張金星* 崔 偉 張景山 張加?xùn)| 于小童 馮 泉

（1.塔里木油田油氣工程研究院 2.中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院3.國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)管技術(shù)創(chuàng)新中心（油氣管道與儲(chǔ)存設(shè)備安全） 4.中特檢管道工程（北京）有限公司）

0 引言

氣田井場(chǎng)地面管道通常為油、氣、水、沙礫等多相流混輸，還具有CO2和H2S 等腐蝕性氣體，介質(zhì)成分復(fù)雜，腐蝕性強(qiáng)，給地面管道內(nèi)壁防腐造成巨大的威脅，相關(guān)失效事件屢有報(bào)道。美國(guó)Nesic 等[1]對(duì)美國(guó)氣田設(shè)備腐蝕的研究結(jié)果表明，CO2腐蝕和細(xì)菌腐蝕是開(kāi)采過(guò)程中常見(jiàn)的腐蝕類(lèi)型。葉男等[2]對(duì)四川某氣田地面管道現(xiàn)場(chǎng)輸送介質(zhì)及腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行取樣分析，分析得到造成集輸管道內(nèi)腐蝕的主要原因是CO2、Cl-和SRB 的協(xié)同腐蝕作用。劉華敏等[3]對(duì)氣田地面管線(xiàn)穿孔情況開(kāi)展了研究和分析，認(rèn)為固相顆粒對(duì)彎頭內(nèi)壁外側(cè)有沖蝕作用，從而加劇點(diǎn)蝕。謝明等[4]對(duì)氣田不同開(kāi)采階段地面管道的失效模式開(kāi)展了分析，在排采和生產(chǎn)過(guò)程中失效模式有明顯區(qū)別，排采階段沖蝕嚴(yán)重，生產(chǎn)階段電化學(xué)腐蝕嚴(yán)重。上述的文獻(xiàn)研究均表明，氣田井場(chǎng)地面管線(xiàn)的腐蝕類(lèi)型主要是沖蝕和CO2腐蝕的協(xié)同作用，可能還伴有SRB細(xì)菌腐蝕，不同生產(chǎn)階段腐蝕的主導(dǎo)因素也不相同。

沖蝕是指腐蝕產(chǎn)物因流體沖刷而離開(kāi)表面，暴露的新鮮金屬表面在沖刷和腐蝕的反復(fù)作用下發(fā)生的損傷。 1990 年，加拿大Lotz 和Postlethwaite 等首次采用環(huán)路腐蝕系統(tǒng)對(duì)突然收縮及突然膨脹管段的流型流態(tài)變化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明管段幾何形狀的突變可以導(dǎo)致流體流動(dòng)過(guò)程中形成大小不同的渦流區(qū)，是腐蝕加劇的主要原因[5]。2011 年至 2015 年期間，研究者們通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段系統(tǒng)的分析了流體的流型流態(tài)對(duì)沖蝕的影響[6]。Ma 等[7]采用 Fluent 軟件對(duì)管道中的液-氣雙相流進(jìn)行模擬，結(jié)果表明彎曲管段每一個(gè)位置在流動(dòng)過(guò)程中的腐蝕情況均不相同。數(shù)值模擬研究是且前沖蝕研究的重要方法，該方法通過(guò)對(duì)流體流態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，得出管道中流體溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)、固體顆粒和沖蝕區(qū)域的分布情況，達(dá)到預(yù)測(cè)沖蝕的目的，并作為失效分析的重要支撐[8]。

本文對(duì)某氣田井場(chǎng)地面管道失效事件展開(kāi)分析，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)、實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和數(shù)值模擬計(jì)算，明確腐蝕失效的主要原因?yàn)闆_蝕，并提出了相關(guān)的運(yùn)維和改造建議。

1 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)

2022 年1 月，某氣田井場(chǎng)地面管道發(fā)生泄漏，泄漏位置在井口二級(jí)節(jié)流閥后直管段，如圖1 黑圈處六點(diǎn)鐘方向。該管道投用日期為2020 年6 月，服役1 年半后發(fā)生泄漏。管道材質(zhì)為L(zhǎng)245，外徑為88.9 mm，壁厚為12.5 mm，輸送介質(zhì)為天然氣、原油和水，設(shè)計(jì)溫度為70 ℃，工作溫度為50 ℃，設(shè)計(jì)壓力為22 MPa，工作壓力為15 MPa。

圖1 管道單線(xiàn)圖、泄漏位置和測(cè)厚位置

泄漏發(fā)生后，對(duì)失效位置下游附近管道每0.3 m處測(cè)厚一次，測(cè)厚位置編號(hào)分別為0-1～0-4，其中0-1緊靠失效位置，具體位置如圖1 所示，每處測(cè)試0 點(diǎn)、3 點(diǎn)、6 點(diǎn)和9 點(diǎn)4 個(gè)時(shí)鐘點(diǎn)位，測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

表1 失效管段壁厚檢測(cè)數(shù)據(jù)

在下游直管段每7 m 處測(cè)厚一次，測(cè)厚位置編號(hào)分別為1#～8#，具體位置可見(jiàn)圖1，每處測(cè)試0 點(diǎn)、3 點(diǎn)、6 點(diǎn)和9 點(diǎn)4 個(gè)時(shí)鐘點(diǎn)位，測(cè)試數(shù)據(jù)如表2 所示。另對(duì)下游3 處彎頭測(cè)厚。

表2 直管段壁厚檢測(cè)數(shù)據(jù)

以上測(cè)厚結(jié)果顯示，在失效管段附近，6 點(diǎn)鐘位置壁厚最小，壁厚范圍為5.03～6.54 mm，最大減薄程度為59.8%，隨著測(cè)試點(diǎn)遠(yuǎn)離失效位置，壁厚逐漸增大；在1#～8#測(cè)厚點(diǎn)6 點(diǎn)鐘位置，均有明顯減薄，底部壁厚為6.92～8.15 mm，最大減薄程度為44.6%；在下游彎頭，無(wú)明顯減薄。

現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果顯示，失效段減薄嚴(yán)重，直管段減薄情況集中在底部，下游彎頭無(wú)明顯減薄。

2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試

2.1 宏觀(guān)觀(guān)察

將失效管段命名為0#管段，取樣長(zhǎng)度約1.5 m，詳見(jiàn)圖2。觀(guān)察失效位置可見(jiàn)整體減薄明顯，可判斷失效原因?yàn)檎w減薄后無(wú)法承壓而發(fā)生撕裂。由于另一側(cè)管段未取得，難以復(fù)原撕裂后的整體狀態(tài)及起源位置。

圖2 失效管件

采用游標(biāo)卡尺在失效斷面測(cè)試一周的壁厚分布情況，結(jié)果如表3 所示。測(cè)試結(jié)果顯示，失效斷面最小壁厚僅為2.31 mm。

表3 失效斷面壁厚檢測(cè)數(shù)據(jù)

將失效管段（不含斷口處）縱向剖開(kāi)，內(nèi)壁情況如圖3 所示。可見(jiàn)頂部有大量突起，密集分布在3點(diǎn)～9 點(diǎn)區(qū)域，分布范圍約1 m，該突起很堅(jiān)硬，用鐵質(zhì)工具無(wú)法將其剝落，砂紙打磨后露出金屬光澤，為金屬基體。底部無(wú)明顯局部腐蝕，測(cè)厚結(jié)果顯示6點(diǎn)鐘減薄最明顯。該處腐蝕底部主要是沖蝕造成的整體減薄，頂部是由凝液造成的腐蝕。

圖3 失效管件內(nèi)壁形貌

對(duì)失效管段下游直管段取樣，取樣位置即為圖1測(cè)厚位置，編號(hào)為1#～8#。1#管段內(nèi)壁有薄的腐蝕產(chǎn)物覆蓋，分布均勻，無(wú)明顯局部腐蝕。2#管段含一道焊縫，焊縫處形成腐蝕溝槽，其他位置無(wú)明顯局部腐蝕。3#～8#管段，腐蝕產(chǎn)物較薄，底部形成寬且淺的腐蝕溝槽，腐蝕分界線(xiàn)明顯。

2.2 腐蝕產(chǎn)物分析

對(duì)0#，2#，4#管段內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物取樣，進(jìn)行X射線(xiàn)衍射分析。

XRD 結(jié)果如圖4 所示，0#和2#管段的腐蝕產(chǎn)物主要為Fe3O4，0#管段內(nèi)還有部分Al2O3，4#管段的腐蝕產(chǎn)物主要是CaCO3和SiO2。

圖4 管段內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物XRD分析

3 個(gè)取樣位置位于同一直管段，腐蝕產(chǎn)物成分應(yīng)具有相似性，但由于腐蝕產(chǎn)物整體較薄，每處所取的量較少，一個(gè)樣品可能無(wú)法測(cè)出所有腐蝕產(chǎn)物成分，因此3 個(gè)結(jié)果不完全相同。綜合三個(gè)樣品的結(jié)果，腐蝕產(chǎn)物主要是Fe3O4，另有Al2O3和SiO2等沙粒的成分，還有CaCO3等沉積物。

在0#，2#和4#管段內(nèi)壁腐蝕典型位置切取試樣，制作截面試樣進(jìn)行EDS 能譜分析。截面微觀(guān)形貌如圖5 所示，各管段腐蝕產(chǎn)物較薄，厚度為10～30 μm。

圖5 腐蝕產(chǎn)物截面微觀(guān)形貌

0#管段EDS 測(cè)試結(jié)果顯示，其主要元素為C、O、Fe，局部有Cl、S、Mg、Ca，其中S 元素最大含量為0.36%；2#管段測(cè)試結(jié)果顯示主要元素為C、O、Fe，局部含有Cl、S，其中S 元素最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%；4#管段測(cè)試結(jié)果顯示主要元素為C、O、Fe，局部有Cl、S、Ca、Mg、Si，其中S 元素最大質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.64%。能譜分析的結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物主要成分均為C、O、Fe，局部有微量的Cl、S、Ca、Mg、Si，含量均不高。

該井的氣體成分分析結(jié)果如表4 所示，甲烷含量高，非烴氣體含量低。天然氣平均分子量為19.34，相對(duì)密度為0.67，干燥系數(shù)（C1/C1+）為0.877，表現(xiàn)為典型凝析氣特征。

表4 氣體成分分析結(jié)果

XRD、EDS 能譜和氣體成分分析結(jié)果吻合，產(chǎn)出氣中不含H2S，故腐蝕產(chǎn)物中S 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，局部最大值為0.64%；其中含CO2，腐蝕產(chǎn)物中有CaCO3。其中存在A(yíng)l2O3和SiO2表明管段受沙粒沖刷作用。

3 數(shù)值模擬計(jì)算

為了進(jìn)一步分析沖蝕對(duì)失效管段的作用機(jī)理，采用數(shù)值模擬方法對(duì)該管段建模及流體力學(xué)計(jì)算。以一級(jí)節(jié)流閥、二級(jí)節(jié)流閥及直管段為模擬計(jì)算區(qū)域，如圖6 所示，采用Flunet 軟件開(kāi)展流體力學(xué)模擬計(jì)算。

圖6 模擬計(jì)算管段范圍

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)收集資料，確定管線(xiàn)相關(guān)參數(shù)如表5 所示，對(duì)模型進(jìn)行邊界條件設(shè)置，設(shè)計(jì)介質(zhì)為油、氣、水多相流。

表5 模擬計(jì)算參數(shù)

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)照片及一般調(diào)壓器結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化調(diào)壓器位置為方形彎頭，井口出口管道建模如圖7 所示。圖7顯示了計(jì)算后管內(nèi)介質(zhì)的流動(dòng)曲線(xiàn)，發(fā)生明顯沖刷位置的區(qū)域如圖7 中黑圈所示。將管內(nèi)介質(zhì)沖刷作用較大的一級(jí)節(jié)流和二級(jí)節(jié)流處的管段進(jìn)行局部放大，如圖8 所示，最大介質(zhì)流速發(fā)生在圖中黑色圓圈所示位置。介質(zhì)流經(jīng)節(jié)流閥閥腔后，最大沖刷位置發(fā)生在節(jié)流閥下游外壁附近，經(jīng)計(jì)算局部最大流速可達(dá)18 m/s（介質(zhì)平均計(jì)算流速為10.2 m/s），受到介質(zhì)沖刷作用該處壁面更容易發(fā)生局部減薄，當(dāng)介質(zhì)中含有雜質(zhì)時(shí)尤為明顯。

圖7 井口出口管道內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)情況

圖8 管內(nèi)介質(zhì)流動(dòng)情況

計(jì)算結(jié)果顯示，二級(jí)節(jié)流閥出口直管段6 點(diǎn)鐘位置受沖刷影響大，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際泄漏位置吻合。

此外，在失效管段下游直管段上壁面（3～9 點(diǎn)鐘位置）存在局部腐蝕凸起形貌，如圖3 a）所示。由于高速流動(dòng)介質(zhì)經(jīng)過(guò)二級(jí)節(jié)流閥后，液體隨介質(zhì)流動(dòng)會(huì)向管頂方向運(yùn)動(dòng)，使得局部管道頂部存在吸附水相。圖9 為管道界面速度云圖，從圖9 可以看出，近上壁面流速較低，使得該處管頂區(qū)域發(fā)生腐蝕，在重力的作用下產(chǎn)生類(lèi)似凝液腐蝕的形貌。

圖9 管道界面介質(zhì)速度云圖

4 結(jié)語(yǔ)

測(cè)厚和宏觀(guān)觀(guān)察顯示，失效管段腐蝕減薄主要發(fā)生在直管段底部，最大減薄率為59.8%；腐蝕產(chǎn)物和介質(zhì)成分分析顯示，主要腐蝕產(chǎn)物為Fe3O4，未發(fā)現(xiàn)典型的CO2腐蝕形貌和腐蝕產(chǎn)物；模擬計(jì)算結(jié)果顯示二級(jí)節(jié)流閥出口直管段6 點(diǎn)鐘位置受沖刷影響大，整體減薄到臨界值無(wú)法承壓而發(fā)生泄漏，主要腐蝕機(jī)理為沖蝕；下游流速降低，底部主要為液相，形成明顯的腐蝕溝槽。建議更換耐蝕性更強(qiáng)的材料（如22Cr 雙相不銹鋼），該材料應(yīng)具有良好的耐全面腐蝕、點(diǎn)蝕和沖蝕性能。