海底管道面临的内腐蚀风险概述

2020-07-31 01:11:13 hualin 14

前 言


海底管道是海上油气田生产设施的重要组成部分,也是海底油气能源运输的最重要动脉。随着我国海洋石油天然气的不断开发, 海洋油气管道建设发展迅速,保证海底油气管道安全运行的重要性也日益凸显。

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据文献报道,造成海底管道失效主要由于腐蚀、工程质量、第三方破坏、自然和地质灾害等4个方面,由于腐蚀造成的失效占到总次数的37%。如下图所示,海管内腐蚀影响因素众多、机理复杂,属于腐蚀风险管控的重点和难点工作。

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本文围绕海管面临的主要内腐蚀类型,介绍其腐蚀机理、影响因素、防腐策略等方面。


01 CO2腐蚀


CO2作为天然气和石油伴生气的组分存在于油气中。当它是干燥气体时,本身不具备腐蚀性。当它溶于水或原油时具有很强腐蚀性。如在同样pH下 ,CO2的总酸度比 HCl 高 , 对钢铁的腐蚀比HCl还严重。CO2会引起管道迅速的全面和局部腐蚀,最终造成失效。

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CO2腐蚀过程主要受到温度、压力、流速、pH值、介质组成、腐蚀产物膜等方面的影响,并且这些参数与现场的环境、状态条件密切相关。


防控策略:


1、合理选材:选择抗酸性低合金管线钢管材如X65、X70;或者双金属复合管,如内管316L不锈钢,外管X65碳钢;


2、药剂保护:利用缓蚀剂成膜作用,在材料表面进行防护,从而有效降低材料腐蚀速率。


02 H2S腐蚀


H2S对管道的损伤主要表现电化学腐蚀和氢致损伤两种类型。H2S溶于水中后电离呈酸性,使管道受到电化学腐蚀,造成管壁减薄或局部点蚀穿孔。此外,腐蚀过程产生的氢原子被材料吸收后,在管材冶金缺陷区富集,可能导致钢材脆化,萌生裂纹导致开裂。H2S一般来源于油气储层和微生物作用次生。

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H2S腐蚀过程主要受到材料因素(显微组织、硬度、合金元素)、环境因素(浓度、pH值、温度、流速、Cl-)等方面的影响。一般情况下,CO2、H2S是共存的,腐蚀研究表明在海底管道中微量的H2S存在,对CO2腐蚀是有明显的抑制作用。


防控策略:


1、合理选材:使用低合金管线钢,如X65、X70;或者双金属复合管,如内管316L不锈钢,外管X65碳钢;


2、缓蚀剂保护:利用缓蚀剂在材料表面的成膜作用,从而有效降低材料腐蚀速率。


3、微生物控制:通过杀菌等控制微生物繁殖速度,控制H2S次生。


03 微生物腐蚀


微生物主要通过材料表面的生物膜中微生物的生命活动导致或促进材料腐蚀破坏的形式。主要以局部点蚀为主,其发生、发展在时间和空间上具有不可预见性。大多数腐蚀都是微生物参与下的电化学过程,危害很大。典型微生物有硫酸盐还原菌(SRB)、铁细菌(FB)等。

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微生物腐蚀过程主要受到生物膜生产期、输送介质组分、砂垢形成的外部环境等方面的影响,并且这些参数与现场的环境、状态条件密切相关。


防控策略:


1、化学药剂:在充分了解菌种、繁殖速度和存活期限的情况下,合理采用杀菌剂。药剂见效快,但持久性弱;


2、清管作业:定期改变细菌生存体系,打破利于其繁殖的环境或状态,切断其营养和生长条件。


04 垢下腐蚀


垢下腐蚀是一种金属表面沉积物形成的局部腐蚀,破坏性极大。当管道物流中携带淤泥、砂和固体颗粒,残留下来成为沉积物。在与CO2、H2S、微生物等腐蚀综合作用时,会形成电偶腐蚀效应,引发严重的点蚀,而周围区域的腐蚀很轻微。

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由于腐蚀与结垢的双重影响,其影响因素非常复杂。受到固体颗粒组成、沉积特性、沉积速率和沉积厚度、流体腐蚀性、流速、环境因素、不定期工艺操作、生产药剂使用等。


防控策略:


1、清管作业:定期对管道内壁上的积蜡、积液、污垢及锈蚀物有效清除,重建海管内环境体系;


2、药剂保护:利用缓蚀剂成膜作用,在材料表面起防护作用,从而有效降低材料腐蚀速率


3、工艺优化:提高流速,增强物流携砂能力;控制温度,避开微生物繁殖活跃区间等。


05 冲刷腐蚀


冲刷腐蚀是金属表面与腐蚀流体之间由于高速相对运动引起的金属损伤,多表现为腐蚀和冲刷的交互协同作用。流体高速运动会破坏(减薄或去除)金属表面的保护膜或腐蚀产物膜,加速金属腐蚀过程。如果流体中含有固相颗粒,腐蚀会更为严重。


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冲刷腐蚀的影响因素相对复杂,主要受到材料本身性质、温度、pH、溶解氧、流体流态、流速、第二相、腐蚀产物膜值、过流部件形状等方面的影响。


防控策略:


1、优化设计:控制表面流速在临界流速之下,避免局部湍流的形成;


2、工艺控制:控制固相含量、pH值、温度、气体含量;


3、正确选材:选择更为耐腐蚀、耐磨的材料。


06 顶部腐蚀


湿气生产与输送过程,当热传导使管壁温度低于水蒸气露点时,湿气中水蒸气在管道侧壁和顶部生成凝析水,且顶部液膜通常厚于侧壁。湿气中含有酸性气体或可挥发腐蚀性物质(如CO2、H2S、乙酸等),溶解于凝析水会对管道内壁造成严重的腐蚀。一般液相缓蚀剂接触不到的管道顶部,因此,顶部腐蚀速率会明显大于底部。

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顶部腐蚀过程主要受到冷凝率、多相流液态、气体流速、温度、挥发性腐蚀介质等方面的影响,多出现在。


防控策略:


1、工艺调整:湿气脱水、控制露点等;


2、药剂控制:气相缓蚀剂、表面活性剂+液相缓蚀剂、pH值稳定剂等综合作用。


07 焊缝腐蚀


焊缝腐蚀主要是由制造和冶金因素共同造成的,是因为焊接基体和熔合区金属的化学成分不同而形成腐蚀微电池。腐蚀微电池体系中,由于电偶效应的作用导致材料表面会形成严重局部点蚀并不断扩展,最终导致失效。

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焊缝腐蚀与金属化学组分、材料结构、焊接工艺、焊接缺陷、焊接裂纹及残余应力等。


防控策略:


1、合理选材:合理选择焊接材料,使其相对于操作环境具有尽可能好的化学相容性等;


2、焊接质量:克服焊接后出现咬边、裂缝以及焊缝表面和焊缝根部形状不规范等缺陷;


3、焊后热处理:释放部分或全部残余应力,并保护焊接接头免受某些形式的腐蚀。