基于變頻控制的多種藥劑精準(zhǔn)注入系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用*

馬 強,程 濤

(中海石油(中國)有限公司蓬勃作業(yè)公司，天津 300452)

腐蝕是一門應(yīng)用性很強的交叉學(xué)科，涉及金屬學(xué)、材料力學(xué)、電化學(xué)、物理化學(xué)、微生物化學(xué)和流體力學(xué)等學(xué)科[1]。管道腐蝕作為影響管道安全運營的重要因素，已經(jīng)成為海洋石油工業(yè)安全作業(yè)最關(guān)注的問題之一。管道腐蝕的影響因素很多，如細菌、溫度、流體成分及流速、外部環(huán)境等。從腐蝕部位來看，管道腐蝕可分為外腐蝕和內(nèi)腐蝕兩大類。管道外腐蝕主要由設(shè)計和施工質(zhì)量等影響因素決定;而內(nèi)腐蝕的影響因素較多，主要包括CO2/H2S腐蝕、垢下腐蝕和微生物腐蝕等[2]。針對管道內(nèi)腐蝕，通常采用藥劑注入的方式進行防護，需要將多種不同濃度的藥劑同時注入系統(tǒng)。近年來，某海上油田的地面管道和海底管道頻繁出現(xiàn)腐蝕穿孔現(xiàn)象。為了保障現(xiàn)場工作安全高效開展，開發(fā)了一套基于變頻控制的多種藥劑精準(zhǔn)注入系統(tǒng)，實現(xiàn)了多種藥劑的精準(zhǔn)注入，管道內(nèi)腐蝕治理效果顯著。

1 管道內(nèi)腐蝕機理

1.1 CO2/H2S腐蝕

CO2腐蝕和H2S腐蝕是管道內(nèi)腐蝕常見的兩種類型，也是管道設(shè)計時重點考慮的腐蝕因素。油田管道中存在單獨的CO2腐蝕環(huán)境，也存在CO2/H2S共同作用的腐蝕環(huán)境，但是尚未發(fā)現(xiàn)H2S單獨作用的環(huán)境[3]。當(dāng)油田管輸介質(zhì)中同時存在CO2和H2S時，其腐蝕機理隨著水質(zhì)、工況以及CO2和H2S含量的不同而不同。針對管道內(nèi)的CO2/H2S腐蝕，在進行清管作業(yè)的同時，通常采用注入緩蝕劑的方法來進行防護。

1.2 垢下腐蝕

垢下腐蝕是由管道內(nèi)表面沉積物產(chǎn)生的一種特殊的局部腐蝕形態(tài)，由于腐蝕產(chǎn)物的沉積作用，導(dǎo)致管道的垢下介質(zhì)組成與周圍介質(zhì)差別很大，形成阻塞電池腐蝕。

為了研究垢下腐蝕的規(guī)律，進行了不同位置的現(xiàn)場掛片試驗，如圖1所示。試驗周期為180 d，試驗后對試片進行處理和稱量，計算試片的腐蝕速率，試驗結(jié)果見表1。從表1可以看出，與浸泡在水體本身的試片相比，位于結(jié)垢處的試片腐蝕速率顯著增加，最大增加了480.3倍，平均增加了36.7倍。針對管道內(nèi)部發(fā)生的垢下腐蝕，通常采用加入阻垢劑、緩蝕劑和殺菌劑的方法來進行防護，同時配合清管作業(yè)。

圖1 不同位置的現(xiàn)場掛片試驗對比

表1 不同位置的現(xiàn)場掛片試驗結(jié)果

1.3 微生物腐蝕

微生物腐蝕是指微生物引起的腐蝕或受微生物影響而產(chǎn)生的腐蝕。油田管道微生物腐蝕主要是由硫酸鹽還原菌(SRB)生化反應(yīng)所造成的。在油田原油管輸過程中，當(dāng)管道中的介質(zhì)流速過低時，SRB很容易附著在管道內(nèi)壁上形成菌落，在貧氧和厭氧條件下，SRB均能生成H2S，與水結(jié)合后，對管道內(nèi)壁造成腐蝕。垢下腐蝕與SRB密切相關(guān)，腐蝕產(chǎn)物沉積形成垢層，SRB在垢下生長繁殖。垢層為細菌的生長繁殖提供了一定的保護，垢層的致密性影響殺菌劑的殺菌效果[4]。通常在抑制微生物腐蝕時應(yīng)先采取防垢措施，然后再進行清管作業(yè)和殺菌劑注入操作。

2 管道內(nèi)腐蝕控制措施及存在問題

對油田腐蝕掛片進行宏觀觀察(見圖2)，再結(jié)合現(xiàn)場腐蝕管段的具體情況進行分析發(fā)現(xiàn)，管道腐蝕穿孔主要發(fā)生在管道的結(jié)垢部位。通過腐蝕機理分析可以得出，垢與SRB的共同作用是造成管道內(nèi)腐蝕的重要原因，因此防垢和殺菌是解決問題的關(guān)鍵[5]。油田在進行藥劑評選后，應(yīng)盡快確定合理的藥劑注入種類和濃度，多措并舉方能解決腐蝕問題。

圖2 油田腐蝕掛片宏觀形貌

油田現(xiàn)場的常規(guī)藥劑注入，主要包括單井注入及海底管道常規(guī)注入，達到緩蝕、殺菌和防垢等保護管線的目的。針對海底管道的清管作業(yè)，除了采用物理清垢措施之外，還需要清除垢下細菌和對管道進行預(yù)膜處理。常規(guī)的藥劑注入系統(tǒng)多采用大排量沖擊的加注方式，采用人工手動調(diào)節(jié)藥劑注入量，操作不便，無法滿足現(xiàn)場的藥劑注入要求。如果采取臨時改造的方式，則需要連接多條軟管，占用多臺備用泵或在用泵的資源，工作量大，操作風(fēng)險高，也不能從根本上解決問題。因此迫切需要開發(fā)一套能夠?qū)崿F(xiàn)多種藥劑精準(zhǔn)注入的藥劑注入系統(tǒng)，達到腐蝕控制要求。

3 系統(tǒng)的開發(fā)

針對傳統(tǒng)藥劑注入系統(tǒng)的局限，通過調(diào)研、可行性分析和效果預(yù)估等工作，開發(fā)了基于變頻控制的多種藥劑精準(zhǔn)注入系統(tǒng)，其特點在于：藥劑注入量調(diào)節(jié)范圍大，可實現(xiàn)多種藥劑的精準(zhǔn)注入，具備設(shè)備遠程啟停、流量實時監(jiān)控等功能[6]。該系統(tǒng)的開發(fā)需要工藝、儀表、電氣和機械等專業(yè)的深度介入和通力協(xié)作，在系統(tǒng)的調(diào)試和運行過程中，應(yīng)注意各專業(yè)的設(shè)計要點。

3.1 工藝設(shè)計要點

(1)在藥劑罐出口管線處安裝過濾器，方便檢查及更換，同時保證藥劑注入的品質(zhì)。

(2)在泵出口處增加蓄能器，保證柱塞泵運轉(zhuǎn)期間出口壓力的穩(wěn)定。

(3)在泵進出口處增加排氣及泄放口，以保障計量的可靠性和保護儀表，同時在管道拐彎處增加防沖擊封頭，避免管道拐彎處遭受流體沖擊，引起管道可靠性下降。管路部分現(xiàn)場改造工藝流程見圖3。

圖3 管路部分改造工藝流程

3.2 儀表設(shè)計要點

(1)在泵出口處設(shè)有高低壓開關(guān)，以便在管道泄漏及高低壓異常狀態(tài)時對其進行保護。目前依據(jù)原油海底管道的實際工況，設(shè)定高低壓保護點為低壓1.0 MPa，高壓3.5 MPa。

(2)在泵出口處增加流量計，通過中控系統(tǒng)可實時監(jiān)控泵的運行情況，再結(jié)合變頻控制的操作模式，可以更為準(zhǔn)確和方便地對藥劑注入量進行調(diào)整，改變了常規(guī)藥劑泵需要進行現(xiàn)場標(biāo)定的工作模式。經(jīng)過綜合測試，該藥劑泵在頻率 33 Hz 下流量為12 L/min，可以滿足現(xiàn)場藥劑注入要求。

3.3 電氣設(shè)計要點

(1)確定了系統(tǒng)的核心驅(qū)動模式為變頻電機驅(qū)動，選用變頻電機及變頻控制器進行電控對接[7]。

(2)設(shè)計了完整的控制線路，增加了啟停保護、遠程控制、流量調(diào)節(jié)等功能，簡化了現(xiàn)場操作。電氣部分線路改造見圖4。

圖4 電氣部分線路改造

3.4 機械設(shè)計要點

根據(jù)現(xiàn)場需求，選擇三缸柱塞泵作為系統(tǒng)的設(shè)備主體部分。該泵無需沖程調(diào)節(jié)，流量調(diào)節(jié)范圍大(0～23 L/min)，同時也具有敞開式和密閉式系統(tǒng)的殺菌劑(兩種型號)注入、海底油氣混輸管道的殺菌劑(兩種型號)注入以及緩蝕劑(兩種型號)的大排量沖擊加藥等功能，共包括8種藥劑注入模式(包括沖洗置換藥劑)，可實現(xiàn)自由切換。

4 系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，海底油氣混輸管道在完成清管作業(yè)后，需往管道內(nèi)加注殺菌劑，之后再加緩蝕劑進行預(yù)膜。在現(xiàn)場藥劑加注過程中，當(dāng)殺菌劑和緩蝕劑配伍性較差時，兩者混合后通常會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成絮狀物，堵塞管道。因此，在藥劑注入過程中，一定要注意殺菌劑和緩蝕劑兩者的配伍性問題，為了不影響到各自的使用效果，加注殺菌劑后需要對管路進行清洗置換,然后再進行緩蝕劑注入操作。

在渤海油田首次采用了基于變頻控制的多種藥劑精準(zhǔn)注入系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場的實際工況，切換不同的藥劑注入模式，及時調(diào)整和鎖定系統(tǒng)的運行頻率。現(xiàn)場應(yīng)用實踐表明：系統(tǒng)使用效果明顯，全年累計可節(jié)省8 300人工時，減少吊裝次數(shù)108次，降低電耗9 000 kWh；管道中的SRB數(shù)量得到有效控制(見圖5)，維持在6～25個/mL，滿足系統(tǒng)要求指標(biāo)(小于30個/mL)。

圖5 管道中的SRB數(shù)量控制情況

5 結(jié)束語

與常規(guī)藥劑注入系統(tǒng)相比，基于變頻控制的多種藥劑精準(zhǔn)注入系統(tǒng)利用變頻控制模式實現(xiàn)了遠程控制，改變了常規(guī)的現(xiàn)場標(biāo)定方式，無需手動調(diào)節(jié)流量，減少了現(xiàn)場人力，降低了操作風(fēng)險，更加準(zhǔn)確和高效。該系統(tǒng)在渤海油田首次使用效果顯著，全年累計可節(jié)省8 300人工時，減少吊裝次數(shù)108次，降低電耗9 000 kWh；管道中的SRB數(shù)量得到有效控制，維持在6～25個/mL，滿足系統(tǒng)要求指標(biāo)。該系統(tǒng)在海洋石油工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。