海底输送管线
在石油天然气工业中,管线是原油、天然气最主要的输送方式.随着我国海洋油气资源的不断开发和利用,海底输送管线的建设也不断增多,但使用过程中出现了各种问题,如腐蚀失效产生的泄漏和断裂等.海底输送管线流体为多相流,其中溶有酸性气体( CO2、H2S)而具有酸性,随开采时间增加,原油含水率逐年升高,严重腐蚀管道; 由于管道弯管处结构的特殊性,其腐蚀往往会更严重.
本文研究的某海底输送管线,输送流体为原油、油田产出水和天然气,随生产时间延长,输油量降低,输水量升高,原油含水率逐年增加,进出口压力逐年增大.海底输送管线内的腐蚀环境越来越恶劣,导致管道腐蚀情况越来越严重,部分管段甚至穿孔,因此有必要对该海底输送管线进行腐蚀原因分析,找出腐蚀的主要影响因素,为后期管道设计及维护提供依据和帮助.
(一)宏观形貌分析
某海底输送管线内管连接示意图如图所示.由上图可见,穿孔位置在弯管外弧侧( 红色圆圈) .穿孔位置宏观形貌见下图2,测量蚀孔尺寸约34. 46 mm ×27. 23 mm.图2 - a) 为穿孔处内壁宏观形貌,穿孔处内壁布满深度不一的局部腐蚀坑,椭圆形区域内可见极深的腐蚀坑,圆形区域可见由内壁向外壁发展的腐蚀坑.图2 - b) 为穿孔处外壁宏观形貌,穿孔处周围外壁表面相对较平整,未见明显的局部腐蚀坑,主要呈层片状腐蚀特征.从宏观形貌上观察穿孔处周围内壁腐蚀程度较外壁更严重,由此可以判断,孔蚀是由内壁向外壁发展.
(二)测试结果
结合化学成分分析、机械性能分析、微观形貌分析、极化曲线测试结果如下:
1) 弯管材料的理化性能满足API Spec 5 L - 2012《美国石油协会管线钢管规范》的要求.
2) EDS 和XRD 分析结果表明,弯管内、外壁腐蚀产物为CO2腐蚀和氧腐蚀产物,穿孔前,管内输送介质含CO2,CO2溶于水对材料有强腐蚀性,发生CO2腐蚀,穿孔方向由内壁向外壁; 穿孔后,管内和弯管、外管环形空间连通,弯管内、外壁同时遭受CO2腐蚀和氧腐蚀.
3) 含CO2气体的水介质及压强较大的点主要分布在弯管外侧,弯管外弧侧所处腐蚀环境较内弧侧更恶劣,腐蚀趋势较大,更易发生腐蚀穿孔.
(三)弯管外弧侧腐蚀穿孔主要原因解析:
1 、弯管外弧侧腐蚀穿孔原因分析
在海底输送管线内,管道弯曲造成流体力学参数变化,容易发生腐蚀.由于输送流体包括原油、油田水和天然气,对弯管的腐蚀也是多种腐蚀介质的共同作用结果,不同的液体腐蚀除了受共同外界条件影响外,流体间也会相互影响周彬等人研究发现弯管的腐蚀与流体的运动息息相关,多相流经过弯管后流速、液相分布、湍动能、压力大小分布都发生了变化,加速了弯管的腐蚀.高速流体冲刷管壁,造成腐蚀产物膜破坏,促进腐蚀恶化.
管道输送介质含有气、水、CO2、H2S 等,采用多相流混合模型,选用周彬等人.的数学模型建模,运用ANSYS软件进行模拟计算,对弯管模型进行网格划分,弯曲部分进行局部网格加密,以提高解的收敛性.边界条件为入口采用压力入口,出口采用压力出口,液相体积分数为10 %.由弯管内液相分布云图可见,液相主要分布在弯管外侧,液相分布率较大时,液相中的腐蚀电解质和管壁易相互接触,容易引起电化学腐蚀,特别是H2S、CO2和其他强电解质溶解在液相介质中时,一旦聚集在管壁上,就会形成酸性环境造成管壁腐蚀.由于弯管处结构的变化,引起流体流动分布发生变化,破坏了流体稳定的边界层,混输液的速度梯度变大使管壁腐蚀更严重.弯管内壁外侧液体速度较快,冲刷带走表面腐蚀产物,不断露出新的金属基体,由于缺乏有效保护,弯管内壁外侧将不断与腐蚀介质相互接触,加速腐蚀.
由弯管内压强分布云图可见,压强较大的点集中在弯管外侧,高压层影响区域较大,由于惯性作用,流体碰到弯管后将动能转换成静压能,使弯管内壁外侧压强较大,变形量较大,腐蚀产物保护易破损,加速腐蚀.
压力上升后,一旦弯管内壁由于腐蚀作用而产生缺陷,很容易发生穿孔.管道输送的流体为原油、油田产出水和天然气,由于流体在弯管处流过时流速、压强、液相分布等发生变化,易发生腐蚀.因腐蚀介质主要溶于水相中,管道内水含量分布的密集区就成为腐蚀危险区,输送介质含CO2强电解质溶解在水介质中时,易形成酸性环境,造成弯管腐蚀.随着开采时间延长,原油含水量上升,弯管内壁外侧液相分布率较大处较易腐蚀,同时弯管外弧侧所处腐蚀环境较其他位置更恶劣,电化学测试结果也反映出弯管外弧侧的腐蚀趋势大,弯管外弧侧更易发生腐蚀穿孔.
2、 弯管内、外壁腐蚀原因分析
EDS 和XRD 分析结果表明,弯管内、外壁腐蚀产物为CO2腐蚀和氧腐蚀产物.CO2溶于水后对金属材料有极强的腐蚀性,气体中含有CO2腐蚀性气体,弯管内壁在这种环境下很容易发生CO2腐蚀,而管内输送的介质中CO2气体含量为5 %,所以会发生CO2腐蚀,同时CO2腐蚀可使管道发生严重的局部腐蚀穿孔.
金属在酸性很弱的溶液中,氧气溶解于金属表面的水膜中而发生电化学腐蚀,氧来源可能有两种情况:
1) 海底输送管线结构从外到里依次是三层PE 防腐层、外管、聚氨酯保温层和弯管.一般情况下弯管和外管之间的环形空间都有氧存在,如生产过程有残留、运输过程会渗入、海上施工过程、施工完不进行抽真空作业等多种情况都会使环形空间有氧存在.正常情况下弯管、外管环形空间为干燥环境,无腐蚀性介质,即使有氧存在也不会对海底输送管线造成腐蚀,弯管由内壁向外壁发生穿孔后,弯管和环形空间就形成连通环境,环形空间的氧气进入弯管后溶解于水介质,对弯管造成氧腐蚀.
2) 外管在与弯管相同位置也发生穿孔.弯管穿孔后,与外管接触的海水介质会进入环空,海水介质中有氧存在,对弯管造成氧腐蚀.由于没有提供外管穿孔样品,无法对外管穿孔的原因进行分析,无法判断先发生穿孔的是弯管还是外管.
但可以肯定的是弯管穿孔是由内壁向外壁,弯管发生穿孔前,弯管主要为内腐蚀,腐蚀原因为CO2腐蚀.穿孔后,管内和弯管、外管环形空间连通,弯管内、外壁同时遭受CO2腐蚀和氧腐蚀.