元壩氣田場站污水管道腐蝕機理及防腐對策研究*

龔小平,曾 力,陳 曦,曹 臻,柯玉彪,李 怡

(中國石化西南油氣分公司采氣二廠，四川 閬中 637402)

高含硫氣田的管道腐蝕泄漏不僅造成資源浪費和環(huán)境污染，而且造成人身傷亡和財產(chǎn)損失[1]。做好高含硫氣田“三防”措施(防堵、防漏和防腐)對保障管道平穩(wěn)運行至關(guān)重要。雖然國內(nèi)外學者對含硫氣田的管道腐蝕機理及腐蝕控制技術(shù)開展了大量的研究工作,但對含硫污水管道的腐蝕研究相對較少[2-4]。

2017年以來，元壩氣田硫含量較高，造成場站污水管道多次發(fā)生腐蝕穿孔。對元壩氣田場站污水管道腐蝕穿孔數(shù)量進行統(tǒng)計分析，在分析污水管道材質(zhì)和運行環(huán)境(氣體組分、產(chǎn)出水組分和運行工況等)的基礎(chǔ)上，從宏觀和微觀角度對污水管道腐蝕特征進行深入研究，揭示了污水管道腐蝕機理，并提出了含硫氣田污水管道防腐對策，為含硫氣田管道的安全平穩(wěn)運行提供了保障。

1 場站污水管道運行現(xiàn)狀

1.1 場站排污系統(tǒng)

元壩氣田采用改良的全濕氣加熱保溫混輸工藝，即“三級節(jié)流+兩級加熱”工藝，場站具有節(jié)流、分離、計量、加熱與外輸?shù)墓δ埽⒃O(shè)有發(fā)球筒和收球筒，具有發(fā)送及接收智能清管器的功能。場站排污管道位置布置見圖1。

元壩氣田場站在二級節(jié)流閥后設(shè)置分水分離器進行氣液分離，分離之后的污水通過排污管道(抗硫管材L360QS)輸送至火炬分液罐。高壓緩蝕劑加注口設(shè)置在分水分離器下游位置，而排污管道內(nèi)部未加注緩蝕劑，設(shè)計時考慮5年后對其進行整體更換，然而自2016年元壩氣田場站投運以來，排污管道已經(jīng)累計發(fā)生15次腐蝕穿孔，且穿孔主要發(fā)生在水平管道上(見表1)。元壩氣田YB-X1井于2018年3月12日整體更換污水管道，2個月后污水管道再次發(fā)生嚴重的腐蝕穿孔，其腐蝕速率高達27 mm/a，遠高于腐蝕控制指標 0.076 mm/a。

表1 污水管道腐蝕穿孔情況統(tǒng)計

1.2 污水管道材質(zhì)及性能

元壩氣田污水管道材質(zhì)為抗硫無縫鋼管L360QS，采用PMI-MASTRT Smart便攜式光譜儀對污水管道母材進行化學成分分析，檢測結(jié)果見表2。由表2可知，其材質(zhì)成分符合抗硫碳鋼的相關(guān)標準要求。L360QS力學性能：屈服強度 360～460 MPa，抗拉強度460～570 MPa，屈強比不大于0.9，延伸率不小于22%。

表2 污水管道材質(zhì)分析 w,%

1.3 污水管道運行環(huán)境

1.3.1 氣體組分

元壩氣田氣體組分見表3(2019年數(shù)據(jù))。從表3可以看出，氣體組分以CH4，H2S，CO2和N2為主，含有少量H2和C2H6，其中H2S的體積分數(shù)為4.612%～7.920%，CO2的體積分數(shù)為4.306%～5.882%，具有高含H2S和中含CO2的特征。由于氣體組分中H2S和CO2能夠溶于產(chǎn)出水，因此產(chǎn)出水中存在一定的溶解氣。

表3 元壩氣田氣體組分分析 φ，%

1.3.2 產(chǎn)出水組分

表4 元壩氣田產(chǎn)出水化學性質(zhì)

1.3.3 運行工況

元壩氣田場站分水分離器排污管道操作壓力為0.4 MPa，操作溫度為40 ℃，污水管道排液時壓力一般低于0.3 MPa，溫度低于 40 ℃。污水管道采用間歇性排液方式進行排液，只有當分水分離器的液位達到一定高度時才能進行排液操作，若液位過低，排液時污水可能會攜帶部分氣體組分通過排污管道輸送至火炬分液罐。

2 污水管道腐蝕特征分析

2.1 腐蝕穿孔宏觀形貌分析

元壩氣田場站污水管道累計發(fā)生15次腐蝕穿孔，且主要發(fā)生在水平管道的底部(14次)。污水管道腐蝕穿孔形貌如圖2所示，其外表面直徑一般小于1 cm，面積小于3 cm2。

圖2 污水管道腐蝕穿孔形貌

由圖2可見，點蝕集中于金屬表面的局部區(qū)域，并深入到金屬內(nèi)部形成蝕坑，進而擴展形成穿透孔。

2.2 腐蝕缺陷分析

選擇YB-X5井腐蝕穿孔管段進行腐蝕缺陷分析，采用“射線檢測+超聲導波+超聲測厚”方法進行檢測，檢測思路如下：(1)對腐蝕穿孔管段進行射線檢測和超聲導波檢測，識別缺陷具體位置。(2)采用超聲波測厚儀對識別出的缺陷位置進行精確測厚，確定缺陷位置的壁厚大小。(3)根據(jù)腐蝕缺陷位置分布及壁厚數(shù)據(jù)，繪制腐蝕缺陷分布圖(見圖3)。

圖3 腐蝕穿孔管段腐蝕缺陷分布

腐蝕缺陷檢測結(jié)果顯示：污水管道腐蝕嚴重，在腐蝕穿孔管段共發(fā)現(xiàn)17處腐蝕缺陷，且集中分布在水平管段底部，其中最小壁厚為1.72 mm。

2.3 微觀腐蝕形貌分析

選擇YB-X3井污水管道上點蝕嚴重的腐蝕掛片，進行微觀腐蝕形貌觀察，腐蝕掛片的微觀腐蝕形貌見圖4。從圖4來看，點蝕逐步擴大形成蝕坑，其中最大蝕坑長度為2.153 mm，寬度為 1.979 mm，深度為0.847 mm，通過腐蝕深度折算最大腐蝕速率達0.410 mm/a，遠超過腐蝕控制標準0.076 mm/a。

圖4 腐蝕掛片的微觀腐蝕形貌

3 腐蝕機理

高含硫氣田管道腐蝕以電化學腐蝕為主，元壩氣田污水管道運行環(huán)境中H2S含量較高,產(chǎn)出水離子礦化度差異較大,管道采用間歇性排液方式進行排液，其腐蝕機理主要包括以下5種。

3.1 靜態(tài)H2S-CO2液相腐蝕

靜態(tài)H2S-CO2液相腐蝕機理見圖5。H2S和CO2均可與碳鋼(主要是Fe元素)發(fā)生反應，產(chǎn)生析氫腐蝕，生成FexSy和FeCO3等腐蝕產(chǎn)物附著于基體表面，作為陰極與基體構(gòu)成一個腐蝕電池，繼續(xù)對基體進行腐蝕。CO2與H2S共存時會發(fā)生競爭協(xié)同作用，金屬的腐蝕主要受CO2濃度、H2S濃度、溫度和pH值等因素的影響，在不同條件下，其腐蝕程度和腐蝕產(chǎn)物膜的結(jié)構(gòu)性質(zhì)均有所不同[5-6]。

圖5 靜態(tài)H2S-CO2液相腐蝕機理

對YB-X3井腐蝕掛片上的腐蝕坑進行掃描電鏡觀察和能譜分析，腐蝕坑微觀形貌見圖6，能譜分析結(jié)果見圖7。從圖7可以看出，F(xiàn)e元素的質(zhì)量分數(shù)為59.52%，S元素的質(zhì)量分數(shù)為 7.49%，證實FexSy的存在，為典型的陽極反應產(chǎn)物，因此可以確定腐蝕坑是由H2S腐蝕過程中陽極鐵溶解所造成的。

圖6 腐蝕坑微觀形貌

圖7 腐蝕坑能譜分析

3.2 Cl-液相腐蝕

Cl-液相腐蝕機理見圖8。在H2S和CO2共存條件下，水中Cl-加劇管道腐蝕。Cl-具有半徑小、穿透能力強和易被金屬吸附的特征，可將金屬的鈍化態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榛罨瘧B(tài)。Cl-能夠優(yōu)先被金屬吸附，可將金屬表面氧化膜中的氧排掉，并且可以取代吸附中的鈍化離子與金屬形成可溶性的氯化物，破壞有保護性的氧化膜，加劇腐蝕[7]。Pots等[8]指出，當Cl-質(zhì)量濃度超過臨界質(zhì)量濃度(10 000 mg/L)時，Cl-會破壞有保護性的FeS膜加劇金屬腐蝕。在YB-X1，YB-X3和YB-X4等發(fā)生管道腐蝕穿孔的氣井，Cl-質(zhì)量濃度高于20 000 mg/L，遠超過臨界質(zhì)量濃度，Cl-的存在加劇了管道腐蝕。

圖8 Cl-液相腐蝕機理

3.3 垢下腐蝕

垢下腐蝕在含硫氣田管道中比較常見[9]。由于受污水管道幾何形狀、腐蝕產(chǎn)物及沉積物的影響，污水在金屬表面的流動和電解質(zhì)的擴散受到限制，造成被阻塞的空腔內(nèi)污水化學成分和pH值發(fā)生較大變化，形成阻塞電池腐蝕；沉積物結(jié)垢后，產(chǎn)出水中的Cl-與OH-等腐蝕性離子在垢下富集，產(chǎn)生電化學腐蝕，導致金屬局部減薄，使管道發(fā)生穿孔泄漏。

3.4 酸液腐蝕

酸液腐蝕屬于析氫腐蝕，其腐蝕速率與金屬的析氫電位關(guān)系密切，酸液濃度升高會加速陰極反應，加大腐蝕速率。氣井投產(chǎn)初期，鉆井酸化壓裂返排液(含鹽酸、有機酸、添加劑和聚合物等)酸性較強，進入污水系統(tǒng)后對污水管道造成腐蝕。場站氣井已生產(chǎn)2～3年，酸化壓裂的殘酸返排液已基本排盡，對腐蝕影響較小。

3.5 局部腐蝕

在氣井間歇性排液過程中因壓力變化會造成液相中H2S和CO2含量升高，加劇管道腐蝕。另外，間歇性排液導致產(chǎn)出水中介質(zhì)分布不均勻，在管道與產(chǎn)出水的界面處形成電位差，使管道長期處于酸氣和酸液分布不均勻的氣液兩相腐蝕環(huán)境中，形成局部腐蝕電池，加速管道腐蝕穿孔[10]。

氣井產(chǎn)水量越高，排液越頻繁，腐蝕影響越大。按單口井產(chǎn)水量60 m3/d計算，分水分離器平均每小時排液3～4次，導致YB-X1，YB-X2和YB-X3等高產(chǎn)水氣井腐蝕嚴重。

4 防腐對策

4.1 L360QS+內(nèi)涂層+內(nèi)襯式滑套

管道內(nèi)涂層防護是一種能夠抑制管道腐蝕的方法，在未加緩蝕劑的情況下，可以考慮對原抗硫管材L360QS增加內(nèi)部涂層，減緩污水管道腐蝕。通過開展涂層耐酸和耐堿性能評價，優(yōu)選適合元壩氣田污水管道的涂層。由于部分管道需要現(xiàn)場焊接，焊口位置的涂層效果很難保障，因此需要在焊口位置增加內(nèi)襯式滑套，即對污水管道采取“內(nèi)涂層+內(nèi)襯式滑套”處理。

4.2 優(yōu)選管材

由于污水管道內(nèi)涂效果需要時間驗證，為了確保污水管道長期安全穩(wěn)定運行，建議優(yōu)選更適合元壩氣田的管材。目前元壩氣田能選用的管材主要包括316L，S31803，鎳基合金和復合管等，根據(jù)NACE MR0175/ISO 15156-3的規(guī)定，在溫度不超過 60 ℃，pH值不小于4.5時，316L可在H2S分壓1 MPa以下，Cl-質(zhì)量濃度50 000 mg/L以下的環(huán)境中使用，滿足元壩氣田的含硫環(huán)境要求，且價格比S31803和鎳基合金便宜，與復合管相比，其施工難度相對較小，因此可優(yōu)選316L作為污水管道的材質(zhì)。

4.3 加強污水管道腐蝕檢測

(1)優(yōu)化布置污水管道檢測點，將污水管道壁厚檢測位置由原來的“三通+彎頭”改為“水平段+豎直段+三通+彎頭”。(2)優(yōu)化檢測方法，采用“射線檢測+超聲導波+超聲測厚”方法對污水管道進行腐蝕缺陷檢測。該方法腐蝕缺陷檢出率較高，能夠準確識別管道內(nèi)部腐蝕缺陷位置，并能對缺陷具體位置進行精確測厚，檢測結(jié)果能為管道腐蝕分析提供依據(jù)。(3)優(yōu)化改造污水管道腐蝕監(jiān)測系統(tǒng)，在分水分離器底部排污管道閥套式排污閥下游增設(shè)腐蝕掛片(CC)和腐蝕探針(ER)等腐蝕監(jiān)測手段，以便對污水管道腐蝕進行在線監(jiān)測。

4.4 優(yōu)化緩蝕劑加注方式

試采地面集輸工程場站的污水管道有緩蝕劑保護，其腐蝕受控，表明緩蝕劑能夠起到有效保護管道的作用。建議元壩氣田場站優(yōu)化緩蝕劑加注方式，將緩蝕劑泵更換為高壓加注泵(40 MPa)，新增一根連接管線，使緩蝕劑能夠保護分水分離器后的排污管線。

5 結(jié) 論

(1)元壩氣田場站污水管道未加注緩蝕劑進行防護是管道腐蝕嚴重的直接原因，污水管道腐蝕穿孔主要分布在水平管段底部，其外觀呈圓形，直徑一般小于1 cm，面積小于3 cm2；管道腐蝕以點蝕為主，點蝕逐步擴大形成蝕坑,進而擴展形成穿透孔。

(2)污水管道腐蝕機理以H2S-CO2液相腐蝕、Cl-腐蝕和垢下腐蝕為主，高質(zhì)量濃度的Cl-加劇腐蝕。

(3)為有效抑制污水管道腐蝕，提出污水管道加內(nèi)涂層、優(yōu)選316L管材、加強污水管道腐蝕監(jiān)測和優(yōu)化緩蝕劑加注方式等防腐對策。