宋成立，朱衛(wèi)民，任玉潔，李昊陽(yáng)，魏曉峰，劉新寶

(1.中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077；2.西北大學(xué)化工學(xué)院 陜西 西安 710069；3.中國(guó)石油遼河油田公司 遼寧 盤(pán)錦 124010)

0 引 言

油田集輸管道服役環(huán)境屬于油-氣-水三相快速流動(dòng)狀態(tài)下的復(fù)雜混合體系，且輸送介質(zhì)常常含有H2S、CO2等酸性組分以及Ca2+、Mg2+、Cl-等無(wú)機(jī)離子[1-2]，極易出現(xiàn)金屬腐蝕，造成管道結(jié)構(gòu)完整性的降低，直接威脅管道的使用壽命，成為制約油田發(fā)展的至關(guān)重要的因素[3]。針對(duì)集輸管道腐蝕引發(fā)的安全問(wèn)題，我國(guó)許多油田雖然采取了對(duì)在役管道進(jìn)行內(nèi)防腐、檢測(cè)和安全評(píng)價(jià)等一系列措施，一定程度上緩解了管道腐蝕帶來(lái)的安全問(wèn)題[4-5]。但是，從管道安全生產(chǎn)和安全管理的角度來(lái)看，主要運(yùn)行參數(shù)對(duì)腐蝕速率的相關(guān)性研究深度不夠，缺少腐蝕影響因素顯著性的探究，導(dǎo)致腐蝕防控措施的針對(duì)性和有效性不足。本文將對(duì)典型的油-氣-水集輸管道開(kāi)展系列高溫高壓腐蝕試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行方差分析，探究主要環(huán)境參數(shù)與均勻腐蝕速率之間的相關(guān)性，明確影響腐蝕的顯著因素，為管道的腐蝕防控提供精準(zhǔn)依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 材料

試驗(yàn)材料選用油田常用的20#低碳鋼，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。將20#低碳鋼加工成矩形掛片，規(guī)格為50 mm(長(zhǎng)度)×10 mm(寬度)×3 mm(厚度)(含Φ5 mm的孔)，如圖1所示。

表1 20#鋼材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

圖1 掛片的外觀(guān)示意圖

1.2 腐蝕試驗(yàn)

表2 腐蝕試驗(yàn)參數(shù)

每組試驗(yàn)采用3個(gè)平行掛片，試驗(yàn)前用砂紙逐級(jí)(240#、400#、600#、800#)打磨后浸入丙酮中超聲清洗5 min+無(wú)水乙醇中超聲清洗5 min，吹干貯于干燥器中1 h后再測(cè)量掛片尺寸和質(zhì)量(精確至0.1 mg)。地層模擬水樣配制采用NaHCO3(分析純)、Na2SO4(分析純)、CaCl2(分析純)、MgCl2(分析純)、NaCl(分析純)、去離子水(一級(jí)水)等。試驗(yàn)中將己預(yù)除氧的模擬水注入Cortest 10 L高溫高壓釜中，掛片懸掛于模擬水中部，釜密封后用高純氮?dú)膺M(jìn)行二次除氧，時(shí)間為2 h。除氧完畢后，關(guān)閉氮?dú)忾y門(mén)，按表2中的試驗(yàn)參數(shù)通入氣體，逐漸升壓至所需分壓后關(guān)閉閥門(mén)。然后升溫到預(yù)定溫度，此時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)并記錄系統(tǒng)壓力。

試驗(yàn)168 h后，泄壓并降溫后拆釜，將掛片取出，用蒸餾水清洗+無(wú)水酒精除水后烘干，再采用配制的去膜液對(duì)掛片進(jìn)行清理(鹽酸0.1 L、六亞甲基四胺7 g、水1 L)，并依據(jù)式(1)計(jì)算腐蝕速率。

V均=g×365 000/(γ·t·S)

(1)

式中：g為試樣腐蝕前后的失重質(zhì)量，g；γ為材料的密度，7.8 g/cm3；t為試驗(yàn)時(shí)間，d；S為試樣表面積，mm2；V均為均勻腐蝕速率，mm/a。

1.3 方差分析

方差分析是檢驗(yàn)“多個(gè)正態(tài)總體均值是否有顯著差異”的一種有效的方法[8-9]。利用方差分析得到上述6種腐蝕影響因素(自變量)對(duì)均勻腐蝕速率(因變量)的相關(guān)關(guān)系，并獲得顯著影響程度的排序。

2 結(jié)果與討論

2.1 CO2分壓的影響分析

圖2是不同CO2分壓的均勻腐蝕試驗(yàn)結(jié)果。由圖2可知，在CO2分壓0.002～0.05 MPa范圍內(nèi)，隨CO2分壓的增大，溶液中溶解的CO2濃度增大，溶液的酸性更強(qiáng)，對(duì)金屬的腐蝕作用增大，試樣的均勻腐蝕速率隨之增大[10-11]。

圖2 不同CO2分壓下的均勻腐蝕速率

表3是CO2分壓對(duì)均勻腐蝕速率影響的方差分析結(jié)果。由表3可知，由于在顯著性水平α=0.01下，CO2分壓的統(tǒng)計(jì)檢定值F大于臨界值F0.01(3, 8)=7.590 991 948，其概率P小于臨界值0.01，故CO2分壓對(duì)均勻腐蝕速率具有十分顯著的影響。

表3 CO2分壓對(duì)均勻腐蝕速率的影響大小

2.2 H2S分壓的影響分析

圖3是不同H2S分壓的均勻腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果。由圖3可知，在H2S分壓0～0.01 MPa范圍內(nèi)，隨H2S分壓的增大，試樣的均勻腐蝕速率隨之增大，但變化緩慢，主要由于H2S的腐蝕產(chǎn)物FexSy通常比較致密，與金屬表面的結(jié)合力較高，減緩了腐蝕進(jìn)程[12]。

圖3 不同H2S分壓下的均勻腐蝕速率

表4是H2S分壓對(duì)均勻腐蝕速率影響的方差分析結(jié)果。由表4可知，由于在顯著性水平α=0.01下，H2S分壓的統(tǒng)計(jì)檢定值F大于臨界值F0.01(3, 8)=7.590 991 948，其概率P亦小于臨界值0.01，故H2S分壓對(duì)均勻腐蝕速率具有十分顯著的影響。

表4 H2S分壓對(duì)均勻腐蝕速率的影響大小

2.3 Cl-含量的影響分析

圖4是不同Cl-含量的均勻腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果。由圖4可知，在Cl-含量80 000～180 000 mg/L范圍內(nèi)，隨Cl-含量的增大，試樣的均勻腐蝕速率隨之增大，Cl-的存在致使鋼管內(nèi)表面鈍化膜在組織結(jié)構(gòu)上發(fā)生改變并加速鈍化膜溶解，進(jìn)一步促進(jìn)了腐蝕進(jìn)程[13]。

圖4 不同Cl-濃度下的均勻腐蝕速率

表5是Cl-含量對(duì)均勻腐蝕速率影響的方差分析結(jié)果。由表5可知，由于在顯著性水平α=0.01下，Cl-濃度的統(tǒng)計(jì)檢定值F大于臨界值F0.01(3, 8)=7.590 991 948，其概率P亦小于臨界值0.01，故Cl-濃度對(duì)均勻腐蝕速率具有十分顯著的影響。

表5 Cl-濃度對(duì)油水集輸管道均勻腐蝕速率的影響大小

2.4 Ca2++Mg2+含量的影響分析

圖5是不同Ca2++Mg2+含量的均勻腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果。由圖5可知，在Ca2++Mg2+含量300～1 200 mg/L范圍內(nèi)，隨Ca2++Mg2+含量的增大，試樣的均勻腐蝕速率變化較小，主要由于較低含量的Ca2++Mg2+在金屬表面形成保護(hù)性沉積層，減緩了腐蝕進(jìn)程[14]。

圖5 不同Ca2++Mg2+濃度下的均勻腐蝕速率

表6是Ca2++Mg2+含量對(duì)均勻腐蝕速率影響的方差分析結(jié)果。由表6可知，由于在顯著性水平α=0.05下，Ca2++Mg2+濃度的統(tǒng)計(jì)檢定值小于臨界值F0.05(3, 8)=4.066 180 557，其概率P亦大于臨界值0.05，故Ca2++Mg2+濃度對(duì)均勻腐蝕速率無(wú)顯著影響。

表6 Ca2++Mg2+濃度對(duì)均勻腐蝕速率的影響大小

2.5 流速的影響

圖6是不同流速下的均勻腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果。由圖6可知，在流速0.01～1 m/s范圍內(nèi)，介質(zhì)流動(dòng)較為緩慢，對(duì)試樣表面腐蝕產(chǎn)物的沖刷作用較小，因而試樣的均勻腐蝕速率波動(dòng)較小[5]。

圖6 不同流速下的均勻腐蝕速率

表7是流速對(duì)均勻腐蝕速率影響的方差分析結(jié)果。由表7可知，由于在顯著性水平α=0.05下，流速的統(tǒng)計(jì)檢定值小于臨界值F0.05(3, 8)=4.066 180 557，其概率P亦大于臨界值0.05，故流速對(duì)均勻腐蝕速率無(wú)顯著影響。

表7 流速對(duì)均勻腐蝕速率的影響大小

2.6 溫度的影響

圖7是不同溫度的均勻腐蝕試驗(yàn)的結(jié)果。由圖7可知，在溫度30～80 ℃范圍內(nèi)，隨著溫度的增大，不斷提高化學(xué)反應(yīng)速度，金屬“溶解”量不斷增加，試樣的均勻腐蝕速率隨之增大[15]。

圖7 不同溫度下的均勻腐蝕速率

表8是溫度對(duì)均勻腐蝕速率影響的方差分析結(jié)果。由表8可知，由于在顯著性水平α=0.01下，溫度的統(tǒng)計(jì)檢定值F大于臨界值F0.01(3, 8)=7.590 991 948，其概率P亦小于臨界值0.01，故溫度對(duì)均勻腐蝕速率具有十分顯著的影響。

表8 溫度對(duì)均勻腐蝕速率的影響大小

3 結(jié) 論

對(duì)于20#鋼的油-氣-水集輸管道在油田典型腐蝕環(huán)境條件下，CO2分壓、H2S分壓、Cl-濃度和溫度對(duì)管道均勻腐蝕速率具有十分顯著的影響，其排序?yàn)椋篊O2分壓>Cl-濃度>溫度>H2S分壓；Ca2++Mg2+濃度和流速對(duì)其影響不顯著。因此，在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中合理限制或有效降低顯著影響因素可以減緩管道腐蝕進(jìn)程，同時(shí)對(duì)高含顯著影響因素的管道采用針對(duì)性的防腐措施(如材質(zhì)升級(jí)、加注緩蝕劑、清管等)、定期檢測(cè)(如腐蝕監(jiān)測(cè)、漏磁內(nèi)檢測(cè)、無(wú)損探傷等)和安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等，以保障油田集輸管道的安全可靠運(yùn)行。