含硫濕氣管道的內腐蝕直接評價方法

趙 鵬,葛鵬莉,賈旭東,馬智華

(1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司石油工程技術研究院,烏魯木齊 830011;2.中國石油化工股份有限公司縫洞型油藏提高采收率重點實驗室,烏魯木齊 830011)

近年來,天然氣的需求不斷提升,管道輸送作為天然氣輸送的主要方式,其服役安全受到廣泛關注,尤其是含硫濕氣管道,其輸送介質具有極強的腐蝕性,一旦泄漏會引起環境污染,甚至會對生命健康造成威脅。由于管道內檢測成本高,且部分管道無法實現內檢測,因此,引入內腐蝕直接評價方法,可實現對管道全線的內腐蝕風險評價[1-5]。謝飛等[6]采用電化學測試和數值模擬方法研究發現電化學腐蝕在天然氣管道中占主導,提出了改進的內腐蝕直接評價方法,并在盤錦某天然氣管道上得到了有效應用。朱方輝等[7]基于長慶氣田集輸管道建立了三維流型分布圖,并優化了腐蝕預測模型,應用結果表明預測結果精度更高。汪江斌等[8]采用建立的多相流內腐蝕評價模型,對海底管線進行腐蝕預測和高風險段識別,并驗證了評價結果的有效性。王凱等[9]以多相混輸海底管道工況為基礎,通過數值模擬和試驗研究,驗證了多相流管道內腐蝕直接評價方法(MP-ICDA)得出的結果具有重要的參考價值。葛揚志等[10]采用WG-ICDA評價CO2多相流海底管道,并通過改進的NORSOK模型提升了CO2腐蝕預測結果的準確性。目前,濕氣管道直接評價方法仍無法實現含硫濕氣管道風險段的準確判斷,由于濕天然氣在輸送過程中易在管道低洼段形成積液,同時含有H2S和CO2,增大了管道腐蝕風險。因此,筆者采用數值模擬方法對WG-ICDA中的間接評價過程進行優化,并應用于塔河某含硫濕氣管道進行驗證,以期提升WG-ICDA評價結果的準確性。

1 預評價

預評價包括收集與內腐蝕評價相關的管道運行數據,確定WG-ICDA是否適用于管道段的評價。以塔河某濕氣管道為例進行評價研究,管道運行數據見表1,高程里程數據見表2,由采集的數據分析可知,該管道內腐蝕以H2S/CO2腐蝕為主。由于管道較長且高程變化大,無法實現管道全線的內檢測,采用內腐蝕直接評價方法,管道基本資料收集齊全,具備WG-ICDA評價條件。

表1 管道運行數據

表2 高程里程

2 間接評價

間接評價過程是管道直接評價的重要環節,提高間接評價水平,增強腐蝕速率預測的準確性,優化風險段劃分依據,盡量減少直接評價中檢測點選取的數量,可有效降低成本。

2.1 腐蝕速率預測

基于管道運行數據,半經驗模型De Weard 95更適合該濕氣管道的腐蝕預測,但De Weard 95模型腐蝕速率預測未考慮H2S的影響[11-13]。因此,結合WG Intetech公司的Electronic Corrosion Engineer(簡稱ECE)軟件模擬分析H2S腐蝕,并對De Weard 95模型進行優化。De Weard 95表達式見式(1)

(1)

式中:Vcorr為腐蝕速率,mm/a;t為溫度,℃;PCO2為CO2分壓,MPa;pHactual為實際pH;U為液相流速,m/s;d為管內徑,m。

采用LedaFlow軟件建模,對管道運行工況進行模擬分析,管道運行24 h后,基本達到穩定狀態。通過LedaFlow軟件可以得到管道任意時刻任意位置的狀態參數,包括壓力、溫度、持液率、流型等,同時可以通過三維結果確定管道內部積液分布特點(見圖1)。這些參數為后續的腐蝕速率預測及判斷風險點提供了重要依據。

圖1 三維模擬圖Fig.1 Three dimensional simulation diagram

由圖1可知,在管道低洼處形成積液,腐蝕速率受積液的影響相對較大,最小腐蝕速率和最大腐蝕速率均出現在積液段,而連續積液段的腐蝕速率比無積液段更小,這與連續積液的緩沖作用有關,在積液的包圍下,腐蝕性介質很難與管壁直接接觸,從而對管壁起到一定的保護作用;當積液段不連續時,天然氣中的H2S和CO2等腐蝕性物質溶于積液中,且在壓力和溫度發生變化時,流體擾動加劇,反應加速,釋放出更多的H+,降低了積液的pH,提高了管壁的腐蝕速率。因此,在間接評價過程中,不僅要考慮高程變化和沿線流態變化,還要考慮積液的影響,從而更加科學合理地劃分ICDA子區間。

采用Electronic Corrosion Engineer軟件建模,如圖2所示,通過軟件建立有H2S參與和無H2S參與兩種條件下的模型,預測結果表明,有H2S參與的情況下,管道前半段的腐蝕速率稍有下降,而后半段管道的腐蝕速率稍有上升。

圖2 腐蝕速率預測圖Fig.2 Corrosion rate prediction diagram

由于H2S的影響過程相對復雜,通過計算得到H2S影響差值,采用非線性曲線擬合方法中的玻爾茲曼公式,結合Levenberg-Marquardt優化算法得到H2S影響擬合值,擬合公式如式(2)所示:

(2)

式中:A1為初始值;A2為最終值;x0為中心值;dx時間常量;x為里程,m;y為H2S影響擬合值,mm/a。

將擬合結果(見圖2)與De Weard 95預測結果相加得到優化后的De Weard 95預測值,同時考慮了H2S和CO2對管道腐蝕的影響,最終得到管道沿線腐蝕速率,提高了腐蝕速率預測的準確性。

2.2 ICDA子區優化

根據沿線流態、高程變化和社會因素對管道進行ICDA子區劃分,結合腐蝕速率預測結果優化ICDA子區間。子區指受流體模式類型和高程限制,并考慮了腐蝕速率預測結果和社會因素的連續管段,如圖3所示:Ⅰ區為管道起點處～7 000 m,劃分依據為波狀分層流區,腐蝕速率波動較小,均在0.09 mm/a以下;Ⅱ區為7 000～11 100 m,劃分依據為段塞流區,高程起伏較大,腐蝕速率在段塞流附近升高,最高達到0.33 mm/a;Ⅲ區為11 100 m～管道終點處,劃分依據為人口密集區,存在較大的上坡段,容易形成積液,該部位腐蝕速率局部升高,為0.02～0.31 mm/a。可以看出,經過調整的ICDA子區僅有三個,能有效減少檢測推薦點數,從而降低檢測成本。

圖3 ICDA子區分布圖Fig.3 ICDA sub-differentiation layout

2.3 直接檢測點優選

直接檢測的主要目的是對評價結果進行驗證,合理選擇檢測點有利于提高管道內腐蝕直接評價結果的可靠性。直接檢測點的選取原則是:根據子區劃分特點,選擇合適的檢測點數,優先選擇腐蝕速率預測值較高的點,同時考慮子區內介質流態和高程發生突變的位置,這些位置是管道腐蝕的薄弱部位,綜合多因素初選檢測點。

實際檢測過程中,檢測點位置受到多種因素的影響,要根據管道所處的地面情況,進行檢測可行性分析,并對檢測點復核、微調,原則上保證檢測點具有代表性,并采用合適的手段進行檢測。

為了對管道全線進行全面合理評價,在檢測點選擇上,可適當添加少量腐蝕速率預測值較低的點,以便確定管道全線的腐蝕狀態,最終選擇8處檢測點,位置及信息如表3所示。表中里程為至起點的距離,其中,Ⅰ區整體腐蝕速率較低,選取兩處檢測點;Ⅱ區腐蝕速率預測值波動較大,且出現高程突變和段塞流,腐蝕風險較高,選取四處檢測點;Ⅲ區位于人口密集區,存在較長的上坡段,腐蝕速率明顯升高,選取兩處檢測點。

表3 檢測點的基本情況

3 直接評價

直接評價主要是對管道具有高腐蝕風險和少數低腐蝕風險的區域進行詳細檢測。管道內檢測是涉及識別和表征內部缺陷或壁厚損失的無損檢測方法。詳細檢測結果與間接評價結果相結合,可以進一步確定評價位置的優先級,從而提升管道內腐蝕整體的評價水平。

目前,國內外檢測技術主要有數字射線檢測技術[14]、渦流檢測技術[15]、漏磁檢測技術[16]、超聲波檢測技術[17]、超聲C掃描[18]、導波技術[19]和金屬磁記憶檢測[20]等。綜合考慮檢測對象、檢測環境及各檢測方法的技術特點,采用MTM金屬磁記憶檢測技術進行檢測。由圖4可見:檢測結果和與推薦檢測點情況相符,其中,檢測風險點與推薦檢測點對應率達到83.3%,已失效位置與推薦檢測點對應率達到75.0%,這進一步證明了優化后的腐蝕數據預測值準確度高,能反映現場腐蝕情況,對提高濕氣管道內腐蝕直接評價水平具有重要意義。

圖4 檢測結果圖Fig.4 Test result chart

4 后評價

后評價是對預評價、間接評價和直接評價收集的數據進行分析,總體上對WG-ICDA流程的有效性進行評估,根據不同的風險等級采取相應的腐蝕控制和防護措施。

通過對預評價收集的管道運行數據、間接評價過程優化的腐蝕速率預測值和直接評價的檢測結果及已失效數據進行分析,優化后的腐蝕速率預測值與檢測結果吻合度良好,已失效數據均位于腐蝕速率預測值較高的位置,表明選取的評價模型適用于塔河油田濕氣管道的內腐蝕直接評價。研究管道于2011年投產運行,基于目前的預測值,假設該濕氣管道按當前最高腐蝕速率繼續發展,預估其剩余壽命為7 a,按照管道剩余壽命的一半確定再評價周期為3.5 a。

5 優化后的評價方法

基于濕氣管道內腐蝕直接評價方法(WG-ICDA),采用改進的De Weard 95模型(見式3)對其間接評價過程進行優化,優化后的評價方法可拓展到含硫濕氣管道內腐蝕直接評價中,且形成如圖5所示的評價流程,適用于含有H2S的濕氣工況。

圖5 含硫濕氣管道內腐蝕直接評價方法Fig.5 Direct evaluation method of inner corrosion of sulfur-containing wet gas pipeline

(3)

6 結 論

(1) 對濕氣管道進行模擬研究發現,管道內腐蝕速率在積液部位波動較大,同時形成了段塞流,提高了管道的內腐蝕風險,管內積液為H2S/CO2腐蝕創造了條件。同時可以發現,當積液較多時,會形成連續的區域,其底部腐蝕較輕微,但邊緣處腐蝕較嚴重,這是由于積液起到一定的緩沖保護作用,避免了腐蝕性介質與管壁直接接觸;當積液段不連續時,受到管內壓力和溫度的影響,流體擾動加劇,反應加速,釋放出更多的H+,pH降低,腐蝕速率升高。因此,在研究濕氣管道內腐蝕過程中,積液的影響不容忽視。

(2) 通過ECE腐蝕預測結果對De Weard 95模型進行了改進,考慮了H2S/CO2腐蝕的影響,優化了ICDA子區劃分區間,結合直接評價結果和現場失效數據,結果表明:應用改進的De Weard 95模型進行腐蝕預測,明顯優于原有De Weard 95模型,同時驗證了不連續積液對腐蝕造成的影響大于連續積液。

(3) 采用改進的De Weard 95模型優化了濕氣管道內腐蝕直接評價方法(WG-ICDA)的間接評價過程,可拓展應用到含硫濕氣管道內腐蝕直接評價中,有效提升了含硫濕氣管道風險評價的準確性。