天然气集输管线二氧化碳腐蚀研究.pdf

第4 4卷第8期 2 0 1 5 年 8月 当 代 化 工 C o n t e mp o r a r y C h e mi c a l I n d u s t r y V o 1 ． 4 4．N O ． 8 A u g u s t ，2 01 5 天然气集输管线二氧化碳腐蚀研究 魏思达 ，吴 明 ，梅宏林 1 ． 辽宁石油化工大学 天然气工程学院 ，辽宁 抚顺 1 1 3 0 0 1 ； 2 ． 辽河油田油建二公 司，辽宁 盘锦 1 2 4 0 0 0 摘 要 天然气管道工程中二氧化碳腐蚀问题是天然气集输过程中亟待解决的重大难题。由于天然气是 多组分气体 ， 尤其是含酸性二氧化碳的天然气遇水生成腐蚀性极强的酸液， 对集输管道内壁会产生严重的腐蚀。 二氧化碳腐蚀不仅对集输管线和设备安全构成极大威胁 ，而且易导致管道破裂，造成严重的经济损失和人员伤 亡。由于天然气集输管线材质基本选用 I A8 5 、L 3 6 0和 L 2 4 5三种管线钢 ，对某天然气管道拟采用 I A8 5 、L 3 6 0 和 L 2 4 5三种钢材集输二氧化碳多相介质进行腐蚀研究。由于在该条件下腐蚀的本质是电化学反应过程，故应 用电化学方法直接进行研究。通过研究，分析三种管线钢的耐腐蚀性能、程度 ，并对以后集输同样介质的管材 的选用得出科学的依据。 ． 关键词天然气管道；二氧化碳腐蚀；L 4 8 5 、L 3 6 0和 L 2 4 5 ；集输管线 中图分类号T E 8 3 2 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 1 0 4 6 0 2 0 1 50 8 1 8 5 5 0 3 Re s e a r c h o n C02 Co r r o s i o n o f Na t ur a l Ga s Ga t he r i ng Pi pe l i ne s WEISi d a ， WU M i n g ， M EIHo n g． 1 i n 1 ． Co l l e g e o f Pe t r o l e u m E n g i n e e r i n g ， L i a o n i n g S h i h u aUn i v e r s i t y， Li a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 01 ， C h i n a ； 2 ． L i a o h e Oi l fi e l d C o mp a n y N o ．2 C o n s t r u c t i o n B r a n c h ， L i a o n i n g P a n j i n 1 2 4 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t CO2 c o r r o s i o n p r o b l e m i n t h e n a t u r a l g a s p i p e l i n e e n g i n e e r i n g i s a b i g d i ffic u l t p r o b l e m t h a t n e e d b e s o l v e d i n t h e p r o c e s s o f n a t u r a l g a s g a t h e r i n g a n d t r a n s f e r r i n g ． Be c a u s e n a t u r a l g a s i s mu l t i c o mp o n e n t g a s ， e s p e c i a l l y g a s c o n t a i n i n g c a r b o n d i o x i d e c a n g e n e r a t e s t r o n g a c i d wh e n r e a c t i o n wi m wa t e r , wh i c h ma y f o r m s e r i o u s c o rro s i o n o n t h e i n n e r wa l l o f t h e p i p e l i n e ．C02 c o r r o s i o n n o t o n l y c a n p o s e g r e a t t h r e a t t o g a t h e r i n g p i p e l i n e a n d e q u i p me n t s a f e t y , b u t a l s o c a n e a s i l y l e a d t o p i p e r u p t u r e ． wh i c h wi l l c a u s e s e r i O U S e c o n o mi c l o s s e s a n d c a s u a l t i e s ． T h e n a t u r a l g a s g a t h e r i n g p i p e l i n e ma t e r i a l s i n c l u d e L4 8 5 ， L 3 6 0 a n d L 2 4 5 thr e e k i n d s o f p i p e l i n e s t e e 1 ． I n t h i s P a p e r , c a r b o n d i o x i d e c o r r o s i o n o f n a t ur a l g a s p i p e l i n e o f L 4 8 5 ． L3 6 0 a n d L2 4 5 s t e e l wa s s t u d i e d b y e l e c t r o c h e mi c a l me t h o d ． T h e c o rro s i o n r e s i s t a n c e o f t h r e e k i n d s o f p i p e l i n e s t e e l wa s a n a l y z e d ， wh i c h c o u l d p r o v i d e s c i e n t i fi c b a s i s f o r s e l e c t i o n o f g a t h e r i n g p i p e ． Ke y wo r d s Na tur a l g a s p i p e l i n e ； C0， c o rro s i o n ； L4 8 5 ． L 3 6 0 a n d L2 4 5 ； Ga t h e r i n g l i n e 油气输送管与油井管是油气 田用量最大的两大 类线 ，一般在一定的载荷和环境条件下服役。然而 ， 油气管线构件往往在特定的服役条件下易发生变 形 、断裂和表面损伤等破坏而失去其原有的功能 ， 导致失效 。油气管线 ，投资巨大，一旦发生失效不 仅造成巨额的经济损失而且易发生泄漏、爆炸等安 全事故危及企业安全生产。因此 ，提高油气管线 的 安全可靠性与使用寿命对企业节约维护开支、降低 运营成本 、稳产 、增产 、增效等有着积极的影响。 腐蚀作为油气管线失效的三大主要形式之一， 在 “ 石油管工程 ”中占据着非常重要的地位 。国 内某调峰储气库的注入气是来自天然气管道来的干 气 ，组分分析显示采出气为湿气，其中二氧化碳的 含量较高 ，极 易形成二氧化碳腐蚀雎 。本文拟采用 主要针对 I A8 5 、 L 3 6 0和 L 2 4 5三种钢材的腐蚀行为 和腐蚀抑制进行了研究 ，重点研究 L 4 8 5油管钢 。 为了提高 L 4 8 5等三种石油管的安全可靠性与使用 寿命。 1 实验 目的 油气集输管线是油气田经常使用的管线， 一般 在一定的载荷和环境条件下服役 。然而 ，集输管 线往往在特定的服役条件下易发生变形 、断裂和表 面损伤等破坏而失去其原有的功能，导致失效。油 气管线一次投资巨大 ，一旦发生失效不仅造成巨额 的经济损失而且易发生泄漏、爆炸等安全事故危及 企业的安全生产。因此，提高油气管线的安全可靠 性与使用寿命对企业节约维护开支、 降低运营成本、 稳产和增效等有着积极的作用。 油气田的储气库开发项目中， 注气阶段基本采 用含 C0 的干气 ， 通过按照 A P I 标准中腐蚀速率公 式计算得出的结果 ， 采用含 C 0 的干气对管线钢没 收稿 日期 2 0 1 5 - 0 3 0 8 作者简介 魏思达 1 9 9 0 一 ，男， 辽宁盘锦人， 硕士， 2 0 1 5 年毕业于辽宁石油化工大学油气储运专业， 研究方 向油气集输。E - m a i l 6 0 3 6 3 2 4 3 6 q q ．c o m 。 化 工 2 0 1 5 年 8月 有腐蚀 ；在采气阶段 ，采出气 中往往含有饱和水 汽或地下水 ，C 0 溶于水后的总酸度较高 ，会对钢 管产生严重的腐蚀 ，高的运行压力 、运行温度及采 出水中含有的 C L 一 离子或其它矿物离子均会进一步 加剧管道 的腐蚀。本实验采用动电位扫描极化法的 电化学方法研究某天然气管道工程在役 L 4 8 5 、 L 3 6 0 和 L 2 4 5三种管线钢在含二氧化碳多相介质 中腐蚀 随时间的变化规律与腐蚀产物膜对 电极 反应 的影 响 ，提出工程中在役 L 4 8 5 、L 3 6 0和 L 2 4 5三种油管 钢在含二氧化碳多相介质 中腐蚀 的作用机制 。本篇 研究 目的在于为三种管线钢在集输腐蚀环境 中的服 役提供基础数据和理论依据 。 2 实验过程 ’ 实验选用了 L 4 8 5 、L 3 6 0和 L 2 4 5三种管线钢作 为实验材料。实验采用经典的三电极体系 ，用环氧 树脂密封的 L 4 8 5 、L 3 6 0和 L 2 4 5 三种管线钢作为工 作电极 ，铂 电极作为对电极 ，饱和甘汞电极作为参 比电极 ，其 中饱和甘汞电极用鲁金毛细管作 为盐桥 与工作介质间接连接 。测试采用的腐蚀介质为二氧 化碳 的饱和溶液 模拟某 区块 2 4 0 0～2 6 0 0 m地层 水 ，见表 1 。实验前 ，工作电极均用金相砂纸逐 级打磨至工作电极表面呈镜面光亮并用蒸馏水冲 洗 ，再用无水乙醇和丙酮清洗后 ，冷风吹干。电极 在 3 0 ℃腐蚀介质 N a HC O 二氧化碳的饱和溶液 中 浸泡不 同时间进行极化曲线测试。测试过程 为常压 且连续通人二氧化碳 。 极化曲线测试扫描速度为 0 ． 5 mV S ～ 。 交流阻抗 图与极化曲线采用 Z V i e w 软件分析。 表 1 某区块地层水性质 Tabl e 1 A bl o c k f o r mat i on wa t e r nat ur e 3 分析与讨论 图 1 为 L 4 8 5管线碳钢试样浸泡于 3 0 二氧化 碳腐蚀环境中测得的极化曲线图谱。如图 1 所示 ， 研究表明当浸泡时间小于 1 h时，碳钢试样在腐蚀 环境中最负 ，随着浸泡时间的增加均有不同程度的 “ 正移”。当浸泡时间小于 1 2 h时 ，碳钢试样表面 还没大量的腐蚀产物膜 ，因此可以视为 “ 裸金属” 的腐蚀过程。此过程 ，随着浸泡时间的推移腐蚀 电 流增加 ，自腐蚀电位增大 ，表明阶段 L 4 8 5管线碳 钢受到二氧化碳腐蚀。 当浸泡时间大于 1 2 h小于 2 4 h时，碳钢试样表面生成大量的腐蚀产物膜 ，属于 “ 膜覆盖”电极。此过程 ，随着浸泡时间的推移腐 蚀电流几乎增加 ，自腐蚀电位有降低 的趋势 ，表明 阶段腐蚀产物膜对 L 4 8 5管线碳钢具有一定的保护 作用 。然而 ，当浸泡时间大于 2 4 h时小于 7 2 h时 ， 浸泡时间的推移腐蚀电流增加，自腐蚀电位增大。 这主要是因为形成的腐蚀产物膜保护性较弱并且不 致密性 ，此过程腐蚀加速。 图 2 、3 分别为 L 3 6 0 、L 2 4 5管线碳钢试样浸泡 于 3 0 ℃二氧化碳腐蚀环境中测得的极化曲线图谱。 l _ o g I Ac m 图 1 L 4 8 5管线钢试 片二 氧化碳腐蚀环境极化 曲线 Fi g． 1 L4 85 s pe c i m e n c ar bo n di o xi d e p i pe l i ne c or r o s i on e nv i r onme nt pol ar i z at i on c ur v e L o g [ Ac m 图 2 L 3 6 0管线钢试 片二氧化 碳腐蚀环 境极化 曲线 Fi g． 2 L3 60 s pe c i me n c ar bo n d i ox i de pi pe l i ne co r r os i o n e nvi r onme nt po l a r i z a t i o n c ur ve 图 3 L 2 4 5管线钢试片二氧化碳腐蚀环境极化曲线 Fi g ． 3 L24 5 s pe c i m e n c a r bon di o xi de pi pe l i ne c or r o s i on e n v i r o n me n t p o l a r i z a t i o n c u r v e 如 图 2 、3分别所示 ，L 3 6 0 、L 2 4 5管线碳钢试 样在腐蚀环境中呈现几乎类似的腐蚀变化趋势。然 而，极化曲线 图 1 、2 、3研究显示在腐蚀环境 第 4 4卷第 8期 ， 魏 思达 ，等天然气集输管线二氧化碳腐蚀研究 1 8 5 7 中随着浸泡时间的增加 L 4 8 5 、L 3 6 0 、L 2 4 5管线钢 的 自腐蚀 电位均有不同程度 的负移 ，其中 L 3 6 0 、 L 2 4 5管线钢负移程度较 L 4 8 5管线钢更多，其 自 腐 蚀电位越正，耐腐蚀倾向越好。因此，以 L 4 8 5管 线钢为研究重点更具典型性与代表性 ，研究所得理 论数据为工程实施有效的腐蚀安全防护技术提供理 论与技术支持更可靠。 图 4为 L 4 8 5管线碳钢试样浸泡于 3 0℃二氧 化碳 0 ． 1 M P a ／ O m s 腐蚀环境中 1 、1 2 、2 4和 7 2 h后测得 的腐蚀速率 。 如图图 4所示 ， 研究表明 I A8 5 管线碳钢二氧化碳腐蚀 随浸润时间的增加而加剧。 I mm e r s i on t i me 图 4 L 4 8 5管线钢 试片在 3 O ℃二 氧化碳 0 ． 1 MP a ／ O I l l s 腐蚀环境腐蚀速 率 F i g ． 4 L 4 8 5 p i p e l i n e s p e c i me n O ． 1 MP a ／ 0 m s ‘ c o r r o s i v e e n v i r o n me n t c o r r o s i o n r a t e o f c a r b o n d i o x i d e a t 3 0 ℃ 图 5为 L 4 8 5管线碳钢试片浸泡于 3 0 、 4 0 ℃二 氧化碳 0 ． 1 M P MO m。 s 。 。 腐蚀环境中 1 、1 2 、2 4 、 7 2 h 后测得 的腐蚀速率。 如图 5所示 ， 研究表明 L 4 8 5 管线碳钢二氧化碳腐蚀随温度的增加而加剧。 图 6 为 I A8 5管线碳钢试片浸泡于 3 0 ℃二氧化 碳 0 ． i 、0 ． 5 MP a ／ Om‘ s 腐蚀环境中 l 、1 2 、2 4 、 7 2 h后测得 的腐蚀速率 。如图图 6所示 ，研究表明 L 4 8 5管线碳钢二氧化碳腐蚀随二氧化碳分压的增 加 而加 剧 。 I m me r s i on t i m e 图 5 L 4 8 5管线钢试片在 3 0 、4 0 ℃二氧化碳 0 ． 1 MP a ／ 0 m。 s 。 ‘ 腐蚀 环境 下腐蚀速率 Fi g． 5 L4 85 p i pe l i ne co r r os i o n ra t e of t he t es t pi e c e at 3 0 ， 4 O ℃ c a r b o n d i o x i d e 0 ． 1 MP a／ 0 n l ‘ s i n c o r r o s i v e e nv i r o nme nt s l mme r s i on t i me 图 6 L 4 8 5管线钢试片在 3 0℃二氧化碳 O ． 1 MP a ／ O m s 腐蚀环境 下腐蚀速 率 F i g ． 6 L4 8 5 p i p e l i n e s p e c i me n c o r r o s i o n r a t e o f c a r b o n d i o x i d e a t 3 0 ℃ 0 ． 1 MP a／ 0 m- s 。 i n c o r r o s i v e e nv i r o nme nt s 图7为 L 4 8 5管线碳钢试片浸泡于 3 O ℃二氧化 碳 0 ． 1 、 O ．5 M P a ／ O m s 腐蚀环境中 1 、1 2 、2 4 、 7 2 h 后测得的腐蚀速率。 如图7 所示， 研究表明L 4 8 5 管线碳钢二氧化碳腐蚀随气体流速的增加而加剧。 nnm e r s i on t i m e 图 7 L 4 8 5管线钢试片在 3 O℃二氧化碳 0 ． 1 、0 ． 5 MP a ／ 0 m s 。 。 环境 下腐蚀速率 F i g ． 7 L 4 8 5 p i p e l i n e s p e c i me n c o r r o s i o n r a t e O ． 1 ， 0 ． 5 MP a／ 0 m。 s 1 u n d e r a mb i e n t c a r b o n d i o x i d e a t 3 0 ℃ 4 结 论 1 电化学研究表明 L 4 8 5 、L 3 6 0和 L 2 4 5三 种管线钢二氧化碳腐蚀 电化学行为分为三阶段 ，即 为 “ 裸金属”期 ，该阶段腐蚀 电流密度增加 ， L 4 8 5 、 L 3 6 0 和 L 2 4 5 三种管线钢均受到二氧化碳腐蚀； “ 膜 覆盖”期 ，该 阶段腐蚀 电流密度增加几乎不增加 ， 形成腐蚀产物膜对二氧化碳腐蚀有一定阻碍作用； “ 反应”期，该阶段腐蚀电流密度继续增加，腐蚀 具有加剧 的趋势。 2L 4 8 5管线钢二氧化碳腐蚀影响因素研究 显示 L 4 8 5管线钢二氧化碳腐蚀 随浸泡时间、温度 、 二氧化碳分压、 气体流速的增加而具有腐蚀加剧的 趋势。 上述实验给我们在输送含酸}生C 0 介质时， 一 定要充分考虑管线在输送温度 、压力交替作用下对 管线腐蚀的影响。 下转第1 8 6 1 页 第 4 4卷第8期 刘 赛，等特低渗油藏开发效果评价以X区块为例 1 8 6 1 4 ． 3 无因次采油 、采液指数评价 通过无因次采油 ，采液指数与含水率变化规律 的曲线得出，不同含水时期，提液措施对提高产油 量效果不 同。随着含水率上升 ，无因次采液指数先 下降但下降幅度不大， 无因次采油指数下降幅度较 小 ，此时，采取提液措施可大幅度提高产油量 ，当 含水率达到 8 0 ％以后 ，无 因次采液指数迅速上升且 上升幅度较大 ，无 因次采油指数迅速下降 ，预测 当 含水率达到 9 8 ％时，采液指数达到 2 ，采油指数达 到 0 ． 2 。 这说 明研究 区具有提液的潜力 ， 但高含水期 以后，提高采液量措施对增油量效果较小。目 前 x 区块综合含水率为 3 6 ． 7 ％， 无 因次采油指数为 0 ． 7 5 ， 无因次采液指数为 0 ． 9 ，提高采液量对增油效果较 大 ，开发效果较好。 5 结 论 1 特低渗储层非均质性严重 ， 导致油层平面 及纵 向水淹程度不同 ，x 区块平面及纵 向含水不均 匀 ，含水与采出程度关系呈现 由凸型向凹型过渡趋 势，目 前开发效果较好。 2 甲、 乙型水驱规律 曲线综合考虑了储层非 均质性、流体性质及措施调整等因素对采收率的影 响 ，较适合特低渗储层采收率预测。研究区预测采 收率平均值达到 2 7 ． 1 4 ％， 目前井网注水政策下开发 效果较好 。 3 随着含水率上升， 无因次采液指数先下降 但下降幅度不大 ，无因次采油指数直线下降， 不同 时期提高采液量措施对增油量效果不同。目前 x区 块综合含水率为 3 6 ．7 ％，无因次采油指数为 O ．7 5 ， 无因次采液指数为 0 ．9 ，提高采液量对增油效果较 大 ，开发效果较好。 4 从含水率平面及纵向分布、 含水率与采出 程度关系 、 采收率预测 、 产液量变化规律综合分析 ， 目前 x区块开发效果较好。 参考文献 [ 1 ] 潘凌， 方全堂殷 永刚l f 氐 渗油藏非均质性对采收率的影响因素研究【 J 1 - 西南石油大学学报 自然科学版 ，2 0 1 2 ， 0 3 3 4 1 1 1 - 1 1 5 ． [ 2 ]尹太举胨 吴， 李中超， 等． 濮城沙三中 6 1 0特低渗油气藏非均质性 研究【 J l _ 天然气地球科学， 2 0 0 4 ， 0 5 1 5 4 7 1 - 4 7 6 ． [ 3 ]李喜莲，赵晓萍， 周攀， 等． 注水开发影响因素分析及其评价IJ 『． 吐哈 油气， 2 0 0 4 ， 0 1 9 3 3 3 6 ． [ 4] 黎广钦．南泥湾超低渗油藏注水开发效果研究f D 1 ． 秦皇岛 燕山大 学， 2 0 1 4 ． [ 5 ]周科． 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