

通過(guò)腐蝕監(jiān)測(cè)可以了解和掌握設(shè)備及管線(xiàn)的腐蝕過(guò)程與工藝參數(shù)之間的關(guān)系，因此，有利于分析腐蝕原因，對(duì)腐蝕的發(fā)生和防腐做出綜合分析，以便采取相應(yīng)措施。

1.3 腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)的確定

腐蝕監(jiān)測(cè)位置的確定直接決定著腐蝕監(jiān)測(cè)效果的好壞。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)設(shè)備管道真正造成威脅的是局部腐蝕，因此，要監(jiān)測(cè)到設(shè)備管道腐蝕相對(duì)嚴(yán)重的部位。這些部位隨著設(shè)備管道工藝條件、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等的不同而變化，通常腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)的選擇遵循“區(qū)域性、代表性、系統(tǒng)性”三大原則。

所謂“區(qū)域性”是指某一個(gè)區(qū)塊或某一個(gè)油田；“代表性”是指在生產(chǎn)系統(tǒng)中能達(dá)到以點(diǎn)代面的點(diǎn)；“系統(tǒng)性”是指圍繞和貫穿整個(gè)油田生產(chǎn)系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)，即從油井井筒(上、中、下)—油井井口—計(jì)轉(zhuǎn)站—聯(lián)合站油系統(tǒng)—污水處理系統(tǒng)—注水站(污水、清污混注、清水)—配水間—注水井井口—注水井井筒(上、中、下)。

2 油氣管道適用的腐蝕監(jiān)測(cè)方法

腐蝕監(jiān)測(cè)方法隨著理論和生產(chǎn)中的需要不斷地發(fā)展。目前在油氣管道上應(yīng)用的腐蝕監(jiān)測(cè)方法主要有：腐蝕掛片法，采用試片反映實(shí)際腐蝕狀況；電阻法，采用電阻(ER)探針測(cè)量全面腐蝕；電感法，采用電感探針測(cè)量全面腐蝕；電化學(xué)法(LPR)，采用電化學(xué)探針測(cè)量水系統(tǒng)的腐蝕；氫滲透法，采用氫探針監(jiān)控氫致開(kāi)裂和硫化物高壓腐蝕致開(kāi)裂；聲發(fā)射法，采用聲學(xué)沙探針來(lái)測(cè)量磨蝕。

2.1 腐蝕掛片法

腐蝕掛片監(jiān)測(cè)作為腐蝕監(jiān)測(cè)最基本的方法之一，具有操作簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)可靠性高等特點(diǎn)，可作為設(shè)備和管道選材的重要依據(jù)。它可以同時(shí)對(duì)幾種材料進(jìn)行試驗(yàn)，定量地測(cè)量出材料在工業(yè)介質(zhì)環(huán)境中的腐蝕速度。腐蝕掛片監(jiān)測(cè)腐蝕速度的計(jì)算公式如下：

(1)

式中：Vcorr——腐蝕速度，mm/a；W0、W1——掛片試驗(yàn)前后重量，g；S——掛片表面面積，cm2；ρ——金屬材料的密度，g/cm3；t——掛入時(shí)間，h。

腐蝕掛片監(jiān)測(cè)操作周期比較長(zhǎng)，所測(cè)得的數(shù)據(jù)為裝置設(shè)備在一段時(shí)間內(nèi)的平均腐蝕速度，不能反映設(shè)備在某一點(diǎn)的腐蝕速度，因此，無(wú)法用于實(shí)時(shí)在線(xiàn)分析。腐蝕掛片監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要用于設(shè)備選材和監(jiān)測(cè)工藝防腐措施的應(yīng)用效果，也可作為其他腐蝕監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)比較的基礎(chǔ)。

2.2 電阻法

電阻法是利用金屬試樣在腐蝕過(guò)程中截面減小，從而導(dǎo)致電阻增加的原理，根據(jù)測(cè)出的腐蝕過(guò)程中金屬試樣的電阻變化計(jì)算出腐蝕速率。

因此，通過(guò)一定的公式，可以換算出金屬的腐蝕速度。電阻探針測(cè)量腐蝕速度計(jì)算公式見(jiàn)式(2)。

(2)

式中：V——腐蝕速度，mm/a；Δh——兩次測(cè)量值的差值；ΔT——兩次測(cè)量時(shí)間的間隔值。

式中h的計(jì)算公式為：

對(duì)于條形試片：

對(duì)于圓絲狀試片：

式中：Rt——腐蝕前電阻值；Ro——腐蝕后電阻值。

電阻探針適用范圍廣，幾乎可以用于煉油廠(chǎng)所有的介質(zhì)環(huán)境中，包括氣相、液相、固相和流動(dòng)顆粒。但由于電阻探針的使用壽命比較短，已經(jīng)逐步被電感探針取代。

2.3 電感法

在線(xiàn)電感探針技術(shù)是通過(guò)測(cè)量金屬試樣腐蝕減薄所引起的磁通量的變化來(lái)直接測(cè)得金屬試樣的腐蝕深度，從而計(jì)算金屬腐蝕速率的方法。

電感探針監(jiān)測(cè)技術(shù)具有如下特點(diǎn)(圖2)：

圖2 管狀電感探針結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structural schematic diagram of tubular inductance probe

(1)間接測(cè)量腐蝕，通過(guò)測(cè)量元件的腐蝕速率來(lái)間接反應(yīng)介質(zhì)對(duì)管路的腐蝕情況，是通過(guò)一段時(shí)間內(nèi)的腐蝕減薄積累來(lái)計(jì)算腐蝕率。

(2)與腐蝕體系無(wú)關(guān)，可測(cè)量液相或氣相腐蝕，可應(yīng)用于電解質(zhì)腐蝕體系和非電解質(zhì)腐蝕體系。

(3)是目前比較通用的在線(xiàn)腐蝕監(jiān)測(cè)方法，由于測(cè)量信號(hào)采用交流信號(hào)，所以抗干擾能力較強(qiáng)。

(4)管狀探頭與探針體通過(guò)焊接方式形成一整體，內(nèi)部填充有高溫固化膠，抗點(diǎn)蝕、耐沖刷、抗壓能力比電阻探針強(qiáng)。

(5)溫度補(bǔ)償試片被包在測(cè)試片里，處于介質(zhì)中的同一層面，所以其測(cè)量結(jié)果受溫度影響很小。

2.4 電化學(xué)法(LPR)

電化學(xué)測(cè)量方法是在電解質(zhì)環(huán)境下進(jìn)行腐蝕速率實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的有效方法。其優(yōu)點(diǎn)是不需要測(cè)量腐蝕減薄累積量，測(cè)量速度快。探針的三個(gè)電極與介質(zhì)構(gòu)成導(dǎo)電回路，通過(guò)對(duì)被測(cè)電極施加電信號(hào)，然后瞬時(shí)測(cè)量金屬離子的轉(zhuǎn)移量，將腐蝕電流作為測(cè)量的目標(biāo)值。

線(xiàn)性極化腐蝕監(jiān)測(cè)的原理是電化學(xué)Stern&Geary定律，即在腐蝕電位附近電流的變化和電位的變化之間成直線(xiàn)關(guān)系，其斜率與腐蝕速度成反比：

式中：B——極化常數(shù)，由金屬材料和介質(zhì)決定;Rp——極化電阻，Rp=△E/△i

線(xiàn)性極化法的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量迅速，可以測(cè)得瞬時(shí)腐蝕速度，及時(shí)反映設(shè)備操作條件的變化。但只適用于電解質(zhì)溶液，因此，在油氣田通常只用在水系統(tǒng)的腐蝕監(jiān)測(cè)上。

2.5 氫滲透法

氫腐蝕的監(jiān)測(cè)通常采用氫探針來(lái)進(jìn)行。氫探針可以監(jiān)測(cè)在工藝過(guò)程中材料中滲氫量的變化程度，以評(píng)價(jià)是否存在氫腐蝕。氫探針?lè)植迦胧胶头遣迦胧絻煞N。插入式探針伸入到容器或管道中，通過(guò)測(cè)量滲入探針的氫壓來(lái)反映氫滲透的速度。非插入式氫探針采用外部電化學(xué)電池來(lái)監(jiān)測(cè)鋼鐵管道或容器外壁表面上氫滲透的速度。氫探針適用于含硫天然氣管道。

2.6 聲發(fā)射法

材料的腐蝕與表面摩擦?xí)新暡òl(fā)出，聲發(fā)射監(jiān)測(cè)技術(shù)就是通過(guò)監(jiān)聽(tīng)這種聲波來(lái)檢測(cè)材料中缺陷的發(fā)生和發(fā)展，尋找缺陷的位置。目前，先進(jìn)的連續(xù)在線(xiàn)腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)是Integriti Solutions公司開(kāi)發(fā)成功的電化學(xué)噪聲腐蝕監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(EN)，該技術(shù)不僅可以監(jiān)測(cè)腐蝕速度，還可以通過(guò)不同的噪聲形式判斷腐蝕類(lèi)型。目前這項(xiàng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有見(jiàn)到應(yīng)用的報(bào)道。

3 腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)在油氣田的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用情況

油氣集輸系統(tǒng)、凈化系統(tǒng)都是油、氣、水混合介質(zhì)，高壓或高溫體系，工藝環(huán)境苛刻；對(duì)于油氣開(kāi)采，涉及超過(guò)3 000 m井下管道和設(shè)備的腐蝕監(jiān)測(cè)，溫度和壓力都很高，且許多氣田含有大量硫化氫強(qiáng)腐蝕、有毒有害物質(zhì)，另外，生產(chǎn)系統(tǒng)主要分布在野外，所以，只有電感腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)符合油氣田大面積推廣應(yīng)用的條件。

3.1 井下腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

井下電感腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)，探頭和采集器做成一體化的設(shè)備，固定在投撈鋼絲繩上，通過(guò)防噴器把井下電感腐蝕監(jiān)測(cè)儀投放到井下，進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)，定期取數(shù)并數(shù)據(jù)分析，進(jìn)而掌握腐蝕趨勢(shì)(圖3)。

圖3 井下探針和數(shù)采系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of downhole probe and data acquisition system

井下探針和數(shù)采系統(tǒng)設(shè)計(jì)成一體式，這樣就不受傳輸距離的影響，元器件均采用軍工產(chǎn)品，在溫度125 ℃，壓力60 MPa下，運(yùn)行穩(wěn)定。目前的設(shè)計(jì)外徑為44 mm ；長(zhǎng)度為1 060 mm。安裝示意圖見(jiàn)圖4。

圖4 井下電感探針安裝示意圖Fig.4 Install schematic diagram of downhole inductance probe

3.2 井口腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

目前，腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成熟，井口高壓電感腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在，使用環(huán)境壓力達(dá)到了60 MPa的要求。氣井井口壓力比較大，采用了高壓承載器進(jìn)行連接，通過(guò)全密閉拆裝器可以實(shí)現(xiàn)探針的帶壓更換。井口電感探針安裝示意圖見(jiàn)圖5。

圖5 井口電感探針安裝示意圖Fig.5 Install schematic diagram of inductance probe at wellhead

3.3 集氣站腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

在氣田的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用中，國(guó)外的腐蝕監(jiān)測(cè)探針出現(xiàn)了如下問(wèn)題：有探針彎曲、測(cè)量元件密封脫落、硫磺聚集等各種問(wèn)題，達(dá)不到監(jiān)測(cè)的最佳效果(圖6)。

圖6 集氣站國(guó)外腐蝕監(jiān)測(cè)探針問(wèn)題示意圖Fig.6 Problem schematic diagram of corrosion monitroring probes from abroad in gas gathering station

在此情況下，進(jìn)行了集氣站探針問(wèn)題的專(zhuān)項(xiàng)研究，依據(jù)電感探針技術(shù)，進(jìn)行集氣站適應(yīng)性開(kāi)發(fā)。做出了如下改進(jìn)：

(1)測(cè)量試片加厚，提高強(qiáng)度，適應(yīng)高壓高流速，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)模型做出相應(yīng)的改進(jìn)。

(2)保護(hù)支撐，前端加固，抵抗高速?zèng)_刷，避免焊接部位受力學(xué)化學(xué)作用。

(3)改善熱處理工藝，提高耐用性。

(4)加固填充，測(cè)量試片耗盡后免泄露。

集氣站電感探針成功在國(guó)內(nèi)某氣田進(jìn)行了應(yīng)用，2012-09安裝了兩支管狀電感探針，分別為加熱爐前和加熱爐后，加熱爐前的壓力為25 MPa左右，流速在10 m/s左右，加熱爐后壓力達(dá)到15 MPa左右，安裝后，電感腐蝕監(jiān)測(cè)探針均運(yùn)行正常，數(shù)據(jù)真實(shí)有效(圖7)。

圖7 集氣站電感探針安裝示意圖Fig.7 Install schematic diagram of inductance probe in gas gathering station

2012-09～11的腐蝕速率為0.035 mm/a，并且探針拆除后，發(fā)現(xiàn)探針表面狀態(tài)是完好的。證明該探針能在此工況下進(jìn)行穩(wěn)定的腐蝕監(jiān)測(cè) 。

3.4 凈化廠(chǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

鑒于之前技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，到凈化廠(chǎng)流程后，主要是特殊工況點(diǎn)的探針適應(yīng)性問(wèn)題，凈化廠(chǎng)的探針能夠在高溫400 ℃，壓力60 MPa的情況下，穩(wěn)定運(yùn)行，可以完全滿(mǎn)足凈化廠(chǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)的需求。

在國(guó)內(nèi)某凈化廠(chǎng)腐蝕監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中，五個(gè)聯(lián)合裝置每套裝置均有30801監(jiān)測(cè)點(diǎn)，上述相同條件下各測(cè)點(diǎn)腐蝕速率基本一致，探針的測(cè)量數(shù)據(jù)比較客觀準(zhǔn)確，一致性較好。腐蝕速率達(dá)到0.2 mm/a，腐蝕偏高，分析原因該點(diǎn)為高溫，溫度達(dá)到298 ℃，正好是高溫硫的腐蝕范圍，所以應(yīng)考慮采用注劑等防腐措施。

3.5 污水回注系統(tǒng)腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

針對(duì)污水回注系統(tǒng)腐蝕監(jiān)測(cè)和防腐管理，先期采用了電化學(xué)系統(tǒng)，長(zhǎng)期使用后發(fā)現(xiàn)，在金屬表面生成了腐蝕產(chǎn)物FeS，其良好的導(dǎo)電性，并觸到金屬基體，將極化電阻Rp短連，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果異常。因此，電化學(xué)探針不適于含硫化氫的油水介質(zhì)作長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，所以，選擇電感探針在油田回注水系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)期的腐蝕監(jiān)測(cè)，應(yīng)用效果良好(圖8)。

在國(guó)內(nèi)某油田聯(lián)合站選擇了4個(gè)電感腐蝕監(jiān)測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)，選點(diǎn)涵蓋了注劑前、注劑后及污水回注的水體系的監(jiān)測(cè)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)分析，加藥前腐蝕速率為0.838 mm/a；加藥后腐蝕速率為0.298 mm/a；證明此藥劑有緩蝕效果，可以選擇此緩蝕劑進(jìn)行加注，但加藥量必須增加，經(jīng)過(guò)藥劑量調(diào)整后監(jiān)測(cè)到加藥后的腐蝕速率減小到了0.084 mm/a，并且同期掛片監(jiān)測(cè)腐蝕速率為0.1 mm/a，證明電感探針監(jiān)測(cè)穩(wěn)定，數(shù)據(jù)真實(shí)有效，可以篩選緩蝕劑并且指導(dǎo)緩蝕劑的注入量。

圖8 污水回注系統(tǒng)電感探針應(yīng)用示意圖Fig.8 Application schematic diagram of inductance probe in sewage reinjection system

4 結(jié)論

1)研究開(kāi)發(fā)了適用于油氣田井下、井口、集氣站、凈化廠(chǎng)、污水回注系統(tǒng)的腐蝕在線(xiàn)監(jiān)測(cè)技術(shù)。

2)開(kāi)展了集氣站、凈化廠(chǎng)、污水回注系統(tǒng)工業(yè)試驗(yàn)，通過(guò)應(yīng)用表明所開(kāi)發(fā)的在線(xiàn)腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)已在國(guó)內(nèi)多個(gè)油氣田成功應(yīng)用，可推廣使用。

3)在線(xiàn)腐蝕監(jiān)測(cè)技術(shù)為油氣田管道防腐及科學(xué)管理提供了必要手段和先進(jìn)技術(shù)。