練 斌 陳振棟 庾永釗 李萬(wàn)炯 楊 陽(yáng) 只 偉

（1. 中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油油氣田腐蝕防護(hù)中心，天津 300452；3. 中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452；4.中海油（天津）管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452）

0 引言

海底管道是輸送海上油田原油、天然氣的樞紐，是海上平臺(tái)的生命線，海底管道的狀態(tài)影響著海上油田生產(chǎn)的作業(yè)安全，同時(shí)也對(duì)海洋環(huán)境的影響也至關(guān)重要。但海底管道管道由于存在CO2和H2S等腐蝕性氣體，造成海管內(nèi)部腐蝕，海底管道內(nèi)腐蝕是影響管道服役安全和完整性的重要威脅，由腐蝕引起的海底管道故障頻發(fā)，近年來(lái)管道腐蝕直接評(píng)估已成為管道腐蝕管理的重要手段，是掌握管道腐蝕狀況、合理安排腐蝕控制措施、科學(xué)管控腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的重要途徑。

1 項(xiàng)目概況

南海某海底管道建造于2018年，2019年投產(chǎn)，至今已在役3年，長(zhǎng)度為195km，水深63.7～92.2m，設(shè)計(jì)壽命為30年。結(jié)構(gòu)類(lèi)型為24in單層鋼管，設(shè)計(jì)壓力15MPa，設(shè)計(jì)溫度68℃，防腐層厚度3.1mm。該海管輸送介質(zhì)為經(jīng)脫水、脫烴合格后的天然氣。

該海管投產(chǎn)至今未進(jìn)行管道內(nèi)檢測(cè)。自2020年11月20日第一次通氣以來(lái)，不斷有黑粉雜質(zhì)被清出，成分為鐵的化合物。針對(duì)上述海管目前出現(xiàn)的黑粉問(wèn)題開(kāi)展內(nèi)腐蝕直接評(píng)估工作，結(jié)合評(píng)估海底管道的輸送工況與特點(diǎn)，確定海管內(nèi)腐蝕程度和存在的風(fēng)險(xiǎn)，為海底管道完整性管理工作提供技術(shù)支撐。

1.1 生產(chǎn)數(shù)據(jù)

通過(guò)查詢?cè)摋l海管2019年5月～2022年5月的輸量數(shù)據(jù)，海管輸氣量呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，輸氣量的增加有利于攜出水積液，避免腐蝕加劇。

通過(guò)查詢?cè)摋l海管歷史數(shù)據(jù)，海管進(jìn)出口溫差較大，約為30℃，這是由于單層管溫降較快引起。

統(tǒng)計(jì)此海管投產(chǎn)以來(lái)進(jìn)出口壓力變化，該條海管進(jìn)出口壓差較小，壓力無(wú)明顯波動(dòng)，說(shuō)明壓力所代表的腐蝕環(huán)境較為穩(wěn)定。

1.2 組分信息

通過(guò)查詢歷史數(shù)據(jù)可以得知，2019年至今，東方13-2CEPB至崖城13-1AWA海管輸送介質(zhì)組分中二氧化碳濃度變化不大，趨勢(shì)比較穩(wěn)定，含量均在3.1%～8%范圍內(nèi)；硫化氫2019年5月未測(cè)得，2019年5月至今，硫化氫含量基本在0.3～5.2ppm范圍內(nèi)。

2 腐蝕敏感性分析

根據(jù)已知的氣體組分?jǐn)?shù)據(jù)，獲取管道天然氣中包含腐蝕性氣體CO2，含量在3.09～7.67%，H2S 0～5.2ppm、CO2：H2S的分壓比遠(yuǎn)大于500，根據(jù)油氣田腐蝕的基本原理和大量前期研究積累，目標(biāo)管線腐蝕仍以CO2腐蝕為主。下面分析目標(biāo)管道工況條件下影響CO2腐蝕的主要因素。

2.1 溫度對(duì)CO2腐蝕行為的影響

根據(jù)溫度對(duì)腐蝕特性的影響，把鐵的CO2腐蝕劃分為三類(lèi)：（1）溫度T<60℃，腐蝕產(chǎn)物膜FeCO3，軟而無(wú)附著力，主要發(fā)生的是均勻腐蝕；（2）60℃100℃以上，膜細(xì)致、緊密、附著力強(qiáng)的FeCO3和Fe3O4膜，腐蝕速率降低[1]。

2.2 CO2分壓對(duì)腐蝕行為的影響

CO2分壓是影響CO2腐蝕速率的重要因素，隨著CO2分壓的增加，腐蝕速率顯著提高。由于管道內(nèi)部壓力的存在，氣相介質(zhì)中的CO2分壓值為氣相中CO2的摩爾體積比與總壓的乘積，相同CO2含量條件下，操作壓力越高，CO2分壓越大。根據(jù)亨利定律，氣相中的CO2分壓值，是影響水相中CO2實(shí)際含量或活度的直接因素，也進(jìn)一步成為影響腐蝕速率高低的直接因素。

2.3 流速對(duì)CO2腐蝕行為的影響

流速對(duì)鋼的CO2腐蝕有著重要的影響。高流速易破壞腐蝕產(chǎn)物膜或妨礙腐蝕產(chǎn)物膜的形成，使鋼始終處于裸露的初始腐蝕狀態(tài)下，于是腐蝕速率高。圖2、圖3中，隨著實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，改變流速，流速增加，腐蝕速率增加。根據(jù)現(xiàn)有工藝參數(shù)和日產(chǎn)量，可以估算管道內(nèi)部氣相流速約為3.84～4.4m/s，該流速條件尚無(wú)法引起較顯著的沖刷腐蝕。

2.4 H2S含量對(duì)CO2腐蝕行為的影響

根據(jù)管道介質(zhì)中CO2和H2S含量的測(cè)試報(bào)告[2]結(jié)果，CO2：H2S的分壓比遠(yuǎn)大于500，腐蝕過(guò)程由CO2控制。存在微量的H2S，對(duì)于腐蝕有一定的抑制作用。同時(shí)，微量H2S的存在不會(huì)顯著增大腐蝕速率，反而會(huì)使腐蝕速率有所降低。

2.5 小結(jié)

綜上所述，目標(biāo)海底管道的主要內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)集中在CO2-H2S腐蝕引起的管壁減薄。針對(duì)目標(biāo)評(píng)估管道的實(shí)際工況，生產(chǎn)流體中包含的CO2和H2S，是引起管道內(nèi)壁腐蝕減薄的主要腐蝕介質(zhì)，腐蝕主要由CO2控制。

3 內(nèi)腐蝕評(píng)估

3.1 原則和依據(jù)

內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法[3]（ICDA）是一種在管道某一給定長(zhǎng)度范圍內(nèi)評(píng)價(jià)腐蝕可能性的方法。水在管道中的積聚是引起管道內(nèi)腐蝕的先決條件，管道積水與腐蝕位置如圖所示，水平管與傾斜下降管通常不會(huì)積液；在傾斜上升管中，重力阻滯液體向下游流動(dòng)，會(huì)發(fā)生積液，從而引起內(nèi)腐蝕。隨后，NACE又針對(duì)液體石油管道和濕天然氣管道頒布了相應(yīng)了內(nèi)腐蝕直接評(píng)估方法的標(biāo)準(zhǔn)[4]。

3.2 建立模型和校核

以該海管實(shí)際情況，建立如圖1所示的模型。

圖1 海管運(yùn)行模型

出口壓力69barg，輸氣量270.022Sm3/d，出口溫度20.4℃，入口輸氣量 772.2277Sm3/d，入口溫度49.3℃。經(jīng)計(jì)算，海管入口壓力為93.06barg，出口壓力為72.2barg，出口溫度為21.63℃。實(shí)際生產(chǎn)工況中，海管入口壓力為92.9barg，出口壓力為72.1barg，出口溫度為21.5℃。

3.3 相平衡計(jì)算

利用unisim軟件中的Peng-Robinson方程得出管輸天然氣的氣液平衡相圖，分析管道輸送過(guò)程中凝析油的形成機(jī)理。圖2為天然氣的露點(diǎn)線，在該曲線內(nèi)部表示有凝析液析出，曲線外部表示沒(méi)有凝析液析出。根據(jù)以下計(jì)算結(jié)果可以看出，控?zé)N前DF13-2的組分中含有 C6～C8，因此在天然氣運(yùn)行過(guò)程中隨著壓力與溫度的變化，會(huì)有凝析液析出，導(dǎo)致海管存在一定量的積液。

圖2 天然氣平衡相圖

利用unisim軟件中的Peng-Robinson方程得出管輸天然氣的氣液平衡相圖，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，天然氣運(yùn)行過(guò)程中隨著壓力溫度的下降會(huì)有凝析液析出。經(jīng)計(jì)算，該海管當(dāng)組分中含有 C6～C8時(shí)，則會(huì)有凝析液析出。

3.4 腐蝕速率計(jì)算

利用ECE計(jì)算水露點(diǎn)控制合格情況下的腐蝕速率，腐蝕速率為0～0.03mm/a，具體如圖3所示。

圖3 腐蝕速率圖

3.5 剩余壽命計(jì)算

海管的設(shè)計(jì)壽命30年，且腐蝕余量為3.1mm，利用Predict軟件計(jì)算海管的剩余壽命，并與海管的設(shè)計(jì)壽命進(jìn)行比較，看是否滿足要求，經(jīng)計(jì)算后的結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯?，按照目前的腐蝕速率計(jì)算，海管的可使用壽命為38.75年，大于海管的設(shè)計(jì)壽命30年，滿足要求，考慮到海管2019年投產(chǎn)，計(jì)算得到海管的剩余壽命為35.75年。

圖4 腐蝕速率與使用壽命圖

4 結(jié)語(yǔ)

（1）經(jīng)模擬計(jì)算，當(dāng)前條件下，海管的腐蝕速率為0～0.03mm/a，整體腐蝕速率不高；

（2）經(jīng)分析計(jì)算，只要嚴(yán)格控制水露點(diǎn)，海管預(yù)測(cè)的可服役年限為38.75年，滿足設(shè)計(jì)壽命30年的要求，截止2022年底，海管的剩余壽命為35.75年；

（3）管道無(wú)任何藥劑保護(hù)，且CO2分壓較高，處于CO2腐蝕嚴(yán)重區(qū)域，一旦水露點(diǎn)不合格，腐蝕速率會(huì)迅速加劇，建議在后續(xù)完整性管理中嚴(yán)格控制水露點(diǎn)，避免出現(xiàn)水露點(diǎn)不合格的情況。