廖柯熹,江 潘,劉 鑫,陳璐潔,鮮 俊,何國(guó)璽,鄒 慶

(1.西南石油大學(xué)石油與天然氣工程學(xué)院, 成都 610500;2.國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)西南管道有限公司昆明維搶修分公司, 昆明 650000;3.中國(guó)石油青海油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院,酒泉 736202;4.中石油塔里木油田分公司,庫(kù)爾勒 841000)

頁(yè)巖氣田在開(kāi)采過(guò)程中常采用水力壓裂,因此輸水管道的應(yīng)用較為廣泛[1-2],然而,輸水管道的腐蝕穿孔常有發(fā)生[3]。腐蝕不僅會(huì)影響管道的使用壽命,還會(huì)造成泄漏;此外,管道泄漏會(huì)造成輸送效率降低、環(huán)境污染、經(jīng)濟(jì)損失等嚴(yán)重后果[4-5]。因此,需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管道實(shí)際運(yùn)行工況,分析管道腐蝕敏感區(qū)域,確定其內(nèi)腐蝕程度,預(yù)測(cè)腐蝕趨勢(shì)[6-7]。

ARJMAND等[8]研究了316L不銹鋼在含氧NaCl溶液中的傳遞電位和腐蝕電位,得出兩種電位隨CDO(溶解氧濃度)在0～200 μg/L內(nèi)的增大而增大,不銹鋼表面氧化膜逐漸增大。BEAKET等[9]和COVINO等[10]的研究表明,溶解氧會(huì)顯著影響低碳鋼的陽(yáng)極鈍化膜,溶解氧將低價(jià)鐵氧化成高價(jià)鐵,有助于鋼材表面鈍化膜的生長(zhǎng)和穩(wěn)定性。CCERES等[11]得到了碳鋼在不同NaCl溶液中溶解氧濃度的臨界值;在1 mol/L NaCl溶液中,當(dāng)溶解氧濃度低于2 mg/L時(shí),腐蝕電流密度與氧濃度近似成正比;在高于2 mg/L時(shí),腐蝕電流密度增大但斜率逐漸減緩。LIN等[12]發(fā)現(xiàn)在95%(體積分?jǐn)?shù),下同)CO2-5%O2水環(huán)境中溶解氧破壞了3Cr鋼表面腐蝕產(chǎn)物的完整性,導(dǎo)致鉻元素分布不均勻,加速腐蝕。但是,某些研究認(rèn)為溶解氧也會(huì)抑制腐蝕進(jìn)程,其抑制程度跟溶解氧濃度相關(guān),當(dāng)溶解氧濃度超過(guò)某個(gè)臨界值時(shí),腐蝕速率顯著下降,原因是鈍化膜變得致密,可以有效抑制腐蝕性離子侵入[12-14]。然而,關(guān)于頁(yè)巖氣田輸水管道中溶解氧的腐蝕行為研究,目前卻鮮見(jiàn)報(bào)道。

MELCHERS等[15]研究了海洋環(huán)境中溶解氧與腐蝕速率之間的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在早期腐蝕中腐蝕速率與溶解氧呈線性關(guān)系,當(dāng)溶解氧含量為0.5～10 mg/L時(shí),腐蝕速率隨溶解氧含量增加而增大。然而,頁(yè)巖氣輸水管道服役環(huán)境與海洋環(huán)境存在較大差異,有必要進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

因此,筆者利用多相流模擬軟件分析目標(biāo)管段的沿程流動(dòng)參數(shù)分布情況,確定腐蝕敏感區(qū)域及其相應(yīng)工況參數(shù);設(shè)計(jì)了8組高溫高壓反應(yīng)釜試驗(yàn),確定輸水管道內(nèi)腐蝕程度;基于多相流模擬結(jié)果和腐蝕數(shù)據(jù),建立適合K頁(yè)巖氣田輸水管道內(nèi)腐蝕的預(yù)測(cè)模型,以期為現(xiàn)場(chǎng)輸水管道的腐蝕防控和安全運(yùn)行提供了參考。

1 腐蝕敏感區(qū)域及工況的確定

1.1 管道模型的建立

1.1.1 管道模型

K頁(yè)巖氣田共存在兩條輸水管線,分別為K1線和K9線。其中K1線中共三條管道,分別為SL取水點(diǎn)-K13管段、K13-K110管段、K110- K118管段;K9線只有一條管道,為K912-K96管段,如圖1所示,每個(gè)節(jié)點(diǎn)處均有分支管道。

圖1 目標(biāo)管道模型Fig.1 Target pipeline model

利用OLGA軟件的Basic Model模塊,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)管道設(shè)計(jì)參數(shù)建立1…1的模型,設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 管道設(shè)計(jì)參數(shù)

1.1.2 運(yùn)行參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行參數(shù),目標(biāo)管道無(wú)防腐蝕層、保溫層,4條目標(biāo)管段的運(yùn)行參數(shù)如表2所示。

表2 目標(biāo)管段的基礎(chǔ)運(yùn)行參數(shù)

1.1.3 水質(zhì)參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)輸水管道水體介質(zhì)組分,基于PVTsim建立相應(yīng)的水樣組分模型,如表3所示。

表3 模擬水樣組分

1.2 腐蝕敏感區(qū)域及工況的確定

根據(jù)OLGA模擬計(jì)算溫度、壓力參數(shù)及管道傾角,判定腐蝕敏感區(qū)域及相應(yīng)的工況參數(shù)。

4根目標(biāo)管段運(yùn)行穩(wěn)定后,沿線溫度、壓力、高程的變化如圖2所示。可以看出:溫度變化很小;沿程壓力隨管道路由呈下降的趨勢(shì)。管路沿程地形的起伏導(dǎo)致輸水管道內(nèi)流體的壓力和溫度出現(xiàn)了不同幅度的上下波動(dòng),地形起伏越大,壓力和溫度波動(dòng)幅度也越大[16]。

圖2 4根目標(biāo)管段溫度壓力沿線變化規(guī)律及路由圖Fig.2 Temperature and pressure change law and route diagram of 4 target pipe sections along the line

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行參數(shù)和OLGA模擬結(jié)果,得到進(jìn)出口溫度、壓力的誤差分析結(jié)果,見(jiàn)表4。由表4可知最大誤差為5.7%,小于10%,說(shuō)明模擬結(jié)果符合實(shí)際工況[17-18]。

表4 4根目標(biāo)管段運(yùn)行參數(shù)的模擬值和實(shí)測(cè)值

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SY/T 0087.2-2020《鋼質(zhì)管道及儲(chǔ)罐腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)第2部分:埋地鋼質(zhì)管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)》,管道低洼處等管道曲率過(guò)大位置為腐蝕敏感區(qū)域[19]。這是因?yàn)楣艿纼A角減小和增大位置,分別對(duì)應(yīng)著傾斜向下管段和傾斜向上管段,該區(qū)域即為管段低洼處,所以腐蝕敏感區(qū)域應(yīng)選擇兩側(cè)管道傾角差距最大的區(qū)域,4根目標(biāo)管段的腐蝕敏感區(qū)域位置及運(yùn)行參數(shù)如表5所示。

表5 4根目標(biāo)管段的腐蝕敏感區(qū)域位置及運(yùn)行況參數(shù)

2 腐蝕預(yù)測(cè)模型的建立

基于4條目標(biāo)管段的腐蝕敏感區(qū)域及相應(yīng)工況參數(shù),制定高溫高壓反應(yīng)釜試驗(yàn),測(cè)試腐蝕速率并確定腐蝕程度,建立適合K頁(yè)巖氣田輸水管道內(nèi)腐蝕的預(yù)測(cè)模型。

2.1 高溫高壓反應(yīng)釜試驗(yàn)

2.1.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

輸水管道材質(zhì)為L(zhǎng)290鋼,其主要成分見(jiàn)表6。用于高溫高壓反應(yīng)釜試驗(yàn)的試樣尺寸為50 mm×10 mm×3 mm,試驗(yàn)前用砂紙(400～1000 號(hào))逐級(jí)打磨,使試樣表面粗糙度趨于均勻。采用石油醚清洗打磨后的試樣10 min,去除表面油脂,隨后放入無(wú)水乙醇中浸泡清洗10 min,進(jìn)一步脫水、去脂。使用冷空氣干燥試樣,用精確度為0.1 mg的分析天平稱(chēng)量。每組4個(gè)平行試樣,用于測(cè)試腐蝕速率。試驗(yàn)溶液根據(jù)表3配制。

表6 L290管道鋼的化學(xué)成分

使用雷磁JPB-607A便攜式溶解氧測(cè)定儀測(cè)定水中溶解氧含量,精度為0.1 mg/L。

2.1.2 試驗(yàn)方法

管道處于埋地環(huán)境中,服役環(huán)境溫度變化不大,故試驗(yàn)溶液中的解氧含量變化也很小。

如表7所示,設(shè)置高溫高壓釜試驗(yàn)條件:其中14組試驗(yàn)條件基于提取的4處腐蝕敏感區(qū)域及相應(yīng)工況參數(shù)。根據(jù)K頁(yè)巖氣田輸水管道歷史運(yùn)行和測(cè)量數(shù)據(jù),其溶解氧含量為0.9～8 mg/L,壓力為1.5～3.5 MPa,溫度為25～40 ℃,增加58組所示極限工況試驗(yàn)條件。

表7 高溫高壓反應(yīng)釜試驗(yàn)條件

將試驗(yàn)溶液倒入反應(yīng)釜中后,將試樣安裝在樣品支架上并完全浸沒(méi)在溶液中。使用溶解氧儀測(cè)量溶液中溶解氧含量,通過(guò)注入氮?dú)獾姆绞绞谷芙庋鹾糠€(wěn)定在設(shè)定值。根據(jù)表7設(shè)置試驗(yàn)溫度、壓力,試驗(yàn)時(shí)間為120 h。

2.1.3 腐蝕速率計(jì)算

根據(jù)公式(1)計(jì)算腐蝕速率[21-23]。

(1)

式中:vcorr為試樣腐蝕速率,mm/a;m1為試樣腐蝕后質(zhì)量,g;m2為試樣腐蝕前質(zhì)量,g;t為試樣腐蝕反應(yīng)時(shí)間,h;ρ為試樣鋼材的密度,g/cm3;S為試樣的表面積,cm2。

2.2 模型建立

2.2.1 均勻腐蝕速率

腐蝕速率測(cè)試結(jié)果表明試樣在14組試驗(yàn)條件下的腐蝕速率分別為0.108 3,0.098 0,0.094 0,0.089 5 mm/a。在58組試驗(yàn)條件下的腐蝕速率分別為0.092 9,0.085 6,0.077 9,0.064 9 mm/a。

參考標(biāo)準(zhǔn)GB/T 23258-2020《鋼質(zhì)管道內(nèi)腐蝕控制規(guī)范》對(duì)均勻腐蝕速率進(jìn)行評(píng)價(jià)[24],如表8所示,目標(biāo)管段內(nèi)腐蝕程度為中度腐蝕。

表8 均勻腐蝕速率評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2.2.2 建立腐蝕預(yù)測(cè)模型

(1) 多元線性回歸理論

模型因變量為Y,影響Y的因素有i個(gè)自變量,x1、x2、x3、…、xi。根據(jù)多元線性回歸理論,基于各個(gè)因變量Y和自變量xi之間的關(guān)系,建立腐蝕速率模型:

Yi=fi(xi)

(2)

式中:fi(xi)為各個(gè)自變量xi和因變量Y之間的函數(shù)關(guān)系。

再根據(jù)多元線性回歸理論思想,將式(2)函數(shù)關(guān)系式fi(xi)整體當(dāng)做多元線性回歸中的自變量Xi,即X1=f1(x1)、X2=f2(x2)…Xi=fi(xi),令隨機(jī)誤差為ε,則Y和Xi之間的線性回歸模型可表示為:

Y=k0+k1X1+k2X2+k3X3…+knXn+ε

(3)

式中:k0、k1、k2、…、kn為回歸系數(shù),解開(kāi)各個(gè)回歸系數(shù)即可得出腐蝕速率預(yù)測(cè)模型。

為計(jì)算出回歸系數(shù),需要對(duì)(x1,x2,…,xn,Y)進(jìn)行m次獨(dú)立試驗(yàn),得到m組試驗(yàn)數(shù)據(jù)(xt1,xt2,…,xtk),t=1,2,…,m(m>n+1),它們滿足關(guān)系式:

Y=k0+k1Xt1+k2Xt2+k3Xt3…+knXtn+εt

(4)

式中:ε1,…,εn互不相關(guān)均是與ε同分布的隨機(jī)變量。建立線性方程式,可得如式(5)的樣本模型:

(5)

用矩陣表示式(5),得Y=XK+ε,如式(6)所示。根據(jù)矩陣運(yùn)算法則,得K=(XTX)-1XTY,使用最小二乘法得到K值,最后得到腐蝕速率預(yù)測(cè)模型[25-26]。

(6)

(2) 腐蝕速率預(yù)測(cè)模型建立

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于腐蝕速率預(yù)測(cè)模型的研究已頗有研究。建立腐蝕速率預(yù)測(cè)模型需要考慮溶解氧濃度、溫度、壓力的影響,腐蝕速率模型建立如式(7)(9)所示[28]:

vcorr=k·f(CDO,T,P)

(7)

vcorr=K·fCDO(CDO)·fT(T)·fP(P)

(8)

lnvcorr=lnfCDO(CDO)+lnfT(T)+lnfP(P)+C

(9)

式中:vcorr為腐蝕速率,mm/a;fT(T)為溫度影響腐蝕速率的函數(shù);fP(P)為壓力影響腐蝕速率的函數(shù);fCDO(CDO)為溶解氧含量影響腐蝕速率的函數(shù);C為常數(shù)。

① 溶解氧

MELCHERS[15]發(fā)現(xiàn)腐蝕速率與溶解氧之間存在線性關(guān)系。由于在無(wú)氧條件下腐蝕發(fā)生可以忽略不計(jì),溶解氧模型可以表示為:

vcorr=A·O

(10)

式中:vcorr為腐蝕速率,mm/a;O為溶解氧含量濃度,mg/L;A為常數(shù)。

一些研究者也報(bào)道了不同溫度下腐蝕速率與溶解氧濃度之間的冪函數(shù)關(guān)系[14],其關(guān)系式如式(11):

vcorr=A·OB

(11)

式中:B為常數(shù)。

② 溫度

溫度對(duì)于腐蝕速率的影響僅次于腐蝕介質(zhì)。FONTANA[28]指出,隨著溫度的升高,腐蝕速率呈指數(shù)增長(zhǎng),其關(guān)系式為:

vcorr=D·eET

(12)

式中:T為溫度,℃;D,E為常數(shù)值。

而SOARES和ROBERGE[14]的腐蝕速率近似線性方程的關(guān)系是:

vcorr=D·T+E

(13)

在大多數(shù)物理應(yīng)用中,溫度的加速效應(yīng)通常用ARRHENIUS[14]模型,其關(guān)系式見(jiàn)式(14):

vcorr=D·e-E/T

(14)

式中:T為熱力學(xué)溫度,K。

③ 壓力

壓力也會(huì)對(duì)腐蝕速率產(chǎn)生影響?；谝恍W(xué)者在不同壓力下腐蝕速率和壓力關(guān)系的研究結(jié)果,其關(guān)系式見(jiàn)式(15)[30]:

lnvcorr=lnP

(15)

因?yàn)樵诟g環(huán)境中溶解氧、壓力可能為0,但溫度參數(shù)始終存在,因此對(duì)溶解氧濃度、壓力參數(shù)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化,建立的數(shù)學(xué)模型見(jiàn)式(16)和(17)。

lnvcorr=βln(CDO+1)

(16)

lnvcorr=δln(P+1)

(17)

將式(14)、(16)、(17)代入到式(9)中,得到L290管道在不同溶解氧濃度、溫度、壓力下的腐蝕速率預(yù)測(cè)模型,見(jiàn)式(18):

(18)

式中:α、β、γ、δ為回歸系數(shù)。結(jié)合多相流模擬和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果,采用Matlab軟件,進(jìn)行多元線性回歸方法,確定腐蝕預(yù)測(cè)模型中的回歸系數(shù),得到腐蝕預(yù)測(cè)模型。

(3) 模型驗(yàn)證

以3.2.1節(jié)8組腐蝕速率結(jié)果為基礎(chǔ),應(yīng)用Matlab中regress算法擬合出腐蝕預(yù)測(cè)模型中各個(gè)回歸系數(shù)值。擬合出的腐蝕預(yù)測(cè)模型如式(19)所示:

lnvcorr=-0.648 3+0.390 4ln(CDO+1)-734.72/T+0.005 2ln(P+1)

(19)

采用腐蝕速率預(yù)測(cè)模型對(duì)8組試驗(yàn)條件下的腐蝕速率進(jìn)行預(yù)測(cè),得到預(yù)測(cè)值、實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的誤差值如圖3所示。由圖3可知,預(yù)測(cè)模型最大誤差為3.9%,小于5%,表明建立的預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確性較高。其中,該預(yù)測(cè)模型適用范圍為溫度25～40 ℃,壓力1.5～3.5 MPa,溶解氧質(zhì)量濃度0.9～8 mg/L。

圖3 試驗(yàn)值與預(yù)測(cè)值的對(duì)比圖Fig.6 Comparison between experimental value and predicted value

3 結(jié) 論

(1) 采用OLGA軟件模擬管道沿程流動(dòng)參數(shù)分布,確定腐蝕敏感區(qū)域位置及其相應(yīng)工況參數(shù)。

(2) 根據(jù)腐蝕敏感區(qū)域工況參數(shù)和輸水管道歷史工況數(shù)據(jù),制定高溫高壓反應(yīng)釜試驗(yàn),得到8組腐蝕速率,為0.064 8～0.105 6 mm/a,目標(biāo)管段內(nèi)腐蝕程度為中度腐蝕。

(3) 采用多元線性回歸方法,建立了適用于K頁(yè)巖氣田輸水管道腐蝕預(yù)測(cè)模型,腐蝕預(yù)測(cè)模型最大誤差為3.9%,表明建立的預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確性較高。該預(yù)測(cè)模型適用范圍為溫度25～40 ℃,壓力1.5～3.5 MPa,溶解氧質(zhì)量濃度0.9～8 mg/L。