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        油田埋地管道腐蝕機理及防治對策研究

        2023-01-29 12:47:16張奎鵬李碩
        油氣田地面工程 2022年12期
        關(guān)鍵詞:全廠失效率腐蝕性

        張奎鵬 李碩

        大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠

        “十三五”期間,大慶油田第五采油廠腐蝕防護工作形式嚴(yán)峻,由于聚驅(qū)規(guī)模不斷擴大、油田開發(fā)區(qū)域土壤腐蝕性強等因素,導(dǎo)致管道失效率在2017 年大幅度增加,至2018 年達到峰值1.18 km-1·a-1。近年管理上采取加大更新改造力度、加強新建管道質(zhì)量監(jiān)督、規(guī)范維修堵漏流程等措施,技術(shù)上通過深化腐蝕機理研究、推廣成熟陰保技術(shù)、探索檢測修復(fù)技術(shù)等措施,逐步降低了腐蝕穿孔帶來的安全環(huán)保隱患。

        1 建設(shè)現(xiàn)狀及失效情況

        目前第五采油廠共建各類埋地管道8 918 km,按輸送介質(zhì),壓力等級和管徑分類。其中Ⅰ類管道57.4 km,全部為外輸油管道;Ⅱ類管道958.7 km,主要為油、氣集輸站間管道和注入干線;Ⅲ類管道7 901.9 km,主要為單井油集輸,注入和部分輸氣、污水管道,投產(chǎn)15 年以上管道有3 069.3 km,占比34.4%,比例較大。埋地管道建設(shè)情況見表1。油田經(jīng)過50 年的開發(fā)歷程,埋地管道老化問題凸顯,腐蝕穿孔隱患日趨嚴(yán)重。

        表1 埋地管道建設(shè)情況Tab.1 Construction status of buried pipelines

        2021 年9 月末,全廠各類埋地管道失效5 060次,綜合失效率0.757 km-1·a-1,較去年同期下降0.14 km-1·a-1。從管道類別看,失效主要集中在Ⅲ類管道的注入和油集輸系統(tǒng),失效率分別為1.478 km-1·a-1和0.587 km-1·a-1,遠(yuǎn)超油田公司0.39 km-1·a-1的平均水平。Ⅲ類管道的防護治理工作,是解決管道失效率高的根本任務(wù),埋地管道失效情況見表2。

        表2 埋地管道失效情況Tab.2 Failure status of buried pipelines

        2 存在的問題及原因分析

        2.1 腐蝕管道總量大,使用年限短

        “十三五”全廠共有3 465 km 管道失效39 493次,腐蝕因素導(dǎo)致的管道失效有35 164 次,占89%。其中內(nèi)腐蝕占49.9%,外腐蝕占39.1%。腐蝕因素是導(dǎo)致管道失效嚴(yán)重的首要原因。

        2.1.1 內(nèi)腐蝕原因分析

        (1)輸送介質(zhì)腐蝕性強。2016 年,對杏四聯(lián)系統(tǒng)采樣,進行礦化度分析,平均礦化度為5.54×103mg/L,其中氯化物平均質(zhì)量濃度1.24×103mg/L,Cl-具有強烈的穿晶作用[1-3],破壞金屬晶格,導(dǎo)致碳鋼產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕開裂,加劇腐蝕。杏四聯(lián)系統(tǒng)主要生產(chǎn)節(jié)點礦化度見表3。

        表3 杏四聯(lián)系統(tǒng)主要生產(chǎn)節(jié)點礦化度Tab.3 Mineralization degree of main production nodes in Xing-4 Multi-purpose Station system

        根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0600—2009《油田水結(jié)垢趨勢預(yù)測》,采用Ryznar 穩(wěn)定指數(shù)法(SAI 法)計算不同溫度下各節(jié)點SAI 值[4]。結(jié)果顯示,在常溫下介質(zhì)具有嚴(yán)重結(jié)垢趨勢,易導(dǎo)致垢下腐蝕嚴(yán)重,各節(jié)點SAI 值與溫度對應(yīng)關(guān)系見表4。

        表4 各節(jié)點SAI 值與溫度對應(yīng)關(guān)系Tab.4 Corresponding relationship between SAI value and temperature at each node

        采用耦合多電極法[5]對36 口油水井介質(zhì)進行腐蝕速率測量。結(jié)果顯示,集輸系統(tǒng)平均腐蝕速率為105.4 μm/a,注入系統(tǒng)為149.7 μm/a。根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SY 0007—1999《埋地鋼制管道及儲罐防腐工程設(shè)計規(guī)范》[6],管道及儲罐內(nèi)介質(zhì)腐蝕性分級標(biāo)準(zhǔn),集輸系統(tǒng)介質(zhì)腐蝕性為中級,絕大部分注入系統(tǒng)腐蝕性為高級,注入系統(tǒng)腐蝕情況比集輸系統(tǒng)嚴(yán)重。不同介質(zhì)腐蝕速率見表5。

        表5 不同介質(zhì)腐蝕速率Tab.5 Corrosion rates in different media

        (2)聚驅(qū)細(xì)菌腐蝕嚴(yán)重。2018 年針對杏十二區(qū)聚驅(qū)腐蝕嚴(yán)重問題開展了腐蝕機理研究,除礦化度和Cl-含量較高外,還發(fā)現(xiàn)聚驅(qū)介質(zhì)中細(xì)菌含量普遍較高。杏十二區(qū)聚驅(qū)礦化度分析見表6。

        表6 杏十二區(qū)聚驅(qū)礦化度分析Tab.6 Mineralization degree analysis of polymer flooding in Xing-12 District

        通過微觀結(jié)構(gòu)、X 射線和能譜分析測定得出,細(xì)菌是注入管道腐蝕的主要因素,氧是集輸管道腐蝕的主要因素。杏二二區(qū)聚驅(qū)腐蝕產(chǎn)物含量測定結(jié)果見表7。

        表7 杏十二區(qū)聚驅(qū)腐蝕產(chǎn)物含量測定Tab.7 Determination of polymer flooding corrosion products in Xing-12 District

        聚合物為高分子化合物,在氫鍵的作用,其分子鏈很難舒展開,因此對介質(zhì)中的微小顆粒能夠起到包裹、絮凝和沉降作用,加速結(jié)垢形成,造成垢下腐蝕。垢層為細(xì)菌提供了穩(wěn)定的生長條件,細(xì)菌通過分泌酰胺霉將聚合物的酰氨基降解,生成羧基并釋放出NH3,而NH3為微生物提供了氮源。NH3通過與水中游離的H+結(jié)合生成NH4+,再通過氨的同化變成谷氨酸或氨甲酰磷酸,最終通過轉(zhuǎn)氨基作用合成氨基酸,因此聚合物間接為細(xì)菌生長和繁殖提供了養(yǎng)分,造成細(xì)菌大量繁殖,加速了聚驅(qū)系統(tǒng)腐蝕[7]。

        2.1.2 外腐蝕原因分析

        (1)土壤腐蝕性強。油田開發(fā)區(qū)域匯水面積673 km2,多處于沼澤低洼地帶,海拔高度在131~145 m 之間,大部分區(qū)塊地下水位在0.5~1.0 m 之間。相較于其他采油廠,采油五廠地勢條件更易導(dǎo)致地下水匯集。為掌握全廠各區(qū)塊土壤腐蝕性,2015 年,對全廠474 處土壤電阻率和腐蝕性等理化指標(biāo)進行化驗分析。結(jié)果顯示,全廠90%以上區(qū)域土壤腐蝕性屬于強、中等級,外腐蝕控制難度大。

        對全廠31 處點位進行土壤腐蝕速率測量,數(shù)據(jù)顯示,高臺子油田土壤腐蝕性較輕,杏南、太北部分地區(qū)土壤為強腐蝕等級[8],對碳鋼平均腐蝕速率為0.09 mm/a。金屬腐蝕程度評價及土壤腐蝕性數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表8。

        表8 金屬腐蝕程度評價及土壤腐蝕性數(shù)據(jù)統(tǒng)計Tab.8 Statistics of metal corrosion degree evaluation and soil corrosion data

        (2)防腐保溫層不連續(xù)。2017 年,對23 條102 km 站間及以上管道進行外防腐保溫層檢測,共發(fā)現(xiàn)破損點284 處,現(xiàn)場開挖驗證64 處。調(diào)查發(fā)現(xiàn),其中52 處是由于早期施工質(zhì)量不達標(biāo)造成的防腐保溫層破損。由于防護層和保溫層進水后,水分很難排出,管體長期浸泡在水中加速了管道的外腐蝕速率。防腐保溫層破損情況統(tǒng)計見表9。

        表9 防腐保溫層破損情況統(tǒng)計Tab.9 Statistics of the defects of anti-corrosion and thermal insulation layers

        綜合來看,以壁厚3.5 mm 管道為例,按內(nèi)、外腐蝕進程同時發(fā)展計算,均勻腐蝕條件下,管道平均壽命約為16 年,但點蝕發(fā)生的速率往往更快,進一步降低了管道使用年限。

        2.2 陰極保護覆蓋范圍小,保護效果不均衡

        全廠陰極保護主要采用強制電流和犧牲陽極兩種方式,其中強制電流陰極保護管道1 456.7 km,犧牲陽極保護管道1 673.4 km。目前全廠實施陰極保護管道占鋼質(zhì)管道總量40.5%,覆蓋率還比較低,油氣集輸系統(tǒng)還有約3 270.8 km 僅依靠外防腐層保護。對有無陰極保護管道失效情況進行統(tǒng)計表明,實施保護管道的年均失效率普遍低于0.5 km-1·a-1,其中強制電流保護效果最好。由于保護范圍的不均衡,導(dǎo)致無保護管道成為了失效主體。有無陰極保護管道建設(shè)及失效情況統(tǒng)計見表10、表11。

        表10 有無陰極保護管道建設(shè)情況統(tǒng)計Tab.10 Construction statistics of the pipelines with and without cathodic protection

        表11 有無陰極保護管道失效情況統(tǒng)計Tab.11 Failure statistics of the pipelines with and without cathodic protection

        2.3 非金屬管道管理難度大,維修困難

        非金屬管道有玻璃鋼、鋼骨架塑料復(fù)合管、連續(xù)增強塑料復(fù)合管和塑料合金復(fù)合管四種材質(zhì),建設(shè)總長1 179.5 km。其中玻璃鋼和連續(xù)增強塑料復(fù)合管占比最大,有1 003.3 km。經(jīng)統(tǒng)計:非金屬管道失效中鋼轉(zhuǎn)換部位腐蝕和機械損傷占比最大,為98.2%;少量為管體變性導(dǎo)致的強度下降所致。非金屬管道在應(yīng)用中存在凍堵后無法電解堵、鋼轉(zhuǎn)換部位易重復(fù)穿孔等問題,目前尚無專業(yè)隊伍和技術(shù)處理非金屬管道失效,因此只能外委維修。不同類別非金屬管道失效情況見表12。

        表12 不同類別非金屬管道失效情況Tab.12 Failure status of different types of nonmetallic pipelines

        非金屬管失效原因分析:

        (1)鋼轉(zhuǎn)換部位重復(fù)維修,腐蝕速率加快。鋼轉(zhuǎn)換部位失效占52.6%。該部位腐蝕原因與金屬管道相同,但經(jīng)重復(fù)穿孔、堵漏后,焊點或局部更換管段與原管段會形成電位差異,加速電化學(xué)腐蝕;

        (2)管道走向不清,施工作業(yè)中誤將管道挖斷。由于管道建設(shè)情況復(fù)雜,種類繁多,密度較大,施工人員對管道走向掌握不清。同時非金屬管道強度較金屬管道低,在堵漏維修等施工作業(yè)中很容易被挖斷。

        (3)部分管道發(fā)生管體變性,強度下降。如太一聯(lián)污水處理站至太二聯(lián)注水站污水管道,該管道投產(chǎn)于2001 年,玻璃鋼材質(zhì),全長9 km,管道規(guī)格DN300。2021 年累計失效7 次。對失效部位維修時發(fā)現(xiàn),局部管體出現(xiàn)變黑、強度下降的情況。

        3 解決對策及實施效果

        “十三五”以來,第五采油廠以“股份公司油田管道和站場完整性管理規(guī)定”為指導(dǎo),明確了以油田管理部為廠級管道主管部門,工藝研究所為技術(shù)管理中心等7 個主要部門職責(zé)。在油田公司相關(guān)部門的支持下,近年通過采取五項治理工程、強化三項管理舉措的治理措施,逐步降低管道腐蝕穿孔帶來的安全環(huán)保隱患。

        3.1 五項治理工程

        (1)腐蝕管道更新改造工程。根據(jù)投產(chǎn)年限、穿孔次數(shù)、檢測報告符合更換等條件,按照輕重緩急,逐年對腐蝕老化管道安排更換?!笆濉逼陂g累計投資3.9 億元,更換嚴(yán)重影響油水井正常生產(chǎn)管道903 km。2021 年,又投資3 091 萬元,更換管道76 km。目前失效率已由最高時的1.18 km/a 下降至0.76 km-1·a-1。

        (2)防腐層檢測修復(fù)工程。按埋地管道類別和風(fēng)險等級排序,采取“邊檢邊修”方式,累計投資1 927 萬元,檢測各類管道1 167 km,發(fā)現(xiàn)并修復(fù)破損點6 995 處。2021 年繼續(xù)對無檢測報告的“雙高”及Ⅰ、Ⅱ類管道余量進行梳理,又投資450 萬元,安排檢測444 km。檢修完畢后,Ⅰ、Ⅱ類及“雙高”管道檢修覆蓋率將達到100%。

        (3)陰極保護完善工程。在杏南316#等5 座計量間71 km 管道進行了以廢棄油井套管作為輔助陽極的陰極保護技術(shù)試驗,以杏南316#計量間為例,該計量間受保護管道有24 條7.9 km。實施陰極保護前,年均失效率1.52 km-1·a-1。實施后,年均失效率降至0.41 km-1·a-1,保護效果良好。為繼續(xù)擴大陰極保護應(yīng)用規(guī)模,“十三五”期間結(jié)合老區(qū)改造和產(chǎn)能項目,又新增陰極保護站47 座,安裝犧牲陽極510套,有效保護單井及站間以上管道746 km。

        (4)跨渠管道檢測修復(fù)工程。為實現(xiàn)管道精準(zhǔn)維護,采用超聲導(dǎo)波檢測技術(shù)檢測杏十三-1、杏Ⅴ-Ⅱ聯(lián)合站等7 座站場站內(nèi)架空管道16 km,發(fā)現(xiàn)管體損傷63 處,缺陷位置驗證符合率92.8%,效果良好。2021 年,投資153 萬元對全廠651 條52 km跨渠管段管體進行損傷評價,根據(jù)檢測結(jié)果采取補強或局部更換等措施,徹底消除跨渠管段泄漏風(fēng)險隱患。

        (5)埋地管道不開挖修復(fù)工程。為避免管道泄漏造成環(huán)境污染和土地糾紛等問題,采用內(nèi)翻返和內(nèi)穿插技術(shù)修復(fù)環(huán)境敏感、無更換路由單井管道26 條12.4 km。其中利用翻返法修復(fù)技術(shù)修復(fù)的21條管道中,僅杏8-丁4-347 還在運行,其他管道均出現(xiàn)了內(nèi)襯脫落,堵塞管道的情況,目前各單位已對這20 條管道進行了更換,可見翻返法不開挖修復(fù)技術(shù)使用效果較差。2020 年,又采用內(nèi)襯硬質(zhì)纖維管的內(nèi)穿插技術(shù)修復(fù)5 口單井,避免了軟管破損脫落堵塞管道情況的發(fā)生,投產(chǎn)1 年來未發(fā)生管道堵塞、穿孔和運行壓力升高的情況,總體看,內(nèi)穿插修復(fù)技術(shù)優(yōu)于翻返法修復(fù)技術(shù)。

        3.2 三項管理舉措

        (1)強化新建管道監(jiān)督。2019 年,公司為第五采油廠配備管材質(zhì)檢設(shè)備7 臺,通過開展專業(yè)技術(shù)培訓(xùn),明確屬地監(jiān)管職責(zé),目前已抽查新建管道609 km,發(fā)現(xiàn)防護層破損、焊道未做防腐等問題2 407 處,內(nèi)涂層厚度不達標(biāo)46 km,均已得到有效整改,實現(xiàn)了抽檢覆蓋率100%。

        (2)嚴(yán)格執(zhí)行堵漏操作規(guī)范。2015 年,第五采油廠率先在油田推廣實施了腐蝕穿孔管道防腐維護管理辦法,形成了“三個統(tǒng)一”“一個規(guī)范”的維護管理原則,杜絕了堵漏后不做防腐的現(xiàn)象。2018 年起,對全部失效的站間及以上管道堵漏后加裝犧牲陽極520 套,有效降低了重復(fù)穿孔的發(fā)生。

        (3)開展隱患專項調(diào)查。通過明確高后果區(qū)管道失效影響范圍,對敏感區(qū)域管道開展隱患專項調(diào)查,采取管道更換與技防措施相結(jié)合的方式,逐步降低泄漏風(fēng)險隱患。目前擬定“十四五”期間共更換管道864 km,待全部更換完畢,腐蝕管道余量將降至1 622 km,預(yù)計綜合失效率降至0.27 km-1·a-1以下,大幅接近股份公司控制管道失效控制指標(biāo)。

        4 下步工作安排

        (1)深化優(yōu)化“十四五”管道隱患治理方案。通過現(xiàn)場實際調(diào)查,深入剖析各高后果區(qū)詳圖,明確區(qū)域范圍所轄管道數(shù)量及具體走向,進一步優(yōu)化管道更新改造設(shè)計及技防措施分布,充分利用投資,提高高后果區(qū)保護效果。

        (2)開展轉(zhuǎn)油站系統(tǒng)完整性評價研究。在杏南十五轉(zhuǎn)油站集輸系統(tǒng)22 km 金屬管道和10 km 非金屬管道開展腐蝕失效治理和非金屬管道檢測修復(fù)研究。最終形成集輸系統(tǒng)管道腐蝕控制技術(shù)和非金屬管道檢測維修規(guī)范。

        (3)自主開發(fā)完善數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析平臺。鑒于A5 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能相對薄弱,在2018 年自主開發(fā)的管道完整性管理平臺基礎(chǔ)上,從腐蝕防護工作實際需求出發(fā),進一步完善平臺數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析功能,提高數(shù)據(jù)管理水平。

        (4)開展硫化氫腐蝕機理及對策研究。2019年,采油五廠在天然氣系統(tǒng)中首次發(fā)現(xiàn)硫化氫氣體,相關(guān)研究顯示,濕硫化氫引起碳鋼開裂的上限濃度為50 mg/L[9-10]。全廠47 座站場氣集輸系統(tǒng)中,硫化氫濃度大于50 mg/L 的有35 座,最高濃度達296 mg/L。下步將開展硫化氫在不同介質(zhì)中的含量測定及對碳鋼腐蝕速率測量等相關(guān)機理研究,并采取相應(yīng)措施控制硫化氫含量,提前做好硫裂腐蝕的預(yù)防工作。

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