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.中國特種設(shè)備檢測研究院3.國家市場監(jiān)管技術(shù)創(chuàng)新中心（油氣管道與儲存設(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，給地面管道內(nèi)壁防腐造成巨大的威脅，相關(guān)失效事件屢有報道。美國Nesic 等[1]對美國氣田設(shè)備腐蝕的研究結(jié)果表明，CO2腐蝕和細(xì)菌腐蝕是開采過程中常見的腐蝕類型。葉男等[2]對四川某氣田地面管道現(xiàn)場輸送介質(zhì)及腐蝕產(chǎn)物進行取樣分析，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]對氣田地面管線穿孔情況開展了研究和分析，認(rèn)為固相顆粒對彎頭內(nèi)壁外側(cè)有沖蝕作用，從而加劇點蝕。謝明等[4]對氣田不同開采階段地面管道的失效模式開展了分析，在排采和生產(chǎn)過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。上述的文獻研究均表明，氣田井場地面管線的腐蝕類型主要是沖蝕和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)對突然收縮及突然膨脹管段的流型流態(tài)變化進行了研究，結(jié)果表明管段幾何形狀的突變可以導(dǎo)致流體流動過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，研究者們通過實驗手段系統(tǒng)的分析了流體的流型流態(tài)對沖蝕的影響[6]。Ma 等[7]采用 Fluent 軟件對管道中的液-氣雙相流進行模擬，結(jié)果表明彎曲管段每一個位置在流動過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，該方法通過對流體流態(tài)進行數(shù)值模擬計算，得出管道中流體溫度場、速度場、壓力場、固體顆粒和沖蝕區(qū)域的分布情況，達到預(yù)測沖蝕的目的，并作為失效分析的重要支撐[8]。

本文對某氣田井場地面管道失效事件展開分析，通過現(xiàn)場檢測、實驗室測試和數(shù)值模擬計算，明確腐蝕失效的主要原因為沖蝕，并提出了相關(guān)的運維和改造建議。

1 現(xiàn)場檢測

2022 年1 月，某氣田井場地面管道發(fā)生泄漏，泄漏位置在井口二級節(jié)流閥后直管段，如圖1 黑圈處六點鐘方向。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L245，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)計溫度為70 ℃，工作溫度為50 ℃，設(shè)計壓力為22 MPa，工作壓力為15 MPa。

圖1 管道單線圖、泄漏位置和測厚位置

泄漏發(fā)生后，對失效位置下游附近管道每0.3 m處測厚一次，測厚位置編號分別為0-1～0-4，其中0-1緊靠失效位置，具體位置如圖1 所示，每處測試0 點、3 點、6 點和9 點4 個時鐘點位，測試結(jié)果如表1 所示。

表1 失效管段壁厚檢測數(shù)據(jù)

在下游直管段每7 m 處測厚一次，測厚位置編號分別為1#～8#，具體位置可見圖1，每處測試0 點、3 點、6 點和9 點4 個時鐘點位，測試數(shù)據(jù)如表2 所示。另對下游3 處彎頭測厚。

表2 直管段壁厚檢測數(shù)據(jù)

以上測厚結(jié)果顯示，在失效管段附近，6 點鐘位置壁厚最小，壁厚范圍為5.03～6.54 mm，最大減薄程度為59.8%，隨著測試點遠(yuǎn)離失效位置，壁厚逐漸增大；在1#～8#測厚點6 點鐘位置，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，無明顯減薄。

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

2 實驗室測試

2.1 宏觀觀察

將失效管段命名為0#管段，取樣長度約1.5 m，詳見圖2。觀察失效位置可見整體減薄明顯，可判斷失效原因為整體減薄后無法承壓而發(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)卡尺在失效斷面測試一周的壁厚分布情況，結(jié)果如表3 所示。測試結(jié)果顯示，失效斷面最小壁厚僅為2.31 mm。

表3 失效斷面壁厚檢測數(shù)據(jù)

將失效管段（不含斷口處）縱向剖開，內(nèi)壁情況如圖3 所示?？梢婍敳坑写罅客黄?，密集分布在3點～9 點區(qū)域，分布范圍約1 m，該突起很堅硬，用鐵質(zhì)工具無法將其剝落，砂紙打磨后露出金屬光澤，為金屬基體。底部無明顯局部腐蝕，測厚結(jié)果顯示6點鐘減薄最明顯。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

對失效管段下游直管段取樣，取樣位置即為圖1測厚位置，編號為1#～8#。1#管段內(nèi)壁有薄的腐蝕產(chǎn)物覆蓋，分布均勻，無明顯局部腐蝕。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，腐蝕分界線明顯。

2.2 腐蝕產(chǎn)物分析

對0#，2#，4#管段內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物取樣，進行X射線衍射分析。

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，一個樣品可能無法測出所有腐蝕產(chǎn)物成分，因此3 個結(jié)果不完全相同。綜合三個樣品的結(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，制作截面試樣進行EDS 能譜分析。截面微觀形貌如圖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)物截面微觀形貌

0#管段EDS 測試結(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Al2O3和SiO2表明管段受沙粒沖刷作用。

3 數(shù)值模擬計算

為了進一步分析沖蝕對失效管段的作用機理，采用數(shù)值模擬方法對該管段建模及流體力學(xué)計算。以一級節(jié)流閥、二級節(jié)流閥及直管段為模擬計算區(qū)域，如圖6 所示，采用Flunet 軟件開展流體力學(xué)模擬計算。

圖6 模擬計算管段范圍

根據(jù)現(xiàn)場收集資料，確定管線相關(guān)參數(shù)如表5 所示，對模型進行邊界條件設(shè)置，設(shè)計介質(zhì)為油、氣、水多相流。

表5 模擬計算參數(shù)

依據(jù)現(xiàn)場照片及一般調(diào)壓器結(jié)構(gòu)，簡化調(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顯示了計算后管內(nèi)介質(zhì)的流動曲線，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節(jié)流和二級節(jié)流處的管段進行局部放大，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)計算局部最大流速可達18 m/s（介質(zhì)平均計算流速為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)時尤為明顯。

圖7 井口出口管道內(nèi)介質(zhì)流動情況

圖8 管內(nèi)介質(zhì)流動情況

計算結(jié)果顯示，二級節(jié)流閥出口直管段6 點鐘位置受沖刷影響大，與現(xiàn)場實際泄漏位置吻合。

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。由于高速流動介質(zhì)經(jīng)過二級節(jié)流閥后，液體隨介質(zhì)流動會向管頂方向運動，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

測厚和宏觀觀察顯示，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；模擬計算結(jié)果顯示二級節(jié)流閥出口直管段6 點鐘位置受沖刷影響大，整體減薄到臨界值無法承壓而發(fā)生泄漏，主要腐蝕機理為沖蝕；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、點蝕和沖蝕性能。