劉朝陽 何向陽 吳佳羽

（中海油能源發(fā)展股份有限公司上海環(huán)境工程技術(shù)分公司，天津 300452）

0 引言

中海石油（中國）有限公司自1985年在渤海埕北油田鋪設(shè)第一條海底管道以來，海底管道作為海上油氣集輸?shù)拇髣?dòng)脈正發(fā)揮著日益重要的作用。隨著石油與天然氣勘探開發(fā)的不斷深入，含酸性氣體腐蝕介質(zhì)的油氣田被相繼發(fā)現(xiàn)。在這些油氣田的開發(fā)過程中，鉆井、采油、采氣、集輸工程使用的金屬設(shè)備都伴隨著酸性氣體的腐蝕。然而海洋環(huán)境惡劣，作業(yè)支持困難、修復(fù)難度大且成本高，一旦發(fā)生油氣泄漏事故不僅會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國海洋石油總公司所屬海底油氣管道共發(fā)生故障38起，其中內(nèi)腐蝕原因11起，占比28.9%[1-3]。

本文通過收集該平臺(tái)至FPSO海管的基礎(chǔ)生產(chǎn)信息，整理和分析獲取該海管輸油、輸水和輸氣的組分歷史數(shù)據(jù)和歷史工況運(yùn)行條件數(shù)據(jù)，結(jié)合漏磁內(nèi)檢測、腐蝕旁路等數(shù)據(jù)資料，了解管道的腐蝕狀況，包括點(diǎn)蝕數(shù)目、深度和位置等狀況，分析出可能造成腐蝕的原因，并推算出管道的剩余壽命，為今后該管道的運(yùn)維管理提出相關(guān)建議。

1 渤海某平臺(tái)至FPSO海底管道生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析

1.1 管輸介質(zhì)的物相組成

根據(jù)該平臺(tái)至FPSO海管歷史數(shù)據(jù)可知，管輸介質(zhì)主要為油水氣三相流體；相鄰平臺(tái)投產(chǎn)，生產(chǎn)油氣送到該平臺(tái)，海管的輸送量滿足能夠最小輸量，開始管輸介質(zhì)停止輸水，管輸介質(zhì)主要為油氣兩相，原油含水率降至3%左右。

1.2 腐蝕性氣體CO2和H2S含量情況

對(duì)該平臺(tái)至FPSO混輸海底管道的入口端所含CO2和H2S數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1可見：該平臺(tái)至FPSO海管入口端CO2含量較高，海管出發(fā)端的CO2分壓為0.6MPa左右，最高值已超過0.7MPa，其分壓值遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于腐蝕臨界值0.21MPa。根據(jù)CO2分壓判斷CO2腐蝕性的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律[5]，如表2所示，推測管道可能會(huì)受到了CO2腐蝕。

表1 渤海某平臺(tái)至FPSO海管入口端天然氣酸性氣體檢測結(jié)果

表2 不同CO2分壓對(duì)應(yīng)的CO2腐蝕程度

2 內(nèi)檢測分析

2.1 漏磁內(nèi)檢測分析

針對(duì)該平臺(tái)至FPSO海底混輸管道，某公司進(jìn)行了漏磁內(nèi)檢測，檢測結(jié)果如表3-1所示。經(jīng)過整理分析，共發(fā)現(xiàn)了45398處缺陷，其中50%～60%有1處，40%～50%有4處，30%～40%有20處，20%～30%有2806處，10%～20%有17536處，10%以下的有25031處，最深的缺陷點(diǎn)53%。高腐蝕點(diǎn)所在方向集中在3:00至4:00方向。根據(jù)海管三相流體歷史統(tǒng)計(jì)，可以推測高腐蝕點(diǎn)是由于油水界面處存在CO2腐蝕活躍區(qū)。

表3 渤海某平臺(tái)至FPSO海管缺陷情況

2.2 旁路系統(tǒng)檢測分析

鋼質(zhì)管道旁路式內(nèi)腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)是目前最先進(jìn)、最能全面跟蹤管道內(nèi)腐蝕狀況的中海油具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的腐蝕監(jiān)測技術(shù)。在被監(jiān)測管道上安裝一段可在線拆裝的與管道材質(zhì)相同的測試短節(jié)是該系統(tǒng)最為獨(dú)到的設(shè)計(jì)，因?yàn)槿魏纹渌麢z測方法得到的數(shù)據(jù)，都不如拆卸測試短節(jié)進(jìn)行目視檢查更為直觀、具體、真實(shí)[4]。

在該平臺(tái)至FPSO海管入口的旁路式內(nèi)腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)期間，更換了腐蝕掛片，掛片表面腐蝕情況如圖1所示。

由圖1可以看出：上、中層腐蝕掛片表面腐蝕輕微，無明顯局部腐蝕發(fā)生，下層腐蝕掛片發(fā)生局部腐蝕。對(duì)應(yīng)海管漏磁檢測報(bào)告檢測到的點(diǎn)蝕位置相一致。

2.3 垢樣分析

分別對(duì)漏磁清管產(chǎn)生的垢樣和旁路系統(tǒng)收集的垢樣進(jìn)行X射線衍射分析（XRD），得到了相似的結(jié)論，該平臺(tái)至FPSO海管垢樣成分以SiO2和FeCO3為主，還有鐵的氧化物，表明海管內(nèi)存在CO2腐蝕，同時(shí)還存在泥沙。腐蝕產(chǎn)物檢測表明主要腐蝕產(chǎn)物為FeCO3，再次驗(yàn)證了管道中的CO2是造成的管道腐蝕。

3 腐蝕機(jī)理研究

3.1 二氧化碳腐蝕機(jī)理

干燥的CO2氣體本身是沒有腐蝕性的。CO2較易溶解于水，當(dāng)CO2溶于水時(shí)，會(huì)使鋼鐵表面發(fā)生電化學(xué)腐蝕。對(duì)于全面腐蝕，即均勻腐蝕，通常表現(xiàn)為基體表面連續(xù)區(qū)域失去金屬。我們可以理解為CO2溶解于水中形成碳酸，溶液中的H2CO3與Fe發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)造成Fe的腐蝕。鋼鐵材料在CO2水溶液中的均勻腐蝕陽極過程與鋼在其它酸溶液中陽極過程相同，其基本陽極反應(yīng)為：

即鐵的陽極氧化過程。

許多學(xué)者認(rèn)為：碳鋼的CO2腐蝕是由于材料表面覆蓋了腐蝕產(chǎn)物后構(gòu)成了電偶腐蝕，加速了碳鋼的局部腐蝕。碳鋼在含CO2的溶液中的孔蝕時(shí)，表面覆蓋了FeCO3和水合氧化物等的區(qū)域與另一些無覆蓋產(chǎn)物的處于裸露狀態(tài)的區(qū)域構(gòu)成了電偶腐蝕，因此CO2腐蝕主要腐蝕產(chǎn)物為FeCO3，這正與以上數(shù)據(jù)分析相吻合[5]。

經(jīng)過CO2腐蝕實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，碳鋼表面形成黑色疏松的腐蝕產(chǎn)物，溫度碳鋼表面多孔，腐蝕產(chǎn)物疏松，為FeCO3。對(duì)比該平臺(tái)至FPSO海管入口端的腐蝕形貌（如圖4所示），可以確定海管主要受到CO2的腐蝕。

3.2 二氧化碳分壓對(duì)管道腐蝕的影響

CO2腐蝕程度在很大程度上取決于CO2在水溶液中的溶解度，即CO2在系統(tǒng)中的分壓（PCO2）。隨著二氧化碳分壓的增大，CO2在水中的溶解度增大，從碳酸中分解的氫離子濃度也就越高，因而腐蝕被加速，然而并不是二氧化碳分壓越大，腐蝕越嚴(yán)重，這是因?yàn)橛懈g產(chǎn)物膜存在的緣故，而腐蝕產(chǎn)物膜由與溫度有關(guān)，因此不同溫度區(qū)間，二氧化碳分壓的影響是不同的。

在低溫區(qū)（即T＜60℃）的CO2腐蝕中，表面還未成膜，腐蝕速度與的關(guān)系能較好地遵循Dewaard和Milliams的經(jīng)驗(yàn)公式[9]：

式中：Vcorr為腐蝕速度，（mm·a-1）；PCO2為CO2分壓，（MPa）；C是與溫度有關(guān)的常數(shù)，C=5.8-1710/T。

當(dāng)二氧化碳分壓低于0.0483MPa時(shí)，易發(fā)生CO2均勻腐蝕；當(dāng)CO2分壓在0.0483～0.207MPa之間則可能發(fā)生不同程度的小孔腐蝕；當(dāng)CO2分壓大于0.207MPa時(shí)，發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕。根據(jù)該平臺(tái)至FPSO海管二氧化碳分壓為0.6MPa，該分壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于0.207MPa，會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕?？梢酝茰y，海管入口處可能會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕。

4 結(jié)語

通過數(shù)據(jù)錄取與分析、現(xiàn)場調(diào)研、模擬各段海管現(xiàn)場腐蝕工況及內(nèi)檢測分析和旁路腐蝕檢測結(jié)果分析，對(duì)海管的腐蝕狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

（1） 漏磁內(nèi)檢測和旁路數(shù)據(jù)都表明了海管主要收到了混輸流體中的CO2腐蝕，從腐蝕形貌和垢樣成分分析來看都可以驗(yàn)證這一結(jié)論；

（2）根據(jù)旁路掛片信息，上、中層腐蝕掛片表面腐蝕輕微，無明顯局部腐蝕發(fā)生，下層腐蝕掛片發(fā)生局部腐蝕。對(duì)應(yīng)海管漏磁檢測報(bào)告檢測到的點(diǎn)蝕相一致，為典型的CO2腐蝕；

（3）根據(jù)該平臺(tái)至FPSO海管入口的CO2和H2S檢測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)CO2含量較高，其分壓值最高可達(dá)0.7MPa，均值為0.6MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于可引起嚴(yán)重CO2腐蝕的臨界值0.21MPa，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以預(yù)測出海管會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕。