WZ11-1N至WZ11-1A海底管道清管作業(yè)中腐蝕數(shù)據(jù)的挖掘與分析

張 峙 鄒木森 趙杰瑛 胡徐彥 陶 濤

（中海石油（中國）有限公司湛江分公司潿洲作業(yè)公司，廣東 湛江 524000）

0 引言

WZ11-1N至WZ11-1A海底管道為8寸混輸雙層保溫管線，全長2.6Km，容積76.6m3，2008年投產(chǎn)。隨著服役年限的增加，海底管道內(nèi)部出現(xiàn)結(jié)垢情況，垢下腐蝕風(fēng)險(xiǎn)及微生物腐蝕風(fēng)險(xiǎn)日趨升高，目前，作業(yè)區(qū)采用定期清管的方法管控風(fēng)險(xiǎn)[1]。開展清管作業(yè)，一方面可有效提高管道輸送效率[2]；另一方面，清管作業(yè)配合化學(xué)藥劑共同作用也有效地降低微生物腐蝕（MIC）和垢下腐蝕對海底管道帶來的安全隱患[3,4]。然而，清管作業(yè)在完成清除沉積物和泥垢的同時(shí)，也對海管的腐蝕環(huán)境產(chǎn)生了重大影響。隨著清管作業(yè)的進(jìn)行，海管內(nèi)原有環(huán)境體系被清掉或重建，舊的腐蝕平衡被打破，甚至引入新的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)[5]。在清管作業(yè)過程中及作業(yè)前后會(huì)產(chǎn)生大量的腐蝕相關(guān)數(shù)據(jù)（如海底管道腐蝕工況數(shù)據(jù)、腐蝕檢測數(shù)據(jù)、清出物分析數(shù)據(jù)等）通過分析這類數(shù)據(jù)可以判斷海管面臨的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。但是，由于海上平臺(tái)現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境及常規(guī)取樣、檢測方法的準(zhǔn)確性和時(shí)效性的局限，這類數(shù)據(jù)的檢測與分析工作并未在清管作業(yè)過程中全面開展。本文介紹WZ11-1N至WZ11-1A海底管道清管作業(yè)前、中、后期采用新的測試裝備和測試方法對腐蝕相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘。通過分析腐蝕關(guān)鍵因子與海管內(nèi)腐蝕狀況的關(guān)聯(lián)性，準(zhǔn)確掌握海底管道內(nèi)腐蝕的真實(shí)狀況，由此調(diào)整和優(yōu)化下階段清管作業(yè)方法，為進(jìn)一步的腐蝕管理提供支持。

1 清管作業(yè)過程中腐蝕相關(guān)數(shù)據(jù)的采集

1.1 清管作業(yè)流程

WZ11-1N至WZ11-1A海底管道清管通球計(jì)劃為每月通一次泡沫球加直板球，日常使用化學(xué)藥劑為緩蝕劑。海底管道腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)的主要來源是掛片和探針。本次清管作業(yè)歷時(shí)3天，前后共完成6次發(fā)球作業(yè)。具體清管信息如表1所示。

1.2 腐蝕相關(guān)數(shù)據(jù)采集

為研究清管作業(yè)與海管腐蝕間的關(guān)聯(lián)作用，需收集分析清管作業(yè)前、中、后各類腐蝕相關(guān)數(shù)據(jù)的波動(dòng)情況，如海管溫度、壓力、腐蝕性介質(zhì)含量（CO2、H2S、總鐵、pH、溶解氧）、水質(zhì)成分、SRB含量、清出物成分等參數(shù)信息。常規(guī)的數(shù)據(jù)采集方法為：現(xiàn)場用容器收集原油樣品，期間使用氣體檢測管測量CO2、H2S含量，后將樣品送至實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分離、檢測，該方法在樣品收集期間容易被外部空氣污染，且由于海洋物流時(shí)間限制，樣品到達(dá)陸地實(shí)驗(yàn)室時(shí)已經(jīng)變質(zhì)，被污染和變質(zhì)的樣品檢測出的數(shù)據(jù)參考意義不大。本次清管作業(yè)前、中、后期的樣品收集和腐蝕性介質(zhì)含量的檢測過程均使用新型系統(tǒng)化設(shè)備在密閉的狀態(tài)下進(jìn)行，確保樣品不受污染，且CO2、H2S、鐵離子、Cl-、Ca2+、pH值、溶解氧、SRB、腐蝕速率等腐蝕相關(guān)數(shù)據(jù)均在海上平臺(tái)現(xiàn)場進(jìn)行檢測，規(guī)避了樣品長時(shí)間存放變質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 清管信息表

2 清管作業(yè)過程中腐蝕相關(guān)數(shù)據(jù)的分析

本次清管作業(yè)中獲取的數(shù)據(jù)類型主要分為三類：（1）生產(chǎn)數(shù)據(jù)，包括溫度、壓力、流量、含水率；（2）現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)，包括CO2/H2S含量、總鐵含量、pH、溶解氧含量、SRB含量；（3）實(shí)驗(yàn)室檢測分析數(shù)據(jù)，包括清出物成分分析及化學(xué)藥劑性能測試等。

2.1 生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析

現(xiàn)場生產(chǎn)工況參數(shù)對海管腐蝕具有較大的影響，如溫度、壓力、流速、含水率等。有研究表明，在一定溫度區(qū)間內(nèi)（60～80℃）金屬材料均勻腐蝕速率較高。CO2分壓大于0.2MPa局部腐蝕風(fēng)險(xiǎn)增加。低流速易造成部分位置積水和固相沉積，加劇積水部位腐蝕和垢下腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，利于細(xì)菌滋生和細(xì)菌腐蝕；偶然出現(xiàn)高流速，易導(dǎo)致沖刷腐蝕。海管含水量增大會(huì)增加管道腐蝕，同時(shí)對緩蝕劑的要求也更嚴(yán)格。本次清管作業(yè)中采集到的相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)如下。

圖1 清管作業(yè)過程中海管溫度變化

由圖1所示，在線清管時(shí)，海底管道溫度保持在72℃左右，入口端和出口端溫差很小。海水掃線時(shí)，海底管道溫度明顯降低，同時(shí)在第三次通球（110%ID泡沫鋼刷球）時(shí)，海底管道出入口溫差增大。

圖2 清管作業(yè)過程中海管壓力變化

由圖2所示，在清管作業(yè)過程中，隨著管道內(nèi)的沉淀物及腐蝕產(chǎn)物的清出，管道壓力會(huì)逐步減緩，清管過程中不斷清理出沉淀物和腐蝕產(chǎn)物對服役管道存在較大的壓力行為，清理出沉淀物和腐蝕產(chǎn)物可緩解管道的服役應(yīng)力條件。

2.2 現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)分析

本次清管作業(yè)過程中在海上平臺(tái)現(xiàn)場檢測了CO2/H2S含量、總鐵含量、pH值、溶解氧含量、SRB含量等影響海底管道內(nèi)腐蝕的關(guān)鍵因子。檢測分析結(jié)果如下。

圖3 清管作業(yè)過程中CO2含量變化

圖4 清管作業(yè)過程中H2S含量變化

當(dāng)CO2和H2S存在時(shí)會(huì)導(dǎo)致碳鋼表面發(fā)生陰極析氫反應(yīng)，從而對海管腐蝕行為造成影響[6,7]。由圖3和圖4所示，CO2含量在1.2%～3%范圍內(nèi)，H2S含量在550～1200ppm范圍內(nèi)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷，PCO2/PH2S＞500，海管腐蝕以CO2腐蝕為主。

圖5 清管作業(yè)過程中總鐵含量變化

如圖5所示，每次收球后，總鐵含量明顯增加，直板球清出腐蝕沉積物效果明顯。第五次和第六次通球開始，海管出入口總鐵差值呈下降趨勢，可以預(yù)見復(fù)產(chǎn)后海管內(nèi)總鐵含量進(jìn)一步降低，清管作用明顯。

如圖6所示，清管作業(yè)過程中每次通球?qū)５坠艿纼?nèi)pH值影響不大，pH值一直在7.0～8.0范圍內(nèi)波動(dòng)。

如圖7所示，清管作業(yè)采取海水掃線形式時(shí)，海底管道內(nèi)溶解氧含量明顯增加，判斷海水掃線時(shí)將海水中的溶解氧引入海底管道。實(shí)驗(yàn)表明，在相同的環(huán)境下，O2引起的碳鋼腐蝕速率約為CO2或H2S引起腐蝕速率的十倍[8]。因此需考慮解決海水掃線時(shí)將溶解氧引入海底管道的問題。

圖6 清管作業(yè)過程中pH值變化

圖7 清管作業(yè)過程中溶解氧含量變化

圖8 清管作業(yè)過程中SRB數(shù)量變化

如圖8所示，清管作業(yè)過程中檢測出SRB，表明該海底管道存在細(xì)菌腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，需采取必要措施（如加注殺菌劑等）規(guī)避。

2.3 實(shí)驗(yàn)室檢測數(shù)據(jù)分析

由于海上平臺(tái)現(xiàn)場條件限制，需采用大型檢測設(shè)備檢測的數(shù)據(jù)（如清出物成分分析、化學(xué)藥劑效果評價(jià)等）要在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行檢測分析。

圖9 清管作業(yè)過程中清出物及其成分分析

六次通球作業(yè)共計(jì)清出物重量為41kg，通直板球得到得清出物最多，為25kg。所有清管球表面狀態(tài)良好，表明通過性良好。由圖9（b）所示，清出物中的無機(jī)物成分主要是FeS、BaSO4、FeCO3、CaCO3、FePO4；有機(jī)物主要為為飽和烴、非烴、瀝青質(zhì)等。從清出物成分可以看出，海管輸送水質(zhì)存在一定的結(jié)垢傾向，導(dǎo)致BaSO4和CaCO3的結(jié)垢沉積。

本次清管作業(yè)過程中海底管道內(nèi)加注了HYZ-111型原油阻垢劑和YFHS-202型原油緩蝕劑。為了檢測化學(xué)藥劑效果，針對現(xiàn)場取回的介質(zhì)開展了電化學(xué)模擬實(shí)驗(yàn)。

圖10 清管作業(yè)不同階段腐蝕電化學(xué)曲線

如圖10所示，在第三球、第四球、第五球清管過程中，其自腐蝕電位較正，自腐蝕電流密度較大，表現(xiàn)出較大的腐蝕速率，這是由于第三球、第四球、第五球?yàn)楹Ｋ畳呔€，現(xiàn)場沒有加注藥劑。同時(shí)在海水掃線過程中，氧氣會(huì)伴隨著海水進(jìn)入管道，增加了管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。到第六球時(shí)，在海管中加注緩蝕劑，但是通過極化曲線看出其仍然表現(xiàn)出較大的腐蝕速率，這是由于在溶解氧含量的增加的情況下加注原劑量緩蝕劑并沒有起到原有設(shè)定抑制腐蝕的效果，腐蝕速率加快。

3 總結(jié)與建議

通過清管作業(yè)過程中對海底管道的溫度、壓力、CO2含量、H2S含量的檢測，發(fā)現(xiàn)這四種參數(shù)相對穩(wěn)定，海底管道出入口差值較小。主要原因是WZ11-1N至WZ11-1A海底管道總長較短（2.6km）流態(tài)相對穩(wěn)定。但對于中長距離的海底管道，要持續(xù)密切檢測溫度、壓力、CO2含量、H2S含量、pH值的變化，通過分析這些數(shù)據(jù)來確定管道是否跨越腐蝕敏感溫度區(qū)域。

通過對海底管道出入口SRB檢測分析（圖9）可知管道存在SRB，但是正常狀態(tài)下量相對較小，清管作業(yè)期間SRB含量先增大后減小。六次通球過程，每次都能清出重量不等的砂垢，表明該海底管道存在垢下腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)。建議堅(jiān)持清管，對清出物特別是砂含量、粒徑進(jìn)行分析及持續(xù)跟蹤；如果采用海水清管，除監(jiān)測SRB含量外，還應(yīng)對TGB、FB進(jìn)行檢測，明確菌種；海底管道運(yùn)行過程中應(yīng)注入殺菌劑抑制鐵細(xì)菌產(chǎn)生。

表2 電化學(xué)測試分析結(jié)果

采用海水掃線的方式清管時(shí)海底管道內(nèi)的溶解氧含量增加，由于管道中還存在著CO2和H2S，可能和吸氧腐蝕存在協(xié)同作用[9]。有研究表明，當(dāng)CO2、H2S及O2同時(shí)在腐蝕環(huán)境中時(shí)，會(huì)出現(xiàn)CO2、H2S引起的析氫腐蝕和O2引起的吸氧腐蝕兩種陰極過程，這兩種陰極過程的存在會(huì)加速腐蝕效應(yīng)[10]，造成嚴(yán)重的腐蝕。有學(xué)者對O2、CO2及CO2-O2共存環(huán)境下3Cr鋼平均腐蝕速率進(jìn)行研究[8]，結(jié)果表明，3Cr鋼在CO2-O2環(huán)境下的腐蝕速率是在O2和CO2環(huán)境下腐蝕速率的10倍～15倍。因此在采用海水掃線清管時(shí)，必須采用脫氧劑，消耗海水中的溶解氧。常規(guī)脫氧劑主要成分為磷酸系列，暴氧環(huán)境下失效速度很快，在加注環(huán)節(jié)也應(yīng)考慮避免污染，如有條件，可考慮在平臺(tái)現(xiàn)場配置脫氧劑。

由于清管作業(yè)引入新的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，建議在清管作業(yè)過程中依據(jù)現(xiàn)場探針數(shù)據(jù)綜合分析，適量增加緩蝕劑的加注量，常規(guī)認(rèn)識是加注量為平時(shí)3～5倍。

4 結(jié)論

（1）通過開展海管清管過程中腐蝕監(jiān)測數(shù)據(jù)的挖掘與分析，摸索了海管清管作業(yè)中腐蝕相關(guān)監(jiān)測的業(yè)務(wù)開展模式：采用現(xiàn)場快速測試和實(shí)驗(yàn)室檢測相結(jié)合的數(shù)據(jù)采集方式，利用專業(yè)團(tuán)隊(duì)和專業(yè)軟件的數(shù)據(jù)整理，開展“專業(yè)技術(shù)+經(jīng)驗(yàn)”的數(shù)據(jù)挖掘分析，總結(jié)工作成果，為現(xiàn)場提供有效的清管工藝建議、藥劑加注建議、管理建議等；

（2）明確了海管清管過程中的腐蝕檢測指標(biāo)，包括：CO2、H2S、SRB、Fe2+、pH值、溶解氧、結(jié)垢關(guān)鍵離子、藥劑評價(jià)、砂分析等。根據(jù)數(shù)據(jù)作用的不同可將以上指標(biāo)排序?yàn)椤?/p>

核心參數(shù)：藥劑評價(jià)、SRB、溶解氧（如引入海水）。

重要參數(shù)：結(jié)垢關(guān)鍵離子、Fe離子、砂分析。

一般參數(shù)：CO2、H2S、pH值。