油田集输管线腐蚀与防护研究

油田集输管线腐蚀与防护研究内容摘要：

流动条件下的缓蚀剂效果评价 ...........................................................62 研究目的 ....................................................................................................62 研究手段 ....................................................................................................63 实验 结果 ....................................................................................................63 缓蚀剂的缓蚀机理分析 .......................................................................................66 缓蚀剂的工艺改进和效果评价 ...........................................................................68 缓蚀剂改进研究思路 ................................................................................68 调整、优化加药工艺思路 ......................................................................70 现场试验 ................................................................................................................70 现场试验内容 ............................................................................................70 加药及监测方案 ........................................................................................70 本章小结 ...............................................................................................................73 第五章 结论 ......................................................................................................................74 致 谢 ..................................................................................................................................76 参考文献 ..............................................................................................................................77 附 录 ....................................................................................................................................80 发表的论文、专利和获奖等 ..............................................................................................85 第 一 章 绪 论 1 第一章 绪 论 研究的背景及意义 石油、天然气的输送主要依靠金属管道，由于管道的用材量极大，仍然以价廉、加工容易的低碳钢为主。 当今发达的产油（气）国家都铺设着成千上万公里的输油气管道，如英国有大口经输油气主管道 5500km， 集输管道 10000km［ 1］。 我国的油气资源丰富，随着油气开采和石化工业的迅速发展，油气管道的铺设工程量也在不断增加。 到 2020年，我国铺设的输油和输气管道已达 30 105km有余，而且正在以 1000～2020km/n的速度铺设新管线 ［ 2］。 目前管线运输已成为我国五大运输系统之一，成为国民经济的大动脉。 如何保障管线运输的安全，使这条大动脉安全畅通，这是充分发挥管线运输最大经济的关键所在。 其中，管线防腐问题尤为重要。 原油（天然气）中的某些成份（如硫化物等）会对管道产生腐蚀；同时，埋地管道外壁由于收到土壤盐分、酸度、湿度、电场、有机物、微生物等因素的综合作用，管道腐蚀现象相当严重，而且随着时间的增长，腐蚀日趋严重 ［ 3］。 我国埋地金属管道发生腐蚀穿孔的情况相当严重，油田地下金属管道的平均腐蚀速度每年约在 1～ ［ 4］。 据大庆石油局统计， 该局每年 管道腐蚀穿孔达 1905次，其中开发最早的采 油一区管道腐蚀达到损伤程度的有 ，占当年该区全部管道的 ％ ［ 5］。 中原油田油井单井管线、集输支、干穿孔现象非常严重。 目前，中原油田集输系统已建成 3176条 (总长度为 1039km)单井出油管线， 364条 (总长度为 141km)集输支线和 89条 (总长度为 217km)集输干线 ［ 6］。 随着油田各主力区块相继进入高含水开发期，集输系统的腐蚀日益加剧。 如前几年单井管线很少穿孔，近年来单井管线穿孔次数大幅度上升。 目前集输管线老化程度严重， 30～ 50%的单井及集输支干线超期服役或局部更换频繁，同时存在不同 管材混用等现象。 从各厂大量单井管线穿孔资料表明，腐蚀严重，基数大，所占穿孔总数比例较高。 集输管线的腐蚀穿孔不仅污染环境，影响工农关系，而且严重影响了生产。 本课题的研究将对中原油田的管道防腐工作提供理论上的依据，所提出的预防措施也将对管道防腐提供有益的指导作用。 本课题的研究结果对中原油田集输管线的防腐工作将起到积极的推动作用，对形成有效的防腐机制、减少管道腐蚀、降低生产成本、提高经济效益将产生重大的意义。 国内外发展动向 由腐蚀失效而引起的输油气管道泄漏事故时有发生，不仅造成巨大的经济损失和环境污染， 还酿成火灾，甚至导致爆炸，致使人员伤亡惨重。 由中国腐蚀与防护学会、中国石油学会和中国化工学会组成的联合组所提供的调查数据显示，各行各业由于腐蚀造成的损失平均约占国民生产总值的 3%，而石油与石化行业尤为严重，约占到产西安交通大学硕士学位论文 2 值的 6%左右。 中原油田因腐蚀造成的经济损失相当严重， 2020年到 2020年上半年的三年半时间内，生产系统腐蚀经济损失就达 ，其中仅集输干、支线因腐蚀而进行的单井更换就耗费了。 正是由于管道腐蚀造成的巨大经济损失和对人的声明的伤害，国内外对于管道腐蚀失效分析及防护措 施都进行了大量、长期的研究和探索。 国际上，关于金属管道防腐的研究一直很活跃，提出了为数不少的行之有效的防止措施。 在国内，早在上个世纪 60年代初就开始了输油管道防腐的研究，并且取得了很大进展。 但由于管道的敷设条件千差万别，影响腐蚀的因素又是各种各样，所以，金属管道的防腐问题一直未能得到彻底解决。 但是，在基础理论研究特别是在新材料研究、新理论、新方法、新应用技术及新测试技术方面均有可喜进展。 腐蚀基础理论研究的发展前景是：技术方面将在新型显微技术、表面微观结构对腐蚀过程的影响的原位研究、新型原位光谱技术方面有所发 展；概念方面将在混沌理论和腐蚀、扩散理论用于腐蚀研究、非晶体钝性中的作用等有所发展；新材料方面将对快速凝固合金、金属 /陶瓷和聚合物 /碳复合材料、新半导体、耐蚀金属玻璃等作进一步深入研究。 此外，在腐蚀与防护状况评价及预测技术、阴极保护、防腐层材料、化学药剂、监测和检测技术、环境开裂理论研究等方面也都取得了很大进展 ［ 7］。 这些都将对管道腐蚀失效分析及防治工作起到积极的推动作用。 金属腐蚀从腐蚀原理上可分为化学腐蚀和电化学腐蚀。 化学腐蚀是一种氧化 还原的钝化学变化过程，即腐蚀介质中的氧化剂直接与金属表面的原子相互 作用而形成腐蚀产物，电子的传递是在金属与介质间直接进行的，没有腐蚀微电流产生。 而金属的电化学腐蚀是金属与介质发生电化学反应而引起的变质和损坏，它是一种比化学腐蚀更为普遍、危害更加严重的腐蚀类型。 影响电化学腐蚀的因素有冶金因素（金属性质、合金元素及杂质、晶体缺陷、金相组织及热处理、材料的表面状态）、环境因素（氧化剂和溶解氧、介质的 PH值、介质中的盐类及浓度、介质温度、介质流动）及其它因素如压力、辐射、杂散电流等 ［ 8］。 油气集输管线的腐蚀主要属于电化学腐蚀。 按照管道的特殊结构，管道腐蚀分为外腐蚀和内腐蚀。 导致 管道材料破坏的过程涉及到一系列复杂的细节，这些细节又受到物理过程、化学过程和生物过程的影响 ［ 10］。 外腐蚀的原因是金属由于受周围介质的化学及电化学作用，使金属表面遭到破坏，产生金属腐蚀 ［ 11］。 外腐蚀的防腐机理是用耐腐蚀材料将金属管线表面与周围介质永久隔离，即通常所说的采用管线外防腐蚀层对管线进行防腐蚀绝缘处理 ［ 12］。 目前研究的重点是环境评价和防腐胶带 ［ 13］。 管道内腐蚀的原因是输送油气中含有 H2S、硫酸盐还原菌、 CO盐水及固体悬浮物等对管道内壁的腐蚀 ［ 14］ ，其中硫酸盐还原菌是造成管道内腐蚀的主 要原因 ［ 15］ ，而 CO2腐蚀也是造成内腐蚀的重要原因 ［ 16］ ，其典型腐蚀特征为段塞流流型下的腐蚀和分层流流型下的腐蚀 ［ 17］。 目前研究的重点主要是针对段塞流和分层流 ［ 18］。 抑制管道内 CO2第 一 章 绪 论 3 腐蚀最常用的方法采用连续注入缓蚀剂，这种方法是利用泵将缓蚀剂连续注入到管道内的油气流体中，并保持缓蚀剂在流体中所占比例，从而可以有效降低 CO2引起的腐蚀，延长管道寿命 ［ 1 20］。 而无论有机或无机性质的材料都有可能遭受生物的侵蚀而恶化变质或破坏 ［ 21］ ，管道如果被微生物覆盖、堵塞而腐蚀穿孔，将会造成严重的后果 ［ 22］。 国内外对管道腐蚀失效通常采用的分析方法有宏观观察、扫描电镜（ SEM）及能谱（ EDA）分析、差热分析（ DSC）、 X－射线衍射（ XRD）分析、电子探针（ EPMA）分析、红外光谱分析及挂片试验等。 通过这些分析方法，可以找出引起腐蚀的各种原因及其所起作用的大小，得出失效本质及规律，从而为制定相应的有效防护措施提供理论和试验依据。 控制腐蚀的基本途径有以下几种： （ 1）正确选材。 根据生产设备所接触的介质环境条件，选择性能稳定、满足生产要求、安全可靠、经济易得的材料。 （ 2）合理设计。 “腐蚀控制从设计桌上开始 ”，选材 也是设计，根据所选材料和生产条件，根据腐蚀的基本理论，合理设计设备的结构，完善工艺设计，使之既满足生产要求，又避免工艺和结构的不合理而加速腐蚀。 科学的设计可以把腐蚀减小到最小程度。 （ 3）表面处理和涂覆。 在由于各种因素而无法避免设备机体被腐蚀时，可以考虑采用涂（涂料、镀（化学镀、电镀、符合镀）、衬（衬里）、渗（渗合金元素、非金属元素等）、注（离子注入）和表面化学转化（钝化、磷化、氧化、草酸盐化等）等方法，使表面形成对介质稳定的保护层。 （ 4）改善环境条件和注入缓蚀剂。 在生产许可的前提下，可以通过适当改变介质的 PH值、温度、压力、除去有害物质等方法，或加入金属缓蚀剂，以使腐蚀控制在生产许可的范围内。 （ 5）电化学保护。 在某些条件下，可以改变设备在腐蚀环境中的电化学状态（电位），以实现电化学保护 ——阴极保护和阳极保护。 （ 6）生产的科学管理。 在设备投产以后，生产和设备的科学管理无疑极大地影响设备的使用寿命 ［ 23］。 油气管道腐蚀控制的途径主要有正确选材与合理设计、环境介质的处理、覆盖层保护及电化学保护 ［ 24］。 管道防腐首先是通过涂层来防止内外腐蚀，其次是依靠阴极保护来防止其缺陷或裸露部位的腐蚀。 随着运行时间的延长，管道随 着其不短老化将越来越多地发生破裂和泄漏。 因此必须及时检测管道的腐蚀状况，以便及时确定修复计划，确保管道的安全运营。 在管道腐蚀状况检测方面，目前国内外发展和应用了很多技术手段，如测量器、摄像器、磁力线检测器、超声波壁厚检测器和用于检测应力腐蚀裂纹的超声波检测器以、水压试验、电缆检测器、管道内检机器人以及新型机载探测系统等 ［ 25］ ，这些检测手段为及时跟踪检查管道腐蚀状况提供了保证，在很大程度上有效地减少了管道破裂和泄漏事故的发生。 埋地管道外防腐层的腐蚀检测通常采用的方法有管道电流衰减法（ PCM），电位梯度检测 法和瞬变电磁法（ TEM） ［ 26］ ，这些方法是在管道不开挖的情况下进行检测的，管道电流衰减法可评价管道防腐层的总体状况，电位梯度检测法可对管道破损点进行西安交通大学硕士学。