趙 鵬,葛鵬莉,賈旭東,馬智華

(1.中國石油化工股份有限公司西北油田分公司石油工程技術(shù)研究院,烏魯木齊 830011;2.中國石油化工股份有限公司縫洞型油藏提高采收率重點實驗室,烏魯木齊 830011)

近年來,天然氣的需求不斷提升,管道輸送作為天然氣輸送的主要方式,其服役安全受到廣泛關(guān)注,尤其是含硫濕氣管道,其輸送介質(zhì)具有極強的腐蝕性,一旦泄漏會引起環(huán)境污染,甚至?xí)ι】翟斐赏{。由于管道內(nèi)檢測成本高,且部分管道無法實現(xiàn)內(nèi)檢測,因此,引入內(nèi)腐蝕直接評價方法,可實現(xiàn)對管道全線的內(nèi)腐蝕風(fēng)險評價[1-5]。謝飛等[6]采用電化學(xué)測試和數(shù)值模擬方法研究發(fā)現(xiàn)電化學(xué)腐蝕在天然氣管道中占主導(dǎo),提出了改進的內(nèi)腐蝕直接評價方法,并在盤錦某天然氣管道上得到了有效應(yīng)用。朱方輝等[7]基于長慶氣田集輸管道建立了三維流型分布圖,并優(yōu)化了腐蝕預(yù)測模型,應(yīng)用結(jié)果表明預(yù)測結(jié)果精度更高。汪江斌等[8]采用建立的多相流內(nèi)腐蝕評價模型,對海底管線進行腐蝕預(yù)測和高風(fēng)險段識別,并驗證了評價結(jié)果的有效性。王凱等[9]以多相混輸海底管道工況為基礎(chǔ),通過數(shù)值模擬和試驗研究,驗證了多相流管道內(nèi)腐蝕直接評價方法(MP-ICDA)得出的結(jié)果具有重要的參考價值。葛揚志等[10]采用WG-ICDA評價CO2多相流海底管道,并通過改進的NORSOK模型提升了CO2腐蝕預(yù)測結(jié)果的準確性。目前,濕氣管道直接評價方法仍無法實現(xiàn)含硫濕氣管道風(fēng)險段的準確判斷,由于濕天然氣在輸送過程中易在管道低洼段形成積液,同時含有H2S和CO2,增大了管道腐蝕風(fēng)險。因此,筆者采用數(shù)值模擬方法對WG-ICDA中的間接評價過程進行優(yōu)化,并應(yīng)用于塔河某含硫濕氣管道進行驗證,以期提升WG-ICDA評價結(jié)果的準確性。

1 預(yù)評價

預(yù)評價包括收集與內(nèi)腐蝕評價相關(guān)的管道運行數(shù)據(jù),確定WG-ICDA是否適用于管道段的評價。以塔河某濕氣管道為例進行評價研究,管道運行數(shù)據(jù)見表1,高程里程數(shù)據(jù)見表2,由采集的數(shù)據(jù)分析可知,該管道內(nèi)腐蝕以H2S/CO2腐蝕為主。由于管道較長且高程變化大,無法實現(xiàn)管道全線的內(nèi)檢測,采用內(nèi)腐蝕直接評價方法,管道基本資料收集齊全,具備WG-ICDA評價條件。

表1 管道運行數(shù)據(jù)

表2 高程里程

2 間接評價

間接評價過程是管道直接評價的重要環(huán)節(jié),提高間接評價水平,增強腐蝕速率預(yù)測的準確性,優(yōu)化風(fēng)險段劃分依據(jù),盡量減少直接評價中檢測點選取的數(shù)量,可有效降低成本。

2.1 腐蝕速率預(yù)測

基于管道運行數(shù)據(jù),半經(jīng)驗?zāi)Ｐ虳e Weard 95更適合該濕氣管道的腐蝕預(yù)測,但De Weard 95模型腐蝕速率預(yù)測未考慮H2S的影響[11-13]。因此,結(jié)合WG Intetech公司的Electronic Corrosion Engineer(簡稱ECE)軟件模擬分析H2S腐蝕,并對De Weard 95模型進行優(yōu)化。De Weard 95表達式見式(1)

(1)

式中:Vcorr為腐蝕速率,mm/a;t為溫度,℃;PCO2為CO2分壓,MPa;pHactual為實際pH;U為液相流速,m/s;d為管內(nèi)徑,m。

采用LedaFlow軟件建模,對管道運行工況進行模擬分析,管道運行24 h后,基本達到穩(wěn)定狀態(tài)。通過LedaFlow軟件可以得到管道任意時刻任意位置的狀態(tài)參數(shù),包括壓力、溫度、持液率、流型等,同時可以通過三維結(jié)果確定管道內(nèi)部積液分布特點(見圖1)。這些參數(shù)為后續(xù)的腐蝕速率預(yù)測及判斷風(fēng)險點提供了重要依據(jù)。

圖1 三維模擬圖Fig.1 Three dimensional simulation diagram

由圖1可知,在管道低洼處形成積液,腐蝕速率受積液的影響相對較大,最小腐蝕速率和最大腐蝕速率均出現(xiàn)在積液段,而連續(xù)積液段的腐蝕速率比無積液段更小,這與連續(xù)積液的緩沖作用有關(guān),在積液的包圍下,腐蝕性介質(zhì)很難與管壁直接接觸,從而對管壁起到一定的保護作用;當(dāng)積液段不連續(xù)時,天然氣中的H2S和CO2等腐蝕性物質(zhì)溶于積液中,且在壓力和溫度發(fā)生變化時,流體擾動加劇,反應(yīng)加速,釋放出更多的H+,降低了積液的pH,提高了管壁的腐蝕速率。因此,在間接評價過程中,不僅要考慮高程變化和沿線流態(tài)變化,還要考慮積液的影響,從而更加科學(xué)合理地劃分ICDA子區(qū)間。

采用Electronic Corrosion Engineer軟件建模,如圖2所示,通過軟件建立有H2S參與和無H2S參與兩種條件下的模型,預(yù)測結(jié)果表明,有H2S參與的情況下,管道前半段的腐蝕速率稍有下降,而后半段管道的腐蝕速率稍有上升。

圖2 腐蝕速率預(yù)測圖Fig.2 Corrosion rate prediction diagram

由于H2S的影響過程相對復(fù)雜,通過計算得到H2S影響差值,采用非線性曲線擬合方法中的玻爾茲曼公式,結(jié)合Levenberg-Marquardt優(yōu)化算法得到H2S影響擬合值,擬合公式如式(2)所示:

(2)

式中:A1為初始值;A2為最終值;x0為中心值;dx時間常量;x為里程,m;y為H2S影響擬合值,mm/a。

將擬合結(jié)果(見圖2)與De Weard 95預(yù)測結(jié)果相加得到優(yōu)化后的De Weard 95預(yù)測值,同時考慮了H2S和CO2對管道腐蝕的影響,最終得到管道沿線腐蝕速率,提高了腐蝕速率預(yù)測的準確性。

2.2 ICDA子區(qū)優(yōu)化

根據(jù)沿線流態(tài)、高程變化和社會因素對管道進行ICDA子區(qū)劃分,結(jié)合腐蝕速率預(yù)測結(jié)果優(yōu)化ICDA子區(qū)間。子區(qū)指受流體模式類型和高程限制,并考慮了腐蝕速率預(yù)測結(jié)果和社會因素的連續(xù)管段,如圖3所示:Ⅰ區(qū)為管道起點處～7 000 m,劃分依據(jù)為波狀分層流區(qū),腐蝕速率波動較小,均在0.09 mm/a以下;Ⅱ區(qū)為7 000～11 100 m,劃分依據(jù)為段塞流區(qū),高程起伏較大,腐蝕速率在段塞流附近升高,最高達到0.33 mm/a;Ⅲ區(qū)為11 100 m～管道終點處,劃分依據(jù)為人口密集區(qū),存在較大的上坡段,容易形成積液,該部位腐蝕速率局部升高,為0.02～0.31 mm/a?？梢钥闯?經(jīng)過調(diào)整的ICDA子區(qū)僅有三個,能有效減少檢測推薦點數(shù),從而降低檢測成本。

圖3 ICDA子區(qū)分布圖Fig.3 ICDA sub-differentiation layout

2.3 直接檢測點優(yōu)選

直接檢測的主要目的是對評價結(jié)果進行驗證,合理選擇檢測點有利于提高管道內(nèi)腐蝕直接評價結(jié)果的可靠性。直接檢測點的選取原則是:根據(jù)子區(qū)劃分特點,選擇合適的檢測點數(shù),優(yōu)先選擇腐蝕速率預(yù)測值較高的點,同時考慮子區(qū)內(nèi)介質(zhì)流態(tài)和高程發(fā)生突變的位置,這些位置是管道腐蝕的薄弱部位,綜合多因素初選檢測點。

實際檢測過程中,檢測點位置受到多種因素的影響,要根據(jù)管道所處的地面情況,進行檢測可行性分析,并對檢測點復(fù)核、微調(diào),原則上保證檢測點具有代表性,并采用合適的手段進行檢測。

為了對管道全線進行全面合理評價,在檢測點選擇上,可適當(dāng)添加少量腐蝕速率預(yù)測值較低的點,以便確定管道全線的腐蝕狀態(tài),最終選擇8處檢測點,位置及信息如表3所示。表中里程為至起點的距離,其中,Ⅰ區(qū)整體腐蝕速率較低,選取兩處檢測點;Ⅱ區(qū)腐蝕速率預(yù)測值波動較大,且出現(xiàn)高程突變和段塞流,腐蝕風(fēng)險較高,選取四處檢測點;Ⅲ區(qū)位于人口密集區(qū),存在較長的上坡段,腐蝕速率明顯升高,選取兩處檢測點。

表3 檢測點的基本情況

3 直接評價

直接評價主要是對管道具有高腐蝕風(fēng)險和少數(shù)低腐蝕風(fēng)險的區(qū)域進行詳細檢測。管道內(nèi)檢測是涉及識別和表征內(nèi)部缺陷或壁厚損失的無損檢測方法。詳細檢測結(jié)果與間接評價結(jié)果相結(jié)合,可以進一步確定評價位置的優(yōu)先級,從而提升管道內(nèi)腐蝕整體的評價水平。

目前,國內(nèi)外檢測技術(shù)主要有數(shù)字射線檢測技術(shù)[14]、渦流檢測技術(shù)[15]、漏磁檢測技術(shù)[16]、超聲波檢測技術(shù)[17]、超聲C掃描[18]、導(dǎo)波技術(shù)[19]和金屬磁記憶檢測[20]等。綜合考慮檢測對象、檢測環(huán)境及各檢測方法的技術(shù)特點,采用MTM金屬磁記憶檢測技術(shù)進行檢測。由圖4可見:檢測結(jié)果和與推薦檢測點情況相符,其中,檢測風(fēng)險點與推薦檢測點對應(yīng)率達到83.3%,已失效位置與推薦檢測點對應(yīng)率達到75.0%,這進一步證明了優(yōu)化后的腐蝕數(shù)據(jù)預(yù)測值準確度高,能反映現(xiàn)場腐蝕情況,對提高濕氣管道內(nèi)腐蝕直接評價水平具有重要意義。

圖4 檢測結(jié)果圖Fig.4 Test result chart

4 后評價

后評價是對預(yù)評價、間接評價和直接評價收集的數(shù)據(jù)進行分析,總體上對WG-ICDA流程的有效性進行評估,根據(jù)不同的風(fēng)險等級采取相應(yīng)的腐蝕控制和防護措施。

通過對預(yù)評價收集的管道運行數(shù)據(jù)、間接評價過程優(yōu)化的腐蝕速率預(yù)測值和直接評價的檢測結(jié)果及已失效數(shù)據(jù)進行分析,優(yōu)化后的腐蝕速率預(yù)測值與檢測結(jié)果吻合度良好,已失效數(shù)據(jù)均位于腐蝕速率預(yù)測值較高的位置,表明選取的評價模型適用于塔河油田濕氣管道的內(nèi)腐蝕直接評價。研究管道于2011年投產(chǎn)運行,基于目前的預(yù)測值,假設(shè)該濕氣管道按當(dāng)前最高腐蝕速率繼續(xù)發(fā)展,預(yù)估其剩余壽命為7 a,按照管道剩余壽命的一半確定再評價周期為3.5 a。

5 優(yōu)化后的評價方法

基于濕氣管道內(nèi)腐蝕直接評價方法(WG-ICDA),采用改進的De Weard 95模型(見式3)對其間接評價過程進行優(yōu)化,優(yōu)化后的評價方法可拓展到含硫濕氣管道內(nèi)腐蝕直接評價中,且形成如圖5所示的評價流程,適用于含有H2S的濕氣工況。

圖5 含硫濕氣管道內(nèi)腐蝕直接評價方法Fig.5 Direct evaluation method of inner corrosion of sulfur-containing wet gas pipeline

(3)

6 結(jié) 論

(1) 對濕氣管道進行模擬研究發(fā)現(xiàn),管道內(nèi)腐蝕速率在積液部位波動較大,同時形成了段塞流,提高了管道的內(nèi)腐蝕風(fēng)險,管內(nèi)積液為H2S/CO2腐蝕創(chuàng)造了條件。同時可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)積液較多時,會形成連續(xù)的區(qū)域,其底部腐蝕較輕微,但邊緣處腐蝕較嚴重,這是由于積液起到一定的緩沖保護作用,避免了腐蝕性介質(zhì)與管壁直接接觸;當(dāng)積液段不連續(xù)時,受到管內(nèi)壓力和溫度的影響,流體擾動加劇,反應(yīng)加速,釋放出更多的H+,pH降低,腐蝕速率升高。因此,在研究濕氣管道內(nèi)腐蝕過程中,積液的影響不容忽視。

(2) 通過ECE腐蝕預(yù)測結(jié)果對De Weard 95模型進行了改進,考慮了H2S/CO2腐蝕的影響,優(yōu)化了ICDA子區(qū)劃分區(qū)間,結(jié)合直接評價結(jié)果和現(xiàn)場失效數(shù)據(jù),結(jié)果表明:應(yīng)用改進的De Weard 95模型進行腐蝕預(yù)測,明顯優(yōu)于原有De Weard 95模型,同時驗證了不連續(xù)積液對腐蝕造成的影響大于連續(xù)積液。

(3) 采用改進的De Weard 95模型優(yōu)化了濕氣管道內(nèi)腐蝕直接評價方法(WG-ICDA)的間接評價過程,可拓展應(yīng)用到含硫濕氣管道內(nèi)腐蝕直接評價中,有效提升了含硫濕氣管道風(fēng)險評價的準確性。