油气生产中的冲刷腐蚀（二）.pdf

第 4 2 卷第 2期 石油与天然气化工 CHEMI CAL E NGI NEE RI NG OF OI L ＆ GAS 9 5 ● ● ● 1 1 J ■ i n O i l a nc I g a s p r o du c t i o n Pa r t 2 Ba o t o n g Lu Ma t e r i a l s En g i n e e r i n g De p a r t me n t ，S o u t h we s t Re s e a r c h I ns t i t ut e ，Sa n Ant on i o，TX ，USA Ab s t r a c t Ch a l l e ng e s d ue t o e r o s i on c or r o s i o n i n oi l a nd ga s pr o du c t i on a r e b r i e f l y r e v i e we d． Th e a c hi e v e m e n t s o f t he a ut h or ’ S gr o up on t he m o de l i ng o f s y ne r g i s t i c e f f e c t s e r o s i on a r e s u m m a r i z e d ． Th e e r os i o n c o r r os i o n me c ha ni s m s ， t h e me t ho d s t o e v a l u a t e t he e r o s i on c or r o s i on r e s i s t a n c e o f m a t e r i a l s a nd t he a pp r o a c he s t o mi t i g a t e t he d a m a g e c a us e d b y e r os i o n c o r r o s i o n a r e d i s c us s e d i n t h i s a r t i c l e ．Thi s a r t i c l e i s p r e s e nt e d i n t wo pa r t s ．Pa r t 2 f oc us e s on t he c o r r os i o n e n ha nc e d e r o s i o n，t h e m e t ho do l o gy t o pr e d i c t t he e r os i o n c or r o s i on b e h a vi or a n d t e c h no l og y t o mi t i g a t e e r o s i o n c o r r o s i o n i n o i l ／ g a s p r o d u c t i o n ． Ke y wo r ds e r o s i o n c or r o s i o n，pe t r o l e um ，e v a l ua t i o n，m i t i ga t i o n 油气生产 中的冲刷腐蚀 二 Ba o t o ng Lu 美 国西 南研 究 院材 料工 程 部 摘 要 简要评述 了在油气生产过程 中因冲刷腐蚀 而带来的各种挑战 ， 介绍 了在 建立冲刷协 效 应模 型方 面所 取得 的成 就 ， 并 对冲刷 腐蚀 机 理 、 用 于评 估 抗 冲刷腐 蚀材 料 的方 法 以及 减 轻其 危 的 途径进 行 了讨 论 。文章 分 两部 分进行 了论述 ， 第二 部 分主 要 介 绍 与 腐蚀 性 流 体 的 冲刷 腐 蚀 协 效 应相 关 的预测 和减 缓 。 关键 词 冲刷 腐蚀 石 油 评 价 减缓 中 图分类 号 TE 9 8 8 ． 2 文献标 志码 A D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 7 3 4 2 6 ． 2 0 1 3 ． 0 2 ． 0 0 1 1 Er o s i o n a n d c o r r o s i o n e n h a n c e d e r o s i o n o v e r a f a i r l y wi d e r a n g e o f v a r i a b l e s ，a t l e a s t i n 1 ．1 Er o s i o n r e s i s t a n c e a n d m e c ha n i c a l pr o pe r t i e s o f t a r g e t ma t e r i a l s M a ny m e c ha ni c a l e r os i o n m o de l s ha v e be e n e s t a b l i s h e d t o c o r r e l a t e t he e r os i o n r e s i s t a nc e o f t a r g e t m a t e r i a l s t O t he i r m e c ha n i c a l p r op e r t i e s a n d hy d r od yn a m i c p a r a m e t e r s [ 一 ． A d e t a i l e d l i t e r a t ur e r e v i e w o n t h i s a s pe c t i s o ut o f s c o p e of t hi s a r t i c l e ． M e ng a nd Lud e m a [ pr o v i de a n e xha u s t i ve o ve r v i e w up t o 1 9 9 5，f ou nd 1 8 2 e q ua t i ons a nd s e l e c t e d 2 8 f or s pe c i a l s t u dy ． Lyc z ko ws k i a nd Bou i l l a r d [ 。 ] ga v e o ne up t o 2 0 02 ． As po i nt e d by Ts a i e t a l [ ， f l owi n g s l u r r i e s，t he ov e r a l l d e pe nd e nc e o f t h e pa r t i c l e a n d t a r g e t h a r d n e s s HP a n d H r e s p e c t i v e l y ， o n e r o s i o n i s a p p r o x i ma t e l y g i v e n b y e o 。 C H ／ H． Ge ne r a l l y，t he e r o s i o n r e s i s t a nc e o f t a r ge t ma t e r i a l s i n c r e a s e s wi t h t he i r ha r dn e s s i f no s ubs t a n t i a l c ha ng e t a ke s pl a c e i n t he e r o s i on m e c h a ni s m s a n d， a s i l l us t r a t e d i n Fi g ．1。t he po we r l a w e r o s i o n r a t e o f m a t e r i a l s c a n g i v e a f a i r l y go o d f i t t o t he c o r r e l a t i o n be t we e n t he m e e ha n i c a l e r o s i on r a t e a nd s ur f a c e h a r dne s s E 一 川． 0 一 HH 一 1 l 工 0 ●l S 0 r r 0 C - n 0 ● ■ I S 0 r 同害同 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 96 Ba ot o ng Lu Er o s i 。n _ c 0 r r o s i 。 n i n。 i l a n d g a 。p r 。 d u c t i 。 n P a r t 2 2 O1 3 wh e r e H a n d H n O a r e e x p e r i me n t a 1 c o n - s t a nt s de pe nd i ng he a v i l y o n t he e r os i o n me c h a ni s m s ． 0 ． 1 0 ．0 5 r．z a 0 ．0 2 Fi g． 1 0 ． 0 0 1 1 8 0 0 2 0 0 0 2 2 00 2 4 0 0 2 6 0 0 鼠 ／ M P a De pe n de nc e o f er os ion r a t e on t h e s u r f a c e h ar d n es s [ 。 1 2 Co r r o s i o n i ndu c e d d e g r a d a t i o n o f s u r f a c e me - c ha ni c a l p r o pe r t i e s A t l e a s t t wo i r r e v e r s i bl e pr o c e s s e s a r e i n V ol V e d i n t he e r o s i on c o r r o s i o n pr o c e s s， n a me l y， t h e e l e c t r o c he m i c a l c o r r os i o n a t s u r f a c e a nd D l a s t i c d e f or ma t i o n i n s ur f a c e l a y e r ．The f l u xe s of t h e s e t w。 r r e v e r s i b l e p r oc e s s e s c a n b e r e pr e s e n t e d b v t h e c o r r o s l o n r a t e c o r t h e a n o d i c c u r r e n t d e n s i t v 。 A c ／ z F，wh e r e z i s t h e n u mb e r o f e l e c t r o n s i n v o l ve d i n t he c o r r os i o n r e a c t i o n o f t he e l e c t r o d e ma t e r i a l a nd F i s t he Fa r a da y c on s t a nt a n d t h e p l t 。s t r a m r a t e 7P一 N a b， wh e r e ， a nd a r e t he f l u x，t h e m e a n f r e e p a t h a nd Bur ge r’ s v i c t o r s o i d s l o c a t i o n s ， r e s p e c t i v e l y ． W h e n t h e a n。 d i c d I s s 0 1 ut mn o n s u r f a c e a nd t he pl a s t i c de f o r ma t i on m i a c e l a y e r o c c u r r e d s i m u l t a ne ou s l y ，t h e v wi l l e nha nc e e a c h o t h e r l e a d i n g t o t he s y ne r gi s t i c e f f e c t E ， 1 8 ] ． 7P一 7P o L P FC 2 一 A ， o十 LP _ ． c FP 3 wh e r e i s pl a s t i c de f o r m a t i on r a t e i n a n i ne r t e nV r O nm e nt ， i a ，。i s t he c o r r os i o n c u r r e nt de ns i t v o f m a t e r i a l f r e e of dy n a m i c p l a s t i c de f o r m a t i o n，F a n d F P a r e t h e g e n e r a l d r i v i n g f o r c e s f o rt h e D l a s t i c d f 。 nna t i o n s uc h a s t he f or c e p r o duc e dby p a r t i c l e mpi n g m e n t a nd a n od i c d i s s o l u t i o n t he D o t e n t a I ， r e s p e c t i v e l y，Lc -P a nd L c a r e t he c O e f f i c e n t s r e pr e s e nt i ng t he C R O S S e f f e c t s ． Th e s e c o nd t e r m i n Eq ． 3 s t a n d s f o r t h e me c h a n i c a 1 i mD a c t 。 n h an c e d c o r r os i o n_ 6 f 7 _a nd i t i n di c a t e s t h a t t h e a n o di e d i s s o l ut i on r a t e i nc r e a s e s l i ne a r l y wi t h t h e p l a s t i c de f o r m a t i o n r a t e [ 1 8 - 1 9 ] ．Th e s e c on d t e r m i n Eq 2 i mp l i e s t h a t t h e p l a s t i c d e f o r ma t i o n i n t h e s u r a c e l a y e r wo ul d b e pr o m o t e d by t he c 0 r r os i o n o c c uⅢ n g o n s ur f a c e ． The r e du c e d r e s i s t a nc e t o t he pl a s t i c de f o r m a t i o n c a n be c ha r a c t e r i z e d by t h e de gr a da t i on o f s u r f a c e s t r e ng t h o r ha r d ness [ 6 ， 8 ， 9 ， 1 ． The de g r a da t i o n s ur f a c e ha r d ne s s du e t o t h e D res e nc e o f a no d i c d i s s o l u t i o n A H c a n be f o r m u 1 a t e d a s f o l l ows c 6 J 毫 f ／ A c m F i g ． 2 -Re l a t io n s h ip b e twe e n t h e n o r r n a l iz e d h ar dn e s s dr o p a n d an o di c c u r r en t d en s it y 0 一 一 一 B 1H 。 g一 ] 4 l l whe r e H i s s ur f a c e ha r d ne s s m e a s ur e d i n a n i n e r t e n V r on m e n t ， A H i s d e f i ne d a s t h e d i f f e r e n c e b e t we e n t h e h a r d n e s s v a l u e s me a s u r e d i n c o r r o s i v e s o l ut i o n whi l e a n o di c c u r r e nt i s pr e s e nt o n s u r f a c e a n d i n t he I ne r t e nv i r o nme n t ． B i s a c on s t a nt r e J a t e d t o t h e a c t i v e v ol u m e o f d i s l o c a t i o ns a nd t e s t c on d t o ns ’ t he t hr e s ho l d c u r r e nt t o c au s e t h e s u r t a c e s t r e ng t h d e g r a d a t i on ． The phe n o m e n O n o f c 。r r o s on i n du c e d s u r f a c e ha r dn e s s de gr a d a t i on h as b e e n e xpe r i m e nt a l l y o bs e r v e d i n c a r bo n s t e e l s a n d c 0 mme r c i a l p u r e i r o n u s i n g t h e mi c r o h a r d ne s s a n d n a no m d e n t a t i on t e c h ni q ue s [ 6 ． 8 一 。 R 。 ．An e x a m p l e of c o r r os on 一 n du c e d mi c r o ha r d ne s s de gr a d a t i on i s d e mon s t r a t e d i n Fi g ．2． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4 2卷第 2期 石油与天然气化工 CHEMI CAL ENGI NEERI NG 0F 0I L GAS 9 7 1 ． 3 CO r r O s i o n e n ha nc e d e r o s i o n I f t he i n c r e a s i n g e r os i o n r a t e c a u s e d b y t he a no d i c d i s s ol u t i o n i nd uc e d ha r d ne s s d e g r a da t i o n i s As s h o wn i n Fi g．8，t he c or r os i o n e nh a nc e d e r o s i on i s a l s o a f f e c t e d b y t he c on c e n t r a t i o n o f s o l i d pa r t i c l e s i n s l ur r y whe n t he a n od i c c u r r e nt d e ns i t y t he o nl y m e c ha ni s m o f c or r o s i o n e n ha nc e d e r os i o n， i s he l d u nc h a ng e d．The i mpa c t on t he s a n d c on c e n t he i n c r e m e nt o f e r o s i on r a t e z S e d ue t o t h e p r e s t r a t i o n c a n b e pr e d i c t e d whe n t he no r m a l i z e d wa s t e n c e o f a n o d i c d i s s o l u t i o n c a n b e d e f i n e d a s t h e c o r a g e r a t i o c ／ e 0 i s e mp l o y e d t o r e p l a c e a n o d i c c u r r e n t r os i o n e nh a nc e d e r o s i on，na m e l y，e 一 △ o一 一 o ．d e ns i t y，a s s h o wn i n Fi g ．4 ． B y c o mb i n i n g Eq s ． 1 a n d 4 ，t h e n o r ma l i z e d c or r o s i on e n ha nc e d e r os i o n wa s t a ge， i ． e ．， t he wa s t a g e r a t i o o f ／ e 0 ，c a n b e c o r r e l a t e d t o t h e a no d i c c u r r e nt de ns i t y i A a s f o l l o ws [ 。 ， ． 1 8 _ ， ≈ z -。 g th ／1 P 0 ＼z f ／ A c m - Fi g．3 Ef f ec t of an od i c c ur r en t den s it y on n or m a l i z e d c or r o s i on e nh an c e d er os ion r at e Unt i l no w ，i t i s s t i l l t o bui l d a u ni ve r s a l mod e l f or t he c o r r os i o n e nh a nc e d e r o s i o n be c a us e o f c o rn pl e x m e c h a ni s m s ． A r e c e nt r e s e a r c h [ ]， i nd i c a t e d t ha t wh e n t he hy dr o dy na mi c c o nd i t i o n a nd a n od i c c ur r e n t d e ns i t y we r e he l d unc ha nge d，t h e e r os i o n r a t e s o f c a r bo n s t e e l i n a c i di c s l u r r i e s we r e s i g ni f i c a n t l y hi ghe r t ha n t hos e i n a l ka l i ne o r ne a r ne ut r al o ne s ． The e r o s i on r a t e s i n c or r o di n g s l u r r i e s wi t h hi gh o r ne a r ne u t r a l p H we r e n ot a f f e c t e d b y t h e s l u r r y c h e m i s t r y b ut t he s l u r r y c he m i s t r y i m pa c t w e r e pr o no unc e d i n a c i d i c s l u r r i e s ． The hi gh t o l o w or d e r o f e r o s i o n r a t e s wa s t he s a m e a s t ha t o f i n s i t u na n o i nd e n t a t i o n ha r dn e s s me a s u r e d i n s a me c o r r od i ng e nv i r o nm e nt s，i n di c a t i n g t he a nod i c di s s o l ut i o n i ndu c e d s ur f a c e h a r dne s s d e g r a whe r e Z i s a n e xp e r i m e n t a l c ons t a n t ，i i s t he da t i on a s t hr e s ho l d a n od i c c ur r e n t de ns i t y t o c a u s e t he c o r r o wa s t a ge 1 i ke l y i n a c i d t he me c h a ni s m f o r t he h i gh e r o s i on i c s l u r r i e s ． H o we v e r 。i t i s s t i l 1 u n s i o n - e nh a nc e d e r o s i o n． Ac c or d i ng t o Eq ． 5，t he c l e a r why t he e xp o s ur e t o a c i d i c e l e c t r ol y t e s r e s ul t s e r o s i o n wi l 1 be e nh a nc e d b y t h e c h e m o - m e c ha ni c a 1 i n l a r ge r s u r f a c e ha r d ne s s l o s s whe n a no di c di s s o e f f e c t whe n c o r r os i o n o c c ur s s i m u l t a ne ou s l v a nd l u t i o n r a t e i s s ame ． t he e r os i o n a ug m e n t a t i on d e f i ne d by ASTM G1 1 9 一1 e。 c ／ e n wi l l b e a p p r o x i ma t e l y a l i n e a r f u n c t i o n of t he l og a r i t hm of a no d i c c u r r e nt d e ns i t y ． I t ha s be e n s ho wn t he p r e di c t i o n o f Eq． 5 a g r e e s we l l wi t h t he e x pe r i me nt a l r e s ul t s o bt a i ne d o f c a r bo n s t e e l s ， a s s ho wn i n Fi g．3 [ 。 ， 引． Th e p r a c t i c a l e ng i ne e r i ng， t he s l ur r y pi pe i s no r ma l l y o pe r a t e d u n d e r o p e n c i r c u i t p o t e n t i a l OCP ． Th e e x p e r i m e n t s i n Re f ．8 i nd i c a t e d t ha t t he c o r r o s i o n e n ha nc e d e r o s i o n a t t he OCP wa s pr e d i c t a b l e us i n g t he c u r v e ob t a i n e d u nd e r ga l v a n os t a t i c c on t r ol a s t he c o r r o s i on c u r r e nt d e ns i t y a t t he OCP i s kno wn． | a n Fi g．4 Cor r e l a t ion b e t we en no r ma l i z e d mec h an i c al e r o s i on r a t e a n d wa s t a g e r a t i o讹 u n d e r g a l v a n o s t a t ic c o n t r o l 。 2 Er o s i o n c o r r o s i o n m a p Fl o wi n g t he c o nc e p t o f ‘ we a r ma p’ d e v e l o pe d 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 8 Ba o t o n g Lu Er o s i o n c o r r o s i o n i n o i l a n d g a s p r o d u c t i o n Pa r t 2 2 O 1 3 by As hb y．a g r ou p l e d b y St a r k[ 引 bu i l t up t he e whe r e ECR i s t h e pe ne t r a t i o n r a t e c a us e d b y e r o r o s i on c o r r o s i o n m a p t o d e m o ns t r a t e t ha t c o r r e l a s i on c or r o s i on，F i s i nhi bi t or f a c t o r，FM a n d Fs， t i o n b e t we e n t h e e r os i o n c or r o s i o n m e c h a ni s m s a r e e mpi r i c a l c o ns t a n t s t ha t a c c o un t f o r t he m a t e r i a n d ／ o r p e r f o r ma n c e o f ma t e r i a l s a n d p r o c e s s p a a l h a r d n e s s a n d s h a r p n e s s o f s a n d p a r t i c l e s ，r e r a me t e r s ，s uc h a s t e mpe r a t ur e，p o t e n t i a l ，f l owi ng s p e c t i v e l y， FP i s t he pe ne t r a t i o n f a c t o r f o r s t e e l v e l o c i t y，p a r t i c l e c o n c e n t r a t i o n，i mp a c t a n g l e e t c ． b a s e d o n 1 ” p i p e d i a me t e r ；F， ／ D i s t h e p e n e t r a The e r os i o n c o r r os i o n m a p s of f e r a d i r e c t l y pe r t i o n f a c t o r o f e l b o w ；CP i s we i g ht f r a c t i o n o f s a nd； c e i v e d i l l us t r a t i o n a bo ut t h e e f f e c t s o f v a r i o us pa r a m e t e r s o n t he e r o s i on c o r r o s i on m e c h a ni s m s a n d QF i s t h e p r o d u c t i o n r a t e d i a me t e r i n i nc he s t o i n． o f f l ui d，r i s r a t i o o f p i pe pi pe；U p i s t h e c h a r a c p e r f o r ma n c e o f ma t e r i a l s ．Ho we v e r ，t h e r e a r e f o u r t e r i s t i c p a r t i c l e i mp a c t v e l o c i t y ．The pa r a me t e r s i n d i f f e r e n t wa s t a g e c o mpo ne n t s i nv ol v e d i n e r o s i on Eq ． 5 c a n b e d e t e r mi n e d b y e x p e r i me n t s o r e x p e c or r os i o n p r o c e s s a nd s o m a ny f a c t o r s r e l a t i ng t o r i e n c e ．Ge ne r a l l y t h e d e p e n de n c e o f e r os i o n c o r r o m e c ha ni c a l ，c he mi c