油气田腐蚀监测技术及设计应用.pdf

2 0 1 4年 第 2 8卷 第 4期 石油仪器 PETRoLEUM I NSTRUM ENI S 49 方法研究 油气 田腐蚀监测技术及设计应用 龚秋红 韩玮男 敬 杰 徐 勇 张在丽 王国舜 中石化江汉石油工程设计有限公司 湖北 武汉 摘 要 在 目前石油天然气工业腐蚀问题 日益突出的状况下， 对油气田设备和管道的腐蚀监测工作就显得尤为重要。文章对 多种石油腐蚀检测技术进行 了详细对比分析， 根据其不同特点， 合理选择并科学设计腐蚀监测系统， 能够及时有效的预见生产中 存在的安全隐患， 减少不必要的损失。根据 目 前部分油气田腐蚀监测系统建设情况， 对腐蚀监测技 术的发展趋势和应用前景进 行了展望， 并总结提出了实际应用中的关键环节。 关 键 词 腐蚀 ； 监测； 设计 ； 应用 系统 中图法分类号 T E 9 8 8 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 49 1 3 4 2 0 1 4 0 40 0 4 9 0 3 0 引 言 油气 田日常生产 中会产生含有大量杂质 的污水， 污水中含有的氯离子、 二氧化碳、 硫化氢、 溶解氧、 细菌 等腐蚀介质 ， 会对金属设备和管道产生腐蚀 ； 另外 ， 最 近几年各油气 田天然气产量不断增加 ， 天然气 中的二 氧化碳 、 硫化氢等腐蚀介质对设备 的腐蚀危 害也 日益 严重 。在 日常生产 中， 如果不对设备 的腐蚀过程进行 监测 ， 不了解设备的腐蚀状态 ， 对设备腐蚀造成的安全 隐患就不能进行科学的、 有预见性的判断， 大大增加了 安全事故发生的可能性。为避免腐蚀造成的损失 ， 各 油气田相关单位普遍采取加注缓蚀剂 的措施来控制设 备 的腐蚀 ， 通过腐蚀监测可以评定缓蚀剂效率 ， 筛选缓 蚀剂的合适浓度 ， 了解在缓蚀剂不断损耗过程 中的金 属的腐蚀速率变化过程 ， 评定缓蚀剂的作用过程及失 效时间。腐蚀监测技术就是 在油气 田 日常生产运行 中， 对生产设备及管线的腐蚀形态 、 腐蚀速率等情况进 行系统测试， 以便采取各种措施延长设备使用寿命 、 合 理使 用 缓 蚀 剂 、 预 防 重 大 安 全 事 故 发 生 的 技 术 手段 、 。 1 腐蚀 监测技 术 1 ． 1 挂片失重法 失重法是工业上最常用 、 最经典 的腐蚀监测技术。 其基本测量原理就是失重， 在一定的暴露时间内发生 的重量损失就是腐蚀速率。把已知重量的金属试片放 入腐蚀介质中， 经过已知的时间周期取出清洗后称重， 根据试样质量变化测量出平均腐蚀速率。其优点是 1 可用于所有环境 气体 、 液体 、 固体／ 颗粒流体 ； 2 试 片取出后可以观察试片表面形状， 分析表面腐蚀产物， 从而确定腐蚀的类型。其缺点是 1 测量周期长 ； 2 通 过挂片法得到的数据反映的是腐蚀发生 的结果 ， 不能 反映腐蚀过程中金属腐蚀速率 的变化趋势； 3 无 法反 映工艺参数的快速变化对腐蚀速率的影响 0 ] 。 1 ． 2氢 探 针 法 在酸性环境中， 腐蚀的产生往往伴随有原子氢 ， 当 阴极反应是析氢反应时， 可以用这个 现象来测量腐蚀 速度。析氢产生的问题包括氢脆、 氢致开裂和氢鼓泡。 这三种破坏都是由于钢构件吸收了腐蚀产生的原子氢 或在高温下吸收了工艺介质中的氢原子。氢监测所测 量的是生成氢 的渗入倾 向， 从而表 明结构材料 的危险 趋势。常见的氢探针是金属棒 ， 其 中心钻有一个小而 深的孔 ， 把这个金属棒插入设备中， 氢原子渗过金属棒 壁 ， 进入圆形空间 ， 在这里形成氢分子 ， 连接在这个圆 形空间的压力表反 映了此空间 内的氢气压力变化情 况。氢气压力变化速度反映了材料对渗氢的敏感性和 腐蚀反应的剧烈程度。氢探针不可用来直接表明腐蚀 速率 ， 但可以监测工艺过程的变化。 1 ． 3电阻探针法 电阻探针法是基于材料的电阻随腐蚀发生变化的 原理进行测量 的。电阻探针 E R被称为是“ 电子腐蚀 第一作者简介 龚秋红， 女 ， 1 9 8 2年生 ， 程师 ， 2 0 0 5年毕业于中国石油大学油气储运专业。现在 中石化江汉 石油 工程设计有限公司从 事油气储运研究与设计工作 。邮编 4 3 0 0 0 0 5 0 石油仪器 P E T R oL E U M I N S T R UME NI S 2 0 1 4年 8月 挂片” ， 跟失重法一样 ， E R探针测量的是金属损失。由 于电阻探针的工作长度较直径大很 多倍 长 1 0 2 m m， 直径 8 m m ， 电阻发生变化后即认为材料被腐蚀， 电阻 的变化换算成探针 的失重从 而计算得腐蚀速度。E R 是唯一的可用于所有类型腐蚀环境的实时在线测量技 术 ， 除挂片失重法 的特点外， 它还有以下特点 1 可直 接获得腐蚀速率； 2 在其使用寿命 内， 探针可一直置于 管线内； 3 对于腐蚀变化响应迅速， 可用于报警。 1 ． 4线性极化电阻法 在线电化学探针监测技术对腐蚀情况变 化响应 快 ， 能获得瞬间腐蚀速率 ， 可及时的反映腐蚀过程中金 属腐蚀速率的变化， 也可反映工艺参数的变化对腐蚀 过程的影响。电化学测试方法称为线性极化 电阻法 ， 其基本原理是施加极化电位使电极极化而产生极化电 流 ， 通过测量得到极化 电阻， 进而计算 出腐蚀电流 ， 腐 蚀电流与腐蚀速率成正比， 通过公式计算求得腐蚀速 率。其优点是腐蚀速率 的测量是瞬时的， 其缺点是只 能成功用于含水电解液里， 不适用于油 田原油、 污水和 天然气中， 因为电极上的污垢会妨碍测量。 1 ． 5电 感 阻抗 法 电感阻抗法是 电阻法转化 的一项技术 ， 在传感器 中埋设一个线圈， 通过其感抗的变化来测定敏感元件 厚度的减少 ， 敏感元件厚度的变化将影响线圈的感抗。 其优点是可广泛应用于各种系统 ， 响应时间大大缩短， 也可实时获得数据， 其缺点是电极需更换 ， 价格较高。 1 ． 6 F S M 技术 F S M技术是通过监测电流在金属结构上流动方向 的细微变化 电压值与初始设定的测量值进行比较 来 检测由于腐蚀引起 的金属损失 ， 脆裂和凹坑。传感 针 或电极呈矩阵式分布在被监测区域来检测 电场方 向的 变化， 测量电压与最初的参考电压进行 比较 ， 探针间距 一 般为壁厚的 2～3倍 。系统提供 图解曲线表明凹坑 和脆裂的位置和严重程度 ， 计算实际腐蚀趋向和腐蚀 速率， 敏感性 和重复性是剩余壁厚的 0 ． 1 ％。其优点 是 1 非插入式 ， 没有泄漏的危 险， 提高在硫化氢环境 中的安全性， 适用于困难的位置； 2 直接在管壁测量腐 蚀， 不需耗材 探针 、 挂片 ， 不需取放工具 ， 最现实的测 量均匀腐蚀、 局部腐蚀； 3 测量不受导电性硫化亚铁膜 的影响， 适用于无线、 在线测量。 2设计 实施原则 2 ． 1 技术确定 对于油气水系统介质生产部位 ， 一般采用失重技 术 电阻探针联合监测 ， 其 中失重法为最常用最可靠 的腐蚀监测技术； 对于高含硫介质直管段 ， 除失重技术 电阻探针技术外， 另可采用氢探针进行监测； 对于高 含硫介质弯头、 焊缝 、 三通等特殊部位 ， 可采用 F S M技 术监测。对于冷却循环水和过滤后水等介质管段 ， 快 速评价时可采用线性极化探针法 J 。 2 ． 2系统设计 腐蚀监测点的设置应遵循“ 区域性、 代表性和系统 性” 原则 。“ 区域性 ” 是指某一个 区块或某一个油 田； “ 代表性 ” 是指在生产系统 中能达到以点代面的 目的； “ 系统性” 是指围绕和贯穿整个油 田生产系统的各个环 节。选择现场腐蚀最苛刻、 最能代表现场介质腐蚀性， 建立形成一套系统化的腐蚀监测 网络， 有效评价整个 生产系统腐蚀状况。 2 ． 3设备安装 在地面监测系统 中， 高压部分一般在设备检修时 或建设时同步 安装 ； 低压部分采用“ 便携式带压开 孔器” 实现油气水系统带压开孔。油气水井筒监测系 统中， 一般采用井筒挂环， 井筒数据 的采集采用“ 井下 挂环器” ， 可实现不同层位 不 同深度、 不同温度 油管 及油套环形空间真实的腐蚀状况 ， 找 出主要 的腐蚀 因 素 ， 判断腐蚀机理 ， 提出针对性 的防腐措施。也可采用 丢手挂环 ， 在上面安装油管内外挂环 ， 下到设计深度 ， 完成监测。 2 ． 4监测 内容 腐蚀监测内容一般包括 1 腐蚀速度， 失重法或电 阻探针数据 ； 2 工况工艺参数 ， 介质的温度 、 压力、 流速 等； 3 介质的组分分析 腐蚀因素 的确定 ， 总矿化度 七项离子 K 、 N a 、 c a “、 Mg n 、 H C O ；、 S O 一 、 C 1 一 、 水型、 p H值、 总铁 F e 、 F e 、 溶解氧、 二氧化碳、 硫 化氢、 S R B 、 T G B、 气体组份等。4 腐蚀产物 ， 确定腐蚀 形态 ， 腐蚀程度。 3 发 展前景 腐蚀监测在国外发达 国家非常重视， 特别是在酸 性油气 田、 腐蚀严重的油 田、 炼化系统普遍开展腐蚀监 测工作。对于腐蚀严重的区块做到每口井都有腐蚀监 测档案资料 ， 以便为腐蚀防护提供决策依据。近几年 来 ， 随着国内腐蚀与防腐技术的发展， 腐蚀监测技术得 到了一定的应用。在设备研发方面 ， 中国科学 院沈 阳 金属所开展 了弱极化等腐蚀监测技术的研究 ； 华 中科 技大学在线性极化方面进行 了一定的研究。在油田开 展腐蚀监测方面， 西南油田气 田、 塔里木油 田和胜利油 田等开展较早且系统化较强。 2 0 1 4年 第 2 8卷 第 4期 龚秋红等 油气田腐蚀监测技术及设计应用 ． 5 1． 油田腐蚀监测技术的发展方 向， 是各种腐蚀监测 技术优势互补， 共同推进腐蚀防护研究快速发展。腐 蚀监测技术和计算机技术的结合是 目前研究腐蚀监测 技术的方向， E R探针、 电感探针等多种探针监测技术都 是通过计算机进行分析数据。在油气田开发过程中， 通 过腐蚀监测能够及时提供大量的基础数据， 这对于油气 田安全、 经济、 有效的运行有着重大意义。通过腐蚀监 测， 全方位实时掌握管线内部腐蚀状况 ， 通过系统化 的 腐蚀监测 ， 认识和了解各 区块生产系统腐蚀现状和规 律 ， 针对性 的提 出相应 的防腐措施 ， 使 防腐 工作有计 划、 有 目的的开展 ， 提高油气田的综合开发效益 J 。 塔河油 田主力油区为奥陶系碳酸盐岩溶洞型块状 油藏 ， 原油物性特征复杂。部分 区块伴生气含有大量 的硫化氢和二 氧化碳 ， 部分油井见水及含水率上升较 快 。地层产出水具有矿化度高 2 01 0 m g ／ 1 ， p H值 低 5 ． 5 6 ． 0 ， 腐蚀性强等特点。油气集输 系统 自投 产以来多次出现了腐蚀穿孔 ， 以内腐蚀为主 ， 点蚀速度 高达 4 m m ／ a一6 m m ／ a ， 已严重影 响了油 田的正常生 产。为系统开展塔河油 田防腐工作 ， 在 3个采油采气 厂建立了系统化的腐蚀监系统 ， 目前塔河油 田共有监 测点 2 2 3个 ， 并进行 了系统化的周期监测 ， 为腐蚀的防 护提供了科学的决策依据。 塔里木油 田自2 0 0 6年以来 ， 逐步开展了腐蚀监测 工作 ， 目前 已经完成了桑吉、 牙 哈、 英买 、 塔 中、 轮南 、 东 河、 哈得和迪那 8个作业区， 共 2 0 2个部位 2 8 3个监测 点的建设。迪那凝析气田腐蚀监测系统初建时设计 了 一 套 F S M监测装 置。塔 中一号气 田属高含硫 区块 ， 设 计了三套 F S M监测装置。目前塔里木油田已经形成 了 一 套较为完善的腐蚀监测网络 ， 系统反映各个生产系 统的腐蚀状况、 腐蚀特征 ， 通过 防腐措施 的实施， 减缓 系统腐蚀， 避免和减少安全事故的发生， 最终实现提高 油田综合开发效益的目的。 4 结 论 1 在油田投入开发前， 做好产 出液的腐蚀评估工 作 ， 为油田生产设施的设计提供防腐依据。在油 田生 产设施建设阶段 ， 应考虑腐蚀监测的必要性， 进行现场 实施。腐蚀监测必须系统、 连续的进行 ， 通过数据 的统 计分析后， 才能有计划、 针对性的制定防腐措施及进行 效果评价。腐蚀监测宜使用两种 以上方法， 每种监测 方法优势互补 ， 便于数据的解释更为合理、 准确。 2 腐蚀监测工作所产生的效益和效果往往是滞后 的， 表现出来是投人大、 产出低和效益慢， 短时间内与油 气田产量直接关系不大， 因此往往得不到决策层的青 睐， 防腐工作容易被忽视。因此 ， 要开展好油 田防腐工 作 ， 各级领导的重视是最重要的， 是第一关键要素。 3 树立“ 抓系统、 系统抓” 的指导思想， “ 抓系统 ” 就是围绕油 田整个生产流程的每一个环节开展防腐工 作， 要融人到油井井筒一地面集输系统一油气处理场 站一污水处理及注水整个生产循环 系统中， 用系统工 程的思想和方法， 通过采用材料、 工程、 化学防腐技术 措施 ， 以控制、 减少介质对管道容器的腐蚀， 达到行业 规定的腐蚀标准之内， 最终实现控制和减 缓腐蚀的 目 的。“ 系统抓” 就是从腐蚀机理研究起， 到防腐技术的 攻关和推广 ， 开展技术和质量监督 ， 建立防腐管理和监 测网络 ， 制定防腐 的有关规章制度、 指标和标准， 直至 对防腐工作的检查、 考核和奖惩 ， 从技术保证 、 经济政 策和行政管理上系统的开展防腐工作。 4 防腐管理体系及管理制度的制定是保 障， 根据 油田的管理模式， 建立局 、 厂 、 队的防腐管理机构。把 腐蚀的研究 、 现场腐蚀状况、 防腐措施的实施及效果评 价纳入 日常管理之中， 持之以恒。 5 防腐经费的落实是根本， 经费是制约防腐工作 开展的根本 ， 在油 田生产中， 产量是第一要素， 油 田的 投入主要是确保产量的完成。在防腐经费的投入上 比 较少， 要搞好油 田防腐工作， 每年在年度资金计划 中明 确防腐经费， 实行防腐经费单列 ， 专款专用确保油 田各 项防腐工作的有效开展。 6 有一系列配套实用的防腐技术和专业化服务队 伍是抓好防腐蚀工作的手段。腐蚀数据采集、 数据 统 计、 数据分析是腐蚀监测的核心 ， 是一项专业性较强的 技术工作 ， 因此对腐蚀监测 网点布局 、 设计 以及数据的 采集、 统计 、 分析和网络的维护 ， 需要一支专业 队伍来 从事这项工作 ， 长期坚持 ， 才能真正实现和体现腐蚀监 测的作用。 参 考 文 献 [ 1 ]张瑞东． 油气 田腐蚀监测技术应用 [ J ] ． 安全、 健康和环 境， 2 0 1 3 ， 1 3 7 [ 2 ] 沈群． 腐蚀监测技术在气田地面生产系统的应用[ J ] ． 天然气技术与经济， 2 0 1 3 ， 7 2 [ 3 ] 孟祥刚． 腐蚀监测技术中监测点设置原则 [ J ] ． 油气田地 面工程 ， 2 0 1 3 ， 3 2 3 [ 4 ] 易轶虎． 在线腐蚀监测技术在炼油装置中的应用 [ J ] ． 石 油化工腐蚀与防护， 2 0 1 2 ， 2 9 5 [ 5 ] 顾玉凤． 在线腐蚀监测技术在南阳精蜡厂的应用[ J ] ． 油 气 田地面工程， 2 0 1 3 ， 3 2 1 收稿 日期 2 0 1 40 21 9 编辑 潘中印