油气设施腐蚀失效形式及控制措施

2019-12-13 05:41:03 hualin 61

近年来,随着我国油气田深度开发和油气管道建设飞速发展,油气井、集输管线和长输管线的腐蚀问题日益突出,给腐蚀控制工作带来极大挑战,同时也要求更多专业技术人员充分了解石油天然气工业中的腐蚀特点,通过不断的技术进步和应用实践,减轻或避免腐蚀带来的危害。


油气工业的生产流程


油气工业的生产大体包括油气开采、油气集输和油气储运等过程。


油气开采的任务是通过一系列可作用于油藏的工程技术措施,使油、气由储层畅流进入井筒,并高效率地将其举升到地面进行分离和计量,其目标是经济有效地提高油气井产量和油气采收率。采油工程系统有两大组成部分:一是具有一定储存和流动特性的孔隙或裂缝介质系统,即油藏;二是人工建造系统,包括井底、井筒、井口装置、采油设备、注水设备以及地面集输、分离和储存设备等。在油气开采中,往往是油中含气(伴生气),或气中含油,所以气田开采工艺一般包括油的生产工艺。


在油田,将各油井生产出来的原油、天然气等混合物进行收集、储运、分离、净化的各种工艺装置和管路连接起来的完整系统称为油气集输流程,简称集输流程。


油井产出的多相混合物经单井管线(或经计量后的混输管线)混输至集中处理站(集中处理站也称为油气集输联合站),在联合站内首先进行气液的分离,然后对分离后得到的液相进一步进行油水分离,通常称原油脱水;脱水后的原油在站内再进行稳定处理,稳定后的原油输至矿场油库暂时储存或直接输至长输管道的首站;在稳定过程中得到的石油气送至轻烃回收装置进一步处理;从油水混合物中脱出的含油污水及泥砂等,进入联合站内的污水处理站进行除油、除杂质、脱氧、防腐等一系列处理,使之达到油田地层回注或环境保护要求的质量标准,再根据需要,回注地层或外排;对从气液分离过程中得到的天然气(通常称为油田伴生气或油田气),进行干燥、脱硫等净化处理后,再进行轻烃回收处理,将其分割为甲烷含量90%以上的干气和液化石油气、轻质油等轻烃产品,其中干气输至输气管道的首站,液化石油气和轻质油等轻烃产品可直接外销。


油气储运,简单讲就是油气的储存和输运两个过程。就是将油田各油井生产的原油和油田气进行收集、处理,将符合外输标准的原油储存、计量后分别输送至矿场、油库或外输站的过程。为了保证油田均衡、安全地生产,外输站或矿场油库必须有满足一定储存周期的油罐。储油罐的数量和总容量应根据油田产量、工艺要求确定。管道输送是用油泵将原油从外输站直接向外输送,具有输油成本低、密闭连续运行等优点,是最主要的原油外输方法。


天然气储运的流程包括:井场-集气站-净化厂(增压站)-配气站(首站-长输管线的穿跨越、中间泵站等)-终点(门站)-用户(居民、化工厂等)。目前,天然气储存技术主要包括液化天然气(LNG)储气、地下储气库(UNGS)储气、水合物(NGH)储气、吸附天然气(ANG)储气和近临界流体(NCF)储气。


石油储运的流程包括:油田原油开采→(管)运输(罐)储集→预处理(脱水、轻烃回收)→罐储→(管、船)运→中转站(油库)→炼油厂→产品罐储→(管、船、火车、汽车)运→中转站(油库)→加油站→销售、使用。原油从油井(自喷或抽油机井)经集油管线输至集油站,在集油站进行适当的油气分离、计量、增压、加热。由管道(油气混输或油气分输)输至集油总站对原油进行轻烃回收、原油稳定、含油污水处理、气体脱水、脱CO2和脱硫等综合处理。经处理质量合格后的原油,进入首站(或原油库),由长输管线输至炼油厂或码头。


油气设施腐蚀失效形式


根据腐蚀失效的形式和腐蚀形貌,可以将导致油气管道与设施失效的腐蚀类型分为全面腐蚀、局部腐蚀和环境敏感断裂。目前,油气管道与设施的主要材料为碳钢、低合金钢和不锈钢及耐蚀合金。全面腐蚀和局部腐蚀引起的失效主要发生于碳钢和低合金钢材料,而局部腐蚀环境敏感断裂引起的失效多发生于不锈钢。


油气管道设施的腐蚀在宏观上还可以分为内腐蚀和外腐蚀,内腐蚀主要是管体内部由于输送的油气水多相流动介质所导致的腐蚀,外腐蚀主要是管体外部遭受的土壤、地下水和微生物引起的腐蚀。油气管材的腐蚀问题由于其接触介质的多样性,腐蚀形式复杂,往往给工程技术人员带来诸多困惑。


为了能够更好地使工程技术人员从不同层次了解腐蚀问题,本书后面的章节分别从油气工业的腐蚀环境特点、腐蚀发生发展的不同层次,以及具体的腐蚀类型及其机理等方面介绍油气工业典型的腐蚀问题,既包括人们熟知的CO2腐蚀、H2S腐蚀,也包括与管道运行相关的垢下腐蚀和顶部腐蚀,还包括环境敏感断裂的多种形式。


油气设施腐蚀控制措施


(1)材料选择

腐蚀控制的材料选择是一项复杂的经济和技术决策,其中要考虑油气工程整个寿命周期内的成本、施工实践和操作程序。针对特定的应用场合选择特定的材料很重要,选择合适的加工方法(如焊接或涂镀)也很重要。正确选择对长期腐蚀控制和维持资本支出与运营支出之间的最佳平衡至关重要,这将最大限度地提高管道的完整性和运行安全。腐蚀裕量的使用是对选材中经济考虑和技术考虑之间相互作用的最简单示例。


一般的,预期寿命较长的管道通常倾向于选择较昂贵的耐蚀合金(CRA),这大大降低了运营成本。庞大的管道系统则倾向于使用较便宜的材料但运营成本会很高,其中包括使用额外的腐蚀控制方法如化学处理、涂层、阴极保护。


针对特定应用的耐腐蚀材料选择取决于预期的服役条件。例如,金属材料在H2S介质存在开裂敏感性,选材取决于温度、H2S分压、原位pH值、氯离子含量、元素硫、温度、应力以及与液态水相接触的时长等诸多因素。这都是油气工业腐蚀控制选材经常面临的工作。


(2)保护涂层

很多情况下,最实用、最直接的腐蚀控制方法就是用合适的保护涂层涂覆管道表面。涂层是腐蚀控制的第一道防线。用于腐蚀控制的涂层可主要分为牺牲性涂层、缓蚀性涂层、导电性涂层、阻隔性涂层等。既包括金属镀层或包覆层、堆焊层,又包括非金属的涂层、衬里等。


(3)阴极保护

阴极保护对通过腐蚀控制维护管道完整性是十分重要的。阴极保护(CP)控制腐蚀,首先通过消除被腐蚀金属结构的阳极和阴极之间的电位差,其次通过在阴极保护系统的阳极和被腐蚀金属结构之间形成一个负电位差从而使被腐蚀结构成为新的电化学电池的阴极。本质上,阴极保护是通过使表面变为阴极从而控制金属腐蚀的技术。


(4)电气绝缘

当管道结构容易受到电偶腐蚀或交直流干扰电流腐蚀的影响时,腐蚀控制的切实可行方法是确保结构的电气隔离。管线系统设计应避免在直接接触或穿过同一电解质的位置使用异种金属。在使用异种金属的情况下,需要采用电气隔离手段来阻断金属电连续性以防止或显著降低电偶腐蚀。


杂散电流并非同一结构的阳极和阴极之间的电偶腐蚀电流。流经正常电路之外的电通路的电流可归为杂散电流,包括静态电流或动态电流,交流电流或直流电流。杂散电流造成大多数金属的严重腐蚀。杂散电流腐蚀可能是由系统造成,如电力系统、铁路系统、电接地、邻近埋地管道阴极保护系统、采矿作业、焊接作业等。如果不加以控制,杂散电流可能会很快地破坏结构或者造成潜在的灾难性后果。


(5)环境控制

石油天然气勘探和生产系统中的环境尽管具有腐蚀性,但仍可以通过环境或介质调节控制腐蚀。环境控制变量包括压力、温度、流体动力学、管道应力状态等管道内部和外部环境条件。如脱水和除氧等处理的目的就是通过改变介质腐蚀性环境进而影响腐蚀,还包括化学处理、调整环境的导电性、调节pH,或者确保环境与潜在的腐蚀因素“隔绝”等方式。地床和回填也是改变埋地管道环境的例子,可以保护管道涂层并且最大限度地减少潜在的安装应力。


使用缓蚀剂、除氧剂和杀菌剂等化学处理也是在石油天然气开发生产中重要的环境控制方法。为了有效地控制微生物腐蚀,杀菌剂一般针对微生物的原始来源而非整个系统。应确定所有液体的来源以检测细菌的存在并确定是否有可能出现腐蚀。化学药剂可按批次使用或连续使用,要根据类型选择应用方法。


水作为连续液体相存在才会引起严重的腐蚀。水蒸气自身因其不是电解质而不造成腐蚀,但在蒸汽相形成凝结水的地方,假如存在其他环境条件就可能发生腐蚀。因此去除天然气中的水蒸气是通过环境控制实现腐蚀控制的一种可行方法。


清管也是改变管道内部环境的有效方法,清管一般采用清管器清除管道中积水、残渣、污泥和其他固体沉淀物。管道的内腐蚀通常与水有关,天然气和凝析油管道容易受冷凝水积液和因操作扰动造成携带水分的影响,导致管道内部出现积水。同时管道内部累积的水和固体沉积也可能引起垢下腐蚀并且创造一个对局部腐蚀有利的环境,包括微生物腐蚀,因此及时对管道进行清管作业也是重要的环境控制方法。


管道的制造、运输、安装和作业所产生的应力与恶劣的环境结合能够引起应力腐蚀或环境敏感断裂。通过科学选材、合理设计和优化焊接方法以减少残余应力,是控制硫化物应力腐蚀开裂的重要途径。还应通过消除可能积聚氯化物的缝隙,来避免发生氯化物应力腐蚀开裂。因此,环境应力控制和减弱环境敏感断裂的敏感环境条件,也是环境控制的重要手段之一。


(6)防腐蚀设计

设计是控制腐蚀的一种基本途径。有效利用设计达到最大效果的实例包括工艺布置设计、涂层设计、腐蚀监测设计、化学处理方法设计、有效清管作业设计,分水器、滴水槽、盲管段、截止管段的管道设计,以及流体动力学设计。通过设计也可以实现沉积物控制、除氧和微生物控制。


在管道设计中,应避免出现缝隙和不准确对接,因为这可能造成缝隙腐蚀。在一些设计中如搭接接头设计,缝隙是固有的,应当对其进行妥善密封。为完全避免留下缝隙,可以使用弹性垫圈或使用寿命较长的密封剂。为避免湿气进入缝隙也要求进行合理设计。假如湿气积累不可避免,设计要力求为缝隙提供完备的排水体系。设施的有效排水对防止流体滞留在缝隙内至关重要,必须对此类区域进行定期检查和彻底清洁。


在任何生产现场都不可避免会存在盲管段、截止管线、排水管道和滴水槽。这些管段的特点是其停滞或间歇流动的状况,在这种状况下腐蚀会蔓延但却不容易被发现,从而危及管道完整性。避免流体停滞的恰当设计再加上监测可以改变这种状况。另一种选择就是通过设计盲管段和滴水槽以便更容易地对其进行检查和清洁。