張書新(大慶油田有限責(zé)任公司第四采油廠)
隨著杏北油田開發(fā)規(guī)模不斷擴(kuò)大,地面系統(tǒng)埋地管道已達(dá)11 209 km,其中運(yùn)行20 年以上的埋地管道達(dá)到了24.05%,且由于油田開發(fā)方式的多元化、介質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,導(dǎo)致埋地管道腐蝕老化問(wèn)題日益突出。針對(duì)管道失效后帶來(lái)的生產(chǎn)、安全、環(huán)保等問(wèn)題,結(jié)合杏北油田管道腐蝕特點(diǎn),開展管道腐蝕成因分析,制定了針對(duì)性的腐蝕防控措施,有效降低了管道腐蝕穿孔。
結(jié)合杏北油田管道腐蝕特點(diǎn),集輸及注水系統(tǒng)腐蝕穿孔管道主要以運(yùn)行年限長(zhǎng)的外腐蝕管道為主;聚驅(qū)注入管道腐蝕穿孔集中出現(xiàn)在區(qū)塊注聚后3~4 年,且以內(nèi)腐蝕為主。從土壤電阻率、管道運(yùn)行年限、二次穿孔、介質(zhì)腐蝕性等幾方面,對(duì)埋地金屬管道失效成因進(jìn)行分析,為腐蝕防控對(duì)策的制定提供指導(dǎo)。
埋地管道外涂層破損處,與土壤接觸易發(fā)生電化學(xué)腐蝕,且隨著運(yùn)行年限增長(zhǎng),外腐蝕逐年加劇,在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中,管道堵漏后直接回填,在管道腐蝕區(qū)域易發(fā)生二次腐蝕穿孔。
1.1.1 土壤電阻率對(duì)腐蝕的影響
在埋地管道維修和檢測(cè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn),集輸及注水系統(tǒng)管道腐蝕以外腐蝕為主,且腐蝕穿孔區(qū)域集中在土壤電阻率低、土壤腐蝕性強(qiáng)的區(qū)域,這是由于防腐層破損、老化、失效,周圍介質(zhì)與管體接觸,發(fā)生了電化學(xué)反應(yīng)。
1.1.2 隨運(yùn)行年限增長(zhǎng)腐蝕加劇
隨著運(yùn)行年限延長(zhǎng),管道外防腐層破損處長(zhǎng)期處于腐蝕環(huán)境,腐蝕加劇[1],統(tǒng)計(jì)2019 年管道腐蝕穿孔情況,運(yùn)行20 年以上管道,穿孔次數(shù)占全年總穿孔次數(shù)的41.8%。
1.1.3 二次腐蝕穿孔
在管道腐蝕穿孔區(qū)域,焊接維修后,由于未進(jìn)行有效的防腐處理,管道腐蝕缺陷區(qū)域附近,易發(fā)生二次腐蝕穿孔,在破損點(diǎn)形成陽(yáng)極,非破損區(qū)域形成陰極,極大的提升了腐蝕效率[2]。
對(duì)聚合物濃度與介質(zhì)腐蝕的影響、細(xì)菌腐蝕特點(diǎn)進(jìn)行分析,認(rèn)為污水配制聚合物溶液細(xì)菌更易滋生,介質(zhì)腐蝕性強(qiáng),污水中硫酸鹽還原菌(SRB)、腐生菌(TGB)、鐵細(xì)菌(FB) 三種菌群相互作用,代謝繁殖成共生體系,在管道內(nèi)壁形成生物菌瘤,加速電化學(xué)腐蝕。
1.2.1 聚合物濃度對(duì)介質(zhì)腐蝕的影響
使用殺菌后的清水和污水分別配制不同聚合物濃度的腐蝕介質(zhì),用電化學(xué)工作站測(cè)定不同聚合物濃度對(duì)20#碳鋼的腐蝕特性,見(jiàn)圖1,當(dāng)聚合物濃度為600 mg/L 時(shí)介質(zhì)腐蝕性最強(qiáng),且污水配制聚合物溶液,由于細(xì)菌更易滋生,介質(zhì)腐蝕性較清水配制溶液高。
圖1 不同含聚濃度下的介質(zhì)腐蝕速率
1.2.2 細(xì)菌腐蝕特點(diǎn)
從注聚管道內(nèi)腐蝕情況圖2 看,管道內(nèi)壁形成了菌瘤(圖3),分析認(rèn)為介質(zhì)中硫酸鹽還原菌、腐生菌、鐵細(xì)菌三種菌群在金屬表面附著,代謝繁殖成共生體系,并形成生物菌瘤,菌瘤環(huán)境加速電化學(xué)腐蝕,腐蝕速率可達(dá)3~5 mm/a[3]。
圖2 管道內(nèi)表面菌瘤及腐蝕
圖3 微觀下生物菌瘤
通過(guò)管道PCM 法外防腐檢測(cè)技術(shù)及耦合多電極法內(nèi)檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用分析,結(jié)合管道定性及半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)識(shí)別和評(píng)價(jià),采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)減緩措施,實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)有效管控,降低管道事故率,控制改造投資。
2.1.1 埋地管道外防腐檢測(cè)
埋地管道外防腐層檢測(cè)主要通過(guò)地面非開挖檢測(cè)[4],目前,常用的地面非開挖檢測(cè)技術(shù)有ACVG(即交流電位梯度法),ACVG 又可分為Pearson 法和PCM 法等[5-7]。
杏北油田采用PCM 法進(jìn)行外防腐檢測(cè),該方法是優(yōu)化了的ACVG,它能測(cè)量管道中電流衰減梯度[8],所以它也被稱為電流梯度法或多頻管中電流法[9]。檢測(cè)數(shù)據(jù)按照Q/SY DQ 1228—2014《油田埋地鋼質(zhì)管道腐蝕與防護(hù)評(píng)價(jià)方法》進(jìn)行評(píng)價(jià),PCM法外防腐層檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1,外防腐層差級(jí)和劣級(jí)的比例合計(jì)為30.7%,需要進(jìn)行修復(fù)治理。
表1 PCM 法外防腐層檢測(cè)結(jié)果
2.1.2 管道內(nèi)腐蝕檢測(cè)
常用的腐蝕檢測(cè)技術(shù)包括電阻法(ER)、線性極化法(LPR)、電化學(xué)噪聲法(EN)等,由于傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)存在響應(yīng)慢、檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度不高等缺點(diǎn)[10],杏北油田選用耦合多電極法(CMAS) 進(jìn)行內(nèi)腐蝕檢測(cè),該方法直接測(cè)量從被腐蝕電極通過(guò)零電阻電流計(jì)流入腐蝕嚴(yán)重電極的微電流,可快速給出定量的腐蝕速度。
在鹽三元試驗(yàn)區(qū),應(yīng)用耦合多電極檢測(cè)技術(shù),將探頭浸入介質(zhì)中,直接測(cè)量腐蝕微電流,給出定量的腐蝕速度,有效評(píng)價(jià)注入介質(zhì)對(duì)管道及儲(chǔ)罐等金屬設(shè)備的腐蝕性,圖4 為該方法檢測(cè)的碳鋼在20%氯化鈉介質(zhì)中的點(diǎn)蝕速率變化曲線,6 h 內(nèi)的平均點(diǎn)蝕速率為19.0 μm/a,根據(jù)SY/T 0087.2—2012《鋼質(zhì)管道及儲(chǔ)罐腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)埋地鋼質(zhì)管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)》,介質(zhì)腐蝕性等級(jí)為低級(jí)。
圖4 碳鋼在20%氯化鈉介質(zhì)中的點(diǎn)蝕速率變化曲線
2.2.1 管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)
嚴(yán)格按照油田管道完整性管理規(guī)定,每年組織定期對(duì)高后果區(qū)進(jìn)行識(shí)別,對(duì)Ⅱ、Ⅲ類管道進(jìn)行定性風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),I 類管道及Ⅱ、Ⅲ類高風(fēng)險(xiǎn)(定性評(píng)價(jià)結(jié)果) 管道委托設(shè)計(jì)院對(duì)其進(jìn)行半定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià),每年根據(jù)高風(fēng)險(xiǎn)管道臺(tái)賬及“雙高”管道臺(tái)賬,編制全廠管道改造及檢測(cè)修復(fù)方案。
2.2.2 管道風(fēng)險(xiǎn)管控
對(duì)于中風(fēng)險(xiǎn)管道采取以檢測(cè)修復(fù)為主,更換為輔的治理策略,對(duì)于運(yùn)行年限長(zhǎng)、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高管道采用更換為主的治理策略,控制穿孔總量,實(shí)現(xiàn)管道風(fēng)險(xiǎn)安全可控。2016 年以來(lái),逐漸減少管道更換數(shù)量,加大管道檢測(cè)和修復(fù)的投入。
對(duì)于內(nèi)外介質(zhì)環(huán)境腐蝕性強(qiáng)管道,在源頭上,優(yōu)化防腐設(shè)計(jì),優(yōu)選管道材質(zhì)。鹽堿地區(qū)注入管道采用玻璃鋼管或鋼骨架塑料復(fù)合管。對(duì)于土壤一二級(jí)區(qū)域,設(shè)計(jì)2PE 防腐管道;聚驅(qū)閥組間摻水管道,設(shè)計(jì)溶劑型液體環(huán)氧內(nèi)防腐,延長(zhǎng)管道使用壽命。
2.3.1 管道外防腐層
針對(duì)管道外防腐層修復(fù)時(shí)間長(zhǎng)、低溫適應(yīng)性差、工藝復(fù)雜的問(wèn)題,通過(guò)試驗(yàn)篩選涂料和膠帶,優(yōu)選低溫快速修復(fù)結(jié)構(gòu)為:聚脲+低溫超韌聚乙烯熱收縮帶組合;常溫快速修復(fù)結(jié)構(gòu)為:無(wú)溶劑環(huán)氧涂料+聚乙烯冷纏帶組合??焖傩迯?fù)流程與原修復(fù)流程相比,節(jié)省時(shí)間30 min 以上,有效提高了防腐層修復(fù)效率。
2.3.2 軟管翻轉(zhuǎn)法管道內(nèi)修復(fù)技術(shù)
軟管翻轉(zhuǎn)法管道內(nèi)修復(fù)技術(shù)可對(duì)管徑為48~600 mm 的油、氣、水管道進(jìn)行修復(fù),一次修復(fù)長(zhǎng)度為200~500 m,與更換新管道比可降低施工費(fèi)用約50%,由于內(nèi)襯材料是非金屬材料,可大大提高管道的耐腐蝕性,延長(zhǎng)管道運(yùn)行壽命。目前,已對(duì)兩條腐蝕穿孔嚴(yán)重的站間集油管道進(jìn)行修復(fù),截至目前,修復(fù)管道運(yùn)行狀況良好。
2015 年以來(lái),通過(guò)加大管道檢測(cè)修復(fù)力度,探索攻關(guān)管道外防腐層修復(fù)技術(shù)、軟管翻轉(zhuǎn)法管道內(nèi)修復(fù)技術(shù),有序安排高風(fēng)險(xiǎn)管道更換,優(yōu)化管道防腐設(shè)計(jì),優(yōu)選管道材質(zhì)等措施,杏北油田埋地管道腐蝕穿孔問(wèn)題得到了有效治理,管道失效率下降至0.41 次/(km·a),年穿孔次數(shù)減少了560 次,按單處穿孔油氣泄漏量為1 m3計(jì)算,年降低油氣泄漏量560 m3。
1) 采用PCM 檢測(cè)、耦合多電極檢測(cè)等方法,對(duì)管道面臨的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別和評(píng)價(jià),并采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)減緩措施,可有效降低管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。
2)加大管道檢測(cè)和修復(fù)力度,有序安排高風(fēng)險(xiǎn)管道更換,優(yōu)化管道防腐結(jié)構(gòu)、優(yōu)選管道材質(zhì),提高防腐修復(fù)質(zhì)量,是控制管道運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)的有效手段。
3)管道運(yùn)行期可通過(guò)定期檢測(cè),摸索管道腐蝕狀況,但不能實(shí)現(xiàn)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)警,仍需探索操作方便、技術(shù)可靠的管道剩余壁厚、陰極保護(hù)電位等腐蝕情況在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。