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        集輸管道內(nèi)腐蝕直接評價技術(shù)的改進與應(yīng)用

        2022-08-15 13:36:16宋明垚
        石油工程建設(shè) 2022年4期
        關(guān)鍵詞:沖蝕速率管道

        宋明垚

        中國石油華北油田公司二連分公司,內(nèi)蒙古錫林浩特 026000

        目前,中央處理廠以下的集輸管道普遍采用氣液混輸,當(dāng)CO2、H2S等腐蝕性氣體溶于水后會加速管道的腐蝕穿孔,特別是管道位于人口密集或環(huán)境敏感區(qū)時,因穿孔帶來的損失不可估量[1-2]。GB 32167—2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》中推薦采用內(nèi)檢測手段定期對管道的內(nèi)腐蝕狀況進行評價,但大多數(shù)集輸管道的管徑較?。―N200以下)且內(nèi)壁平滑度不夠(主要是由于打孔盜油和修復(fù)補強造成的內(nèi)壁異物突出),不具備進行內(nèi)檢測的條件,故內(nèi)腐蝕直接評價(ICDA)成為驗證管道腐蝕程度的有效手段。楊婧等[3]、王凱等[4]、曹學(xué)文等[5]、葛楊志等[6]、汪江斌等[7]均利用ICDA技術(shù)對管道流態(tài)進行模擬,并結(jié)合腐蝕敏感點預(yù)測腐蝕速率,但腐蝕介質(zhì)均為飽和CO2腐蝕,未涉及CO2/H2S腐蝕介質(zhì)共存,且內(nèi)腐蝕造成的壁厚減薄應(yīng)為腐蝕與沖蝕共同作用的結(jié)果,但目前內(nèi)腐蝕直接評價的研究成果中鮮有考慮沖蝕速率的。綜上所述,采用高溫高壓反應(yīng)釜結(jié)合響應(yīng)曲面(RSM)得到不同影響因素下的試驗結(jié)果,建立CO2/H2S共存,并考慮流速和溫度的腐蝕預(yù)測模型,同時利用PSO-ELM模型對管道沖蝕速率進行了預(yù)測,由此確定綜合腐蝕速率,并結(jié)合開挖驗證評價結(jié)果,以期為管道防腐蝕措施的制訂和檢驗周期的確定提供實際參考。

        1 綜合腐蝕速率

        在多相流體系中,管道壁厚的減薄不僅與化學(xué)或電化學(xué)腐蝕有關(guān),還與沖蝕引起的力學(xué)因素有關(guān),綜合腐蝕速率應(yīng)為腐蝕和沖蝕共同作用的結(jié)果。EFIRD等[8]通過旋轉(zhuǎn)圓柱電極研究了腐蝕和沖蝕之間的協(xié)同作用,綜合腐蝕速率V(mm/a)為:均勻腐蝕速率Vcorr(mm/a)、沖蝕速率Vero(mm/a)、因腐蝕作用引起的沖蝕速率ΔVcorr-ero(mm/a)、因沖蝕作用引起的腐蝕速率ΔVero-corr(mm/a)之和,即V=Vcorr+Vero+ΔVcorr-ero+ΔVero-corr。目前,針對電化學(xué)腐蝕和沖蝕協(xié)同效應(yīng)的研究尚有不足,故忽略其中協(xié)同作用。

        2 均勻腐蝕速率預(yù)測模型

        2.1 試驗方法

        目前,常用的腐蝕預(yù)測模型以Norsok M-506、De Waard模型較為經(jīng)典,但上述模型均作了一定假設(shè),且只適用于CO2腐蝕預(yù)測,當(dāng)溶液中含有H2S時,腐蝕機理與只存在單一腐蝕介質(zhì)有較大不同,導(dǎo)致上述模型與現(xiàn)場實際檢測結(jié)果相差較大[9-10]?;谖墨I調(diào)研和室內(nèi)試驗研究結(jié)果,確定H2S分壓 (PH2S) 、CO2分壓 (PCO2)、流速 (v) 和溫度(t)為影響管道內(nèi)腐蝕的主控因素,根據(jù)DCS系統(tǒng)對現(xiàn)場生產(chǎn)參數(shù)的監(jiān)測情況,確定試驗壓力取井口最高回壓,控制在5 MPa,PH2S為0.01~0.5 MPa,PCO2為0.6~2.4 MPa;v不超過8 m/s(當(dāng)超過8 m/s時,緩蝕劑會失效);t保持在25~60℃。

        試片采用與現(xiàn)場管道用材一致的20碳鋼,試片尺寸為50 mm×10 mm×3 mm,每組試驗采用5個平行試片,腐蝕溶液采用3.5%的NaCl溶液,利用高溫高壓反應(yīng)釜結(jié)合響應(yīng)曲面設(shè)計得到不同影響因素下的腐蝕速率,參照掛片失重法計算均勻腐蝕速率。

        響應(yīng)曲面法可明確不同影響因素間的交互作用,與正交試驗相比,可利用較少的試驗次數(shù)得到相對完備的試驗結(jié)論,并可對影響因素在各個時段的數(shù)據(jù)進行連續(xù)分析。響應(yīng)曲面的二階模型試驗設(shè)計方法主要有Plackett-Burman(PB)、Central Composite Design(CCD)、Box-Behnken Design(BBD)等,其中BBD設(shè)計方法具有實驗次數(shù)少、近似旋轉(zhuǎn)性等特點,在已發(fā)表的文獻中應(yīng)用最為廣泛[11-12],故采用BBD的實驗設(shè)計方法進行多因素響應(yīng)曲面分析。以腐蝕速率為響應(yīng)值進行4因素、3水平設(shè)計,試驗條件和結(jié)果見表1、表2。

        表1 響應(yīng)曲面試驗條件

        表2 試驗結(jié)果

        2.2 結(jié)果分析及模型建立

        利用統(tǒng)計學(xué)軟件Design Expert 10.0對試驗數(shù)據(jù)進行回歸分析,二階模型方差分析結(jié)果見表3。

        表3 二階模型方差分析結(jié)果

        模型的F值為12.52,P值遠小于0.000 1,說明該模型對腐蝕速率的響應(yīng)極其顯著,模型的精確度為12.567(大于4),變異系數(shù)為6.18%(小于10%),說明該試驗設(shè)計結(jié)果具有較好的可行性和精確度,且擬合程度和回歸性較好。通過方差分析,各因素的影響順序為PH2S>PCO2>v>t,且各因素與腐蝕速率之間為單調(diào)遞增函數(shù),即隨著H2S分壓的增加,CO2分壓的增加,流速的增大和溫度的升高,腐蝕速率均呈上升趨勢;而各腐蝕因素之間的交互作用對腐蝕速率影響不大。

        結(jié)合以上分析,可建立以PH2S、PCO2、v、t為自變量,腐蝕速率Vcorr為因變量的腐蝕預(yù)測模型,公式如下:

        式中:k為系數(shù),f為PH2S、PCO2、v、t的影響函數(shù)。

        根據(jù)化學(xué)動態(tài)平衡理論和響應(yīng)曲面方差分析結(jié)果,各影響因素之間相互獨立,無交互作用,將公式(1)兩邊取對數(shù)后展開:

        式中:C為待定系數(shù)。

        Pots等[13]將CO2/H2S共存條件下的腐蝕分為兩個區(qū)域,當(dāng)PCO2/PH2S<500時,H2S為主控因素,腐蝕產(chǎn)物為FexSy(當(dāng)外界條件不同時,會形成不同晶格點陣的腐蝕產(chǎn)物,如Fe9S8、Fe3S4、FeS2、FeS),此時FeCO3的形成受到抑制,腐蝕速率公式如下:

        式中:a、b、c均為待定系數(shù)。當(dāng)PCO2/PH2S≥500時,CO2為主控因素,腐蝕產(chǎn)物為FeCO3,同時考慮H2S對CO2的抑制作用,對Mishra模型[14]進行修正,此時式(4)中l(wèi)nPCO2的系數(shù)應(yīng)小于0.67,故引入校正因子ΔH2S,最終確定腐蝕速率的公式如式(5)、式(6)。

        式中:d為待定系數(shù);E為FexSy膜形成的活化能,J/mol。

        當(dāng)流速較低時,可造成管道或設(shè)備底部積液,引發(fā)電化學(xué)腐蝕,此時腐蝕速率受擴散控制;當(dāng)流速較高時,基材表面的腐蝕產(chǎn)物膜會遭到破壞,管道始終處于初始腐蝕狀態(tài)下,此時腐蝕速率受電荷傳遞控制。為保證氣體具有一定的攜液能力,同時避免緩蝕劑吸附性失效,現(xiàn)場實際流速為2~8 m/s,此時腐蝕速率與流速呈指數(shù)關(guān)系。

        式中:e為待定系數(shù)。

        集輸管道在穩(wěn)態(tài)運行的條件下,溫度與管道埋深處的地溫相同,假設(shè)考慮溫度對腐蝕速率的影響而忽略反應(yīng)本身的進程,根據(jù)Arrhenius公式的定積分形式確定Vcorr與t的關(guān)系。

        式中:g為待定系數(shù);Ea為腐蝕速率活化能,一般是與溫度無關(guān)的常數(shù),J/mol;R為摩爾氣體常數(shù),取8.314 J/(mol·K);t為反應(yīng)溫度,K。

        綜上所述,結(jié)合式(2)、式(3)、式(5)~式(8),在CO2/H2S共存的同時考慮溫度和壓力的情況下,均勻腐蝕速率預(yù)測模型為:

        根據(jù)表2給出的試驗結(jié)果,通過多元線性回歸確定式(9)中的各項系數(shù),見式(10)。與29組試驗結(jié)果相比,預(yù)測結(jié)果大部分在回歸線附近,預(yù)測的最大相對誤差不超過±10%,平均相對誤差為3.33%,滿足工程精度要求,說明建立的均勻腐蝕預(yù)測模型具有較好的科學(xué)性和實用性,見圖1、圖2。

        圖2 預(yù)測結(jié)果相對誤差

        3 沖蝕預(yù)測模型

        3.1 試驗方法

        目前對于沖蝕的研究方法主要通過模型研究、試驗研究和數(shù)值模擬,模型研究以API RP14E中提出的臨界沖蝕速率公式為主,但該公式忽略了大量影響因素,如顆粒沖擊速度、角度、管內(nèi)流動狀態(tài)等,在復(fù)雜條件下公式適用性有限;試驗研究多針對特定幾何結(jié)構(gòu),通過失重法測試金屬表面質(zhì)量損失,但只能得到影響因素的定性變化規(guī)律,其結(jié)果的普適性受到限制;數(shù)值模擬以CFD方式為主,較前兩者節(jié)省了大量的人力、物力,準(zhǔn)確性可以得到保證,但計算成本較高。鑒于以上研究方法的不足,為準(zhǔn)確預(yù)測沖蝕速率,提取公開文獻中的243組CFD沖蝕模擬結(jié)果(在此主要考慮90°彎頭沖蝕數(shù)據(jù)),采用粒子群(PSO)和極限學(xué)習(xí)機(ELM)組合算法預(yù)測管道沖蝕速率,數(shù)據(jù)來源見表4。

        表4 沖蝕數(shù)據(jù)來源

        3.2 結(jié)果分析及模型建立

        ELM模型中包括輸入層、隱含層和輸出層三部分,輸入層節(jié)點數(shù)等于表1輸入樣本的維數(shù),輸出層為輸出樣本的維數(shù)。根據(jù)Kolomogorov復(fù)雜性定理,當(dāng)給定任意小誤差,且存在無窮可微激活函數(shù)時,單層前饋型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱含層節(jié)點數(shù)存在閾值,故隱含層的節(jié)點數(shù)為[13,50](下限為2n+1,n為輸入層節(jié)點數(shù),上限為樣本個數(shù),應(yīng)為243,但過大的隱含層節(jié)點模型會維數(shù)災(zāi)難,綜合考慮計算機算力,取上限為50)。表4中CFD模擬的沖蝕速率單位為kg·m-2·s-1,將其除以碳鋼密度,得到的單位為mm/a,與之前的均勻腐蝕速率保持單位一致。

        將243組數(shù)據(jù)按照8:2的比例隨機抽取,分為訓(xùn)練集和驗證集,訓(xùn)練集為195組,驗證集為48組。將訓(xùn)練集代入ELM模型,并根據(jù)測試結(jié)果的均方根誤差(RMSE)值確定ELM模型的隱含層激活函數(shù)和節(jié)點數(shù),其中隱含層的輸入權(quán)值與閾值采用PSO算法進行尋優(yōu),設(shè)置PSO算法中的學(xué)習(xí)因子為2.05,最大速度為0.2,慣性權(quán)重為0.7,最大迭代次數(shù)為200,見圖3。Sigmoid激活函數(shù)的預(yù)測誤差大于其余三種激活函數(shù),Tanh函數(shù)、ELU函數(shù)和MaxOut函數(shù)分別在隱含層節(jié)點數(shù)區(qū)間為[13,19]、[24,34]、[22,29]時的預(yù)測誤差較小,其中MaxOut函數(shù)在隱含層節(jié)點數(shù)為24時的RMSE最小,為0.507 4,故確定PSO-ELM模型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為6-24-1,激活函數(shù)為MaxOut函數(shù)。

        圖3 不同隱含層節(jié)點數(shù)下的預(yù)測誤差

        將PSO-ELM模型的預(yù)測結(jié)果與表4的試驗結(jié)果比較,見圖4。訓(xùn)練集的RMSE為0.507 4,R2為0.999 9,驗證集的RMSE為0.421 9,R2為0.997 5,驗證集仍然保持了較高的計算精度和擬合能力,說明PSO-ELM模型在預(yù)測多因素影響的沖蝕速率時效果較好,具有科學(xué)性和合理性。

        圖4 PSO-ELM模型沖蝕速率預(yù)測結(jié)果

        4 現(xiàn)場應(yīng)用

        4.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

        選擇華北油田采油四廠、二廠的5條集輸管道(基本信息見表5)為例進行測試,其管徑普遍偏小,且無收發(fā)球裝置,無法進行內(nèi)檢測,試驗管道基本涵蓋多種運行工況,具有一定代表性。

        表5 試驗管道基本信息

        4.2 預(yù)測結(jié)果

        以泉28計至泉241為例進行建模分析,其流型及持液率分布的穩(wěn)態(tài)運行結(jié)果見圖5,其中流型1為分層流,2為環(huán)狀流,3為段塞流。管道沿程持液率與流型分布基本保持一致,地勢低洼上坡段持液率較高,此時氣流速度小,攜液能力較弱,氣液之間的滑脫較大,液體在爬坡的過程中不斷回流,最終鋪滿整個上坡管段,流型以段塞流為主;下坡段持液率較低,此時液體在重力作用下加速流動,形成分層流,結(jié)果符合一般管輸規(guī)律。

        圖5 沿程流型和持液率分布情況

        根據(jù)流型分布情況,將管道劃分為8個子區(qū)間,見圖6。

        圖6 子區(qū)間劃分情況

        采用公式(10)計算沿程腐蝕速率分布,并結(jié)合PSO-ELM模型預(yù)測每個子區(qū)間內(nèi)的沖蝕速率,見表6。壓氣取子區(qū)間內(nèi)出口壓力,顆粒速度與氣流速度一致,顆粒直徑根據(jù)井口節(jié)流閥后的紗網(wǎng)目數(shù)確定,質(zhì)量流量參照井口出砂情況和下游集氣站內(nèi)旋風(fēng)分離器的分離情況綜合確定,顆粒密度取石英砂的密度2 600 kg/m3。將腐蝕速率和沖蝕速率疊加得到綜合腐蝕速率,并與Norsok M-506模型計算結(jié)果進行對比,見圖7。綜合腐蝕速率遠大于Norsok M-506模型的計算結(jié)果,且Norsok M-506模型的計算結(jié)果中持液率較高的上坡段腐蝕速率反而較低,與一般規(guī)律相悖;預(yù)測結(jié)果中沖蝕速率與均勻腐蝕速率相比要小一個數(shù)量級,所占的比重較小。

        表6 子區(qū)間最大沖蝕速率分布

        圖7 綜合腐蝕速率預(yù)測結(jié)果和開挖點選取

        4.3 開挖驗證

        考慮綜合腐蝕速率較高同時流型突變的位置作為優(yōu)先開挖點,此外為了使檢測結(jié)果更加合理,選擇少量腐蝕風(fēng)險較低的點進行檢測,以便評價整條管道的腐蝕狀態(tài)。對管道進行防腐層剝離,采用OLympus超聲波測厚儀繪制測厚網(wǎng)格,軸向間隔100 mm,環(huán)向1~12點鐘方向取測試點,見圖8。測試的5條管道的檢測結(jié)果與綜合腐蝕速率預(yù)測結(jié)果見表7,發(fā)現(xiàn)最大壁厚減薄的位置集中在5~8點鐘方向,符合內(nèi)腐蝕規(guī)律,僅6號、12號兩個開挖點的檢測結(jié)果與腐蝕速率預(yù)測值相比偏差較大,其余13個開挖點的實際結(jié)果與預(yù)測結(jié)果的吻合性較好;從置信區(qū)間一致性的角度考慮,內(nèi)腐蝕直接評價結(jié)果的符合率為86.66%,可以滿足腐蝕風(fēng)險后評價的相關(guān)要求,見圖9。

        圖8 測試點選取示意

        表7 5條管道的開挖點檢測結(jié)果與腐蝕速率預(yù)測結(jié)果對比

        圖9 開挖檢測結(jié)果與預(yù)測結(jié)果一致性分析

        5 結(jié)論

        (1)針對目前集輸管道內(nèi)腐蝕模型中未考慮CO2/H2S共存及沖蝕作用的影響,采用失重法結(jié)合響應(yīng)曲面法設(shè)計了多組影響因素試驗,結(jié)果表明各因素的影響順序為PH2S>PCO2>v>t,各因素間的交互作用對腐蝕速率影響不大。

        (2)建立了以PH2S、PCO2、v、t為自變量,腐蝕速率Vcorr為因變量的腐蝕機理預(yù)測模型,預(yù)測結(jié)果平均相對誤差為3.33%;在文獻調(diào)研的基礎(chǔ)上,利用PSO-ELM模型對多因素影響下的管道沖蝕速率進行了預(yù)測,其預(yù)測結(jié)果精度較高。

        (3)對5條集輸管道進行了綜合腐蝕速率預(yù)測和評價,內(nèi)腐蝕直接評價結(jié)果的符合率為86.66%,可以滿足腐蝕風(fēng)險后評價的相關(guān)要求。

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