深水多相流動動態腐蝕評價系統的研究與應用

武峰山，劉劍，鐘康(渤海石油航務建筑工程有限責任公司，天津 300452)

0 引言

“深水多相流動動態腐蝕評價系統”是國家“十三五”重大專項項目28“海洋深水油氣田開發工程技術(三期)”的一項重要標志性成果，該系統設計壓力為7 MPa，設計溫度為0～150 ℃，是中海油研究總院聯合海油發展管道公司共建的國內首個工業級別的高溫高壓腐蝕評價系統，旨在解決當前困擾近海及深水油氣田開發中的多相流動動態腐蝕問題，形成科學的腐蝕評價技術和控制對策。

1 系統概述

深水多相流動動態腐蝕評價系統包括：油供應系統、水供應系統、CO2供應系統、制冷介質供應系統、化學藥劑注入單元、氮氣吹掃單元、電力供應單元、中等尺度多相腐蝕試驗管段、實驗介質及水處理單元及排放系統、數據采集和控制系統。整個系統的工藝流程如圖 1 所示。按照模塊化、集約化的原則，深水多相流動動態腐蝕評價系統中，多相流混輸腐蝕模擬模塊和氣相頂部腐蝕模擬模塊共享主要基礎設施和部分動力設備。

圖1 工藝流程圖

試驗系統的管道材質為316L不銹鋼，管徑為114.3 mm，名義壁厚6.02 mm，設計溫度150 ℃，設計壓力7 MPa，最大流速：液相 5 m/s、氣相 10 m/s，輸送介質可以為含 CO2、有機酸等的油、氣和水的混合物。試驗管段包含有水平管段，垂直向上管段，垂直向下管段，傾角分別為 2°、3°和 5°的傾斜管段，以及濕氣頂部腐蝕試驗管段，并在各管段上安裝有相應的監檢測設備。

2 系統設備組成

系統設備包含動設備、靜設備、熱工設備、檢測設備、PLC控制系統、電氣系統。

2.1 動設備

動設備主要為油、水、氣供應、循環設備，包含有補氣壓縮機、循環壓縮機、循環泵、油相循環泵、冷卻水泵、加藥泵、涼水塔等。

2.2 靜設備

靜設備主要為油、水、氣存儲、分離撬塊，污水收集撬塊，包含有水儲罐、油儲罐、補氣緩沖罐、氣液腐蝕分離器、高壓氣體緩沖罐等。

2.3 熱工設備

熱工設備主要用于油、氣、水進入系統時加熱到所需溫度，離開系統時降溫；包含有冷卻器、氣體換熱器、4臺電加熱器。

2.4 檢測設備

檢測設備主要為腐蝕檢測設備、輔助檢測設備；包含有腐蝕探針[1]、電化學測試LPR[2]、高壓內窺鏡、流態檢測系統、高速攝像系統、TLC頂部腐蝕檢測系統等。其中自主研發的高壓內窺鏡可以在溫度120 ℃、壓力3 MPa、3 m/s流速的嚴苛工作條件下，鏡體不發生晃動，能夠清晰分辨管道內流體流動狀態。通過不同視角的內窺鏡旋轉觀測，可以實現頂部冷凝狀況監測和高氣液比流態監測；自主研發的流態檢測系統可以在溫度120 ℃、壓力7 MPa的嚴苛工作條件下穩定運行，并且能夠有效識別含水率0～100%、含油率0～100%、含氣率0～90%的各類流體流型，包括段塞流、波狀流、層流、泡狀流等流型；自主研發的高速攝像系統由高速攝像機、工控機(內含軟件)、光照系統、鏡頭及高壓視鏡組成，拍攝管道內流態與流態檢測系統比對。自主研發的TLC頂部腐蝕檢測系統用于濕天然氣的氣相緩蝕劑效果，此設備帶有可觀測內部腐蝕的探頭。

2.5 PLC控制系統

系統由控制中樞PLC、監控組態軟件、實驗設備等部分組成，共同完成控，制、報警和存檔等功能，見自控流程圖如圖2所示。

圖2 自控流程圖

2.6 電氣系統

低壓開關柜：選用GCS抽出式開關柜，每個回路配置通訊模塊，方便與就地盤信號傳輸，實現遠程自動控制。

電纜：電力電纜及控制電纜采用交聯聚乙烯絕緣電纜，埋地電纜為鋼帶鎧裝電纜。照明、接地按照規范要求配備。

3 系統功能

可模擬輸送介質中含 CO2的濕氣、氣水和油氣水三相混輸海底管道，研究不同運行工況下、在不同結構(立管、彎管、水平管段、傾斜管段)位置處的腐蝕速率(電感探針、LPR探針、腐蝕掛片)、腐蝕形貌、CO2含量、pH值、壁面剪切力、氣體露點以及腐蝕機制；

可模擬海底管道實際運行狀態下，不同緩蝕劑加注方式、加注濃度條件下，海管內部結構位置處的腐蝕速率變化情況，評價緩蝕劑在海管內實際流動狀態下的對海管內部延緩腐蝕效果，也可擴展用于殺菌劑、防垢劑等藥劑的動態評價；

作為基礎試驗平臺，通過定制的試驗設計、裝置開發和改造，實現更多的試驗功能(如：管道新材料/新工藝/新技術的方案驗證、中試試驗、可靠性檢驗，例如定制試驗管段后可開展海管內涂層及節點補口技術在實際工況下耐輸送介質作用的可靠性檢驗；定制試驗管段后進行海管漏點修復新材料/新技術的可靠性檢驗)。

4 能耗

主要能耗為電力、自來水、氮氣和二氧化碳等，最大電耗：10 824 kW·h/d，油耗 0～1.5 t/次，水耗：24 t/d，氮氣用量：0～1 000 Nm3/次，二氧化碳用量： 0～800 Nm3/次。

實驗運行過程中主要能耗來源于三部分：(1)壓縮機、泵、電加熱器、涼水塔、自控系統、照明系統、電伴熱等設備用電；(2)冷卻用循環水；(3)實驗用白油、N2、CO2、水源。

5 廢氣、廢液排放

腐蝕評價系統的廢氣排放主要來自各個容器的安全閥、呼吸閥的排放以及揮發的氣體，其中高壓氣體緩沖罐安全閥按照堵塞工況考慮，泄放量最大，泄放量為10 000 Nm3/h。

腐蝕評價系統的廢液主要來自試驗污水、污油以及清洗廢水。其中污水、清洗廢水排放至污水收集罐，陶瓷膜過濾合格后排放；污油排放至污水收集罐，未添加化學藥劑的油品回收至油儲罐，添加化學藥劑的油品返回油化公司集中處理。

6 結語

深水多相流動動態腐蝕評價系統依托海油發展管道公司塘沽基地建設，將圍繞困擾近海及深水油氣田開發中的多相流動動態腐蝕等巨大挑戰，立足自主創新，從理論、創新技術研發和現場應用技術等方面入手，穩步攻破制約海上油氣田安全開發和運行的流動安全技術難題。

深水多相流動動態腐蝕評價系統是具有海洋石油特色的“國內領先、國際先進、開放流動”的深水多相流實驗平臺。利用平臺，開展針對油氣田多相動態腐蝕的系統研究，形成科學的評價技術和控制對策，解決制約海上油氣田安全開發和運行的流動安全技術瓶頸，為保障我國海上油氣田的安全運行提供技術手段和技術支撐。