曹學(xué)文1，王凱1，尹鵬博1，秦思思1，李玉浩2

（1.中國石油大學(xué)（華東）儲運與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580；2.濱州學(xué)院 化工與安全學(xué)院，山東 濱州 256600）

摘 要：目的 通過研究美國腐蝕工程師協(xié)會（NACE）于2016年提出的適用于多相流管線的內(nèi)腐蝕直接評價標(biāo)準(zhǔn) SP0116-Multiphase flow internal corrosion direct assessment methodology for pipelines（以下簡稱MP-ICDA），探究該評價方法在國內(nèi)的現(xiàn)場應(yīng)用步驟，為國內(nèi)內(nèi)腐蝕直接評價方法提供參考。方法 以我國東海某海底管線的實際運行工況為基礎(chǔ)，建立Norsok M506內(nèi)腐蝕預(yù)測模型，利用流體動力學(xué)理論，模擬分析管線內(nèi)腐蝕狀況，結(jié)合評價標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)評價、間接檢測、詳細(xì)檢查及后評估四個步驟進(jìn)行內(nèi)腐蝕直接評價。結(jié)果 管線整體內(nèi)腐蝕速率超過0.25 mm/a，腐蝕程度較嚴(yán)重。管道1.5～2.5 km低洼處及兩側(cè)立管處腐蝕速率明顯增大，其腐蝕高危點與段塞流動狀態(tài)、高持液率等流動參數(shù)有關(guān)。現(xiàn)場在線檢測數(shù)據(jù)與模型預(yù)測結(jié)果基本一致，由此證明了模型的可靠性。根據(jù)腐蝕程度等級及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的內(nèi)腐蝕再次評估周期，確定管線再評估時間間隔為1年。結(jié)論 ICDA能夠準(zhǔn)確預(yù)測管線內(nèi)腐蝕狀態(tài)與風(fēng)險大小，為無法實施內(nèi)檢測的管線提供了有效的內(nèi)腐蝕評估方法，其對預(yù)測多相流管道腐蝕發(fā)生的位置與風(fēng)險等級具有一定的指導(dǎo)作用與借鑒意義。流體的動力學(xué)參數(shù)對腐蝕速率影響較大，應(yīng)用MP-ICDA方法時應(yīng)選取合適的內(nèi)腐蝕預(yù)測模型及管線運行參數(shù)。在海底管線正常運行期間，可對ICDA的結(jié)果進(jìn)行多次循環(huán)校核，從而提高腐蝕預(yù)測的準(zhǔn)確程度。

關(guān)鍵詞：多相流；內(nèi)腐蝕；直接評價；海管；MP-ICDA；Norsok M506

海底油氣輸送管道因具有輸量大、方便快捷等特點，已成為海上油氣田開發(fā)與生產(chǎn)不可或缺的生命線。在油氣輸送過程中，天然氣中含有的CO2氣體與凝析水或液膜結(jié)合，具有較強(qiáng)的腐蝕性，易導(dǎo)致管壁腐蝕，甚至引起油氣輸送管線腐蝕失效，進(jìn)而引發(fā)危險事故[1-2]。Jepson等[3]闡述了段塞流型對油氣輸送管線的腐蝕機(jī)理，探究了段塞流動狀態(tài)對腐蝕的影響規(guī)律。Muhammadu等[4]和Majed等[5]相繼討論了數(shù)值計算在腐蝕研究中的應(yīng)用，分析了CO2腐蝕預(yù)測模型，對比了實驗數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的可靠性。國內(nèi)學(xué)者路民旭教授通過高溫高壓反應(yīng)釜和電化學(xué)工作站，探究了高溫高壓狀態(tài)下 CO2的腐蝕規(guī)律[6-7]。李悅欽教授采用壁厚檢測與數(shù)值模擬結(jié)合的方法，討論了CO2腐蝕-沖蝕共同作用對多相流管線的影響[8]。管道內(nèi)部的腐蝕狀況需要通過智能內(nèi)檢測的方式辨別管內(nèi)缺陷和管壁變形，但許多在役管線因受管道設(shè)施、工藝條件及智能內(nèi)檢測器的適用性等方面影響，無法實施內(nèi)檢測作業(yè)。因此，需通過內(nèi)腐蝕直接評價（ICDA）的方法對管線內(nèi)部腐蝕狀況進(jìn)行合理預(yù)測，對管道的完整性進(jìn)行評價，判別腐蝕程度等級，并提出針對腐蝕缺陷的控制與預(yù)防措施。美國腐蝕工程師協(xié)會（NACE）于 2016年提出了適用于多相流管線的內(nèi)腐蝕直接評價標(biāo)準(zhǔn)：SP0116-Multiphase flow internal corrosion direct assessment methodology for pipelines（以下簡稱 MP-ICDA）[9]。該方法已在國外取得現(xiàn)場成功應(yīng)用[10-12]，但在國內(nèi)還缺乏現(xiàn)場的應(yīng)用經(jīng)驗。文中結(jié)合我國東海某混輸海底管道的實際運行狀況，對MP-ICDA進(jìn)行了系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，重點分析了ICDA的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——間接檢測，為國內(nèi)內(nèi)腐蝕直接評價方法的實施提供一定的參考與指導(dǎo)作用。

1 MP-ICDA步驟

內(nèi)腐蝕直接評估方法用于評定管道內(nèi)部腐蝕敏感位置的原理在于，假設(shè)積液的存在是腐蝕存在的首要條件[13]，對于某些起伏較明顯的管道，水相在重力和氣相流體帶動兩方面的作用下，無法被攜帶走而積聚，與介質(zhì)中的酸性氣體反應(yīng)，導(dǎo)致金屬腐蝕。采用內(nèi)腐蝕直接評估方法推薦的多相流模型[14]，可通過評估積水優(yōu)先位置，判斷內(nèi)腐蝕發(fā)生的敏感位置。如圖1所示，內(nèi)腐蝕直接評價方法主要包括預(yù)評價、間接檢測、詳細(xì)檢測與后評價四個步驟：

1）預(yù)評價。該環(huán)節(jié)需對多相流管線的基本信息進(jìn)行收集，篩選出有效、可利用的部分，并對ICDA進(jìn)行可行性分析。

2）間接檢測。間接檢測是 MP-ICDA方法的核心步驟，其目的是通過多相流模擬、腐蝕速率預(yù)測以及影響腐蝕分布的因素，來識別每個MP-ICDA區(qū)域中最可能發(fā)生內(nèi)腐蝕或者已經(jīng)發(fā)生內(nèi)腐蝕的MP-ICDA子區(qū)域。

3）詳細(xì)檢測。采用無損檢測（NDE）技術(shù)[15-16]對腐蝕預(yù)測模型預(yù)測的腐蝕高危點進(jìn)行現(xiàn)場檢測，驗證模型預(yù)測結(jié)果的可靠性。

4）后評價。該環(huán)節(jié)主要分析 MP-ICDA方法對管線實際應(yīng)用的有效性，并確定再次評估的最小時間間隔。

圖1 多相流內(nèi)腐蝕直接評價流程

2 案例分析

以我國東海某油氣水多相混輸海管為研究對象，應(yīng)用MP-ICDA方法，具體分析海管內(nèi)腐蝕情況。

2.1 預(yù)評價

該油氣水混輸管道于2006年投產(chǎn)，設(shè)計壽命20年，全長約6 km。管道鋼級為API 5L X52，外徑為219.1 mm，壁厚為12.7 mm，單層不保溫，設(shè)計腐蝕裕量為3 mm。設(shè)計壓力為3 MPa，最大進(jìn)口壓力為1.9 MPa，管線無內(nèi)涂層。圖2為管道沿線高程。管線實際運行參數(shù)見表1，外輸氣質(zhì)分析見表2。

圖2 管道沿線高程

表1 運行參數(shù)

表2 氣體組分

經(jīng)管道預(yù)評價分析，該管線的氣液比 GLR=40<5000，屬于MP-ICDA標(biāo)準(zhǔn)適用范圍，因此采用MPICDA對該條管道進(jìn)行評價。除滿足氣液比條件之外，在應(yīng)用MP-ICDA標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)該符合表3所示的要求。

表3 可行性分析

2.2 間接檢測

MP-ICDA間接檢測階段關(guān)鍵部分是腐蝕速率預(yù)測。通過多相流模擬得到管段沿線溫度、壓力、氣液表觀流速、持液率及流型等參數(shù)，在分析管道水動力特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合腐蝕發(fā)生機(jī)理，計算子區(qū)域腐蝕速率，以確定腐蝕傾向最為嚴(yán)重的位置。MP-ICDA標(biāo)準(zhǔn)推薦了包括 Norsok M506模型在內(nèi)的多種腐蝕預(yù)測模型（ICPM），本文采用多相流仿真OLGA軟件[17-18]腐蝕模塊（Corrosion module）的 Norsok M506[19]模型來模擬分析管線運行狀況，評估管道內(nèi)腐蝕狀態(tài)。

2.2.1 Norsok M506模型

Norsok M506腐蝕預(yù)測模型是目前國際上使用最廣泛的經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀Ｔ撃Ｐ途C合考慮了溫度、pH值、表觀流速與剪切力等多方面因素對腐蝕的影響，適用于預(yù)測 5～150 ℃溫度范圍內(nèi) CO2腐蝕環(huán)境下的管道腐蝕速率。

當(dāng)溫度為5 ℃時：

當(dāng)溫度為15 ℃時：

當(dāng)溫度為 20、40、60、80、90、120、150 ℃時：

式中： f C O2為修正后的 CO2分壓（由式（4）算得），Pa；S為壁面剪切力，Pa；Kt為與溫度有關(guān)的常數(shù)（見表4）；f （pH）t為溫度t時的pH影響因子；CRt為腐蝕速率，mm/a。

式中：T為溫度，K；p為系統(tǒng)總絕對壓力，Pa；PC O 2為CO2分壓，Pa。

表4 Norsok M506模型中Kt取值

2.2.2 流體動力學(xué)分析

根據(jù)管道基礎(chǔ)數(shù)據(jù)輸入模型涉及的各項參數(shù)：管道入口溫度設(shè)置為21 ℃，海床溫度為18 ℃，管線出口壓力設(shè)置為1.05 MPa，輸氣量為1340 m3/d，輸油量為35 m3/d，含水率設(shè)為0.4%。Norsok M506模型中的CO2摩爾分?jǐn)?shù)（CO2 fraction）設(shè)置為2.04%，單相液流中的最大CO2分壓設(shè)為1 MPa。根據(jù)現(xiàn)場水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)，HCO3-含量（Bicarbonate）設(shè)置為0.0074 mol/L。由于現(xiàn)場實際運行中未加注緩蝕劑，因此模擬時緩蝕劑效率（Inhibitor efficiency）設(shè)置為0。

從圖3可以看出，管道沿線溫度、壓力在兩側(cè)立管處波動較為明顯，在海底平管處，隨管線里程的增加而緩慢降低，在1.5～2.5 km陡坡處降低減緩。從圖4中可知，管內(nèi)氣相表觀流速在兩側(cè)立管處變化較大，在海底平管處，隨管線里程的增加而緩慢增大，這主要是由地形起伏和流型引起。管內(nèi)液相表觀流速在平管處波動緩慢，在入口立管段上升較快，這是由于液相重力勢能轉(zhuǎn)換為動能的緣故。

圖3 管道沿線溫度、壓力的變化

圖4 管道沿線氣液相表觀流速的變化

從圖5可以看出，管內(nèi)氣液相流型在管道多處出現(xiàn)了段塞流和氣泡流流型，其余位置均為分層流。在管道低洼處，由于液體積聚較多，氣體較少，氣體進(jìn)入液體之中形成氣泡流；當(dāng)氣體較多時，也會形成段塞流。管內(nèi)介質(zhì)液相pH值在兩側(cè)立管處變化較明顯，平管處基本維持在4左右。因CO2的存在，使得流體酸性較強(qiáng)，對管線具有較強(qiáng)的腐蝕性。從圖6中可以看出，管內(nèi)持液率在出入口立管處以及1.5～2.5 km陡坡處出現(xiàn)劇烈的變化，其余位置持液率較為穩(wěn)定。水膜速度變化與管內(nèi)持液率趨勢大致相反。

結(jié)合仿真得到的管道沿線腐蝕速率變化（見圖7）可知，水膜速度與管道腐蝕速率變化趨勢基本一致，水膜速度增大，管道腐蝕速率亦隨之增大。管道沿線腐蝕速率在1.5～2.5 km陡坡段出現(xiàn)峰值，這與此處流型、持液率以及氣液相表觀流速等因素均有關(guān)。整體來看，在管線地勢由高到低時，腐蝕速率增大，且管道低洼處腐蝕風(fēng)險較高。在分層流條件下，流速較低，氣相在上，液相在下，只發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，腐蝕速率較低，呈輕度腐蝕。在段塞流條件下，氣液流速變化較大，對管道的腐蝕嚴(yán)重，在管道低洼處有積液，CO2腐蝕速率較大。因此，管道低洼處及兩側(cè)立管處腐蝕風(fēng)險較高。由于管內(nèi)介質(zhì)有腐蝕性，未采取防腐措施，管道整體腐蝕速率大于0.25 mm/a。根據(jù)GB/T 23258—2009《鋼制管道內(nèi)腐蝕控制規(guī)范》[20]，該海管腐蝕程度處于嚴(yán)重腐蝕。

圖5 管道沿線流型、液相pH的變化

圖6 管道沿線持液率、液膜速度的變化

圖7 管道沿線腐蝕速率的變化

2.3 詳細(xì)檢查

依據(jù)間接檢測階段確定的腐蝕速率分析可知，海管詳細(xì)檢查點依次為海管立管段及 1.5～2.5 km陡坡處。受工藝條件限制，平管不能實施內(nèi)檢測作業(yè)，因此采用立管檢測的方法進(jìn)行局部腐蝕檢測。采用國際先進(jìn)的遠(yuǎn)程渦流（RFT）智能檢測器帶纜檢測立管，發(fā)現(xiàn)立管存在多處腐蝕缺陷導(dǎo)致的壁厚減薄，如圖8所示。檢測數(shù)據(jù)顯示出有12處發(fā)生壁厚減薄，其中有7處中等壁厚減薄（20% WL～39% WL），5處高程度壁厚減薄（40% WL～59% WL），缺陷點平均剩余壁厚為63%。從管道投產(chǎn)至今，經(jīng)計算得出立管段平均腐蝕速率約為0.44 mm/a，與模擬結(jié)果基本一致。

圖8 立管內(nèi)檢測結(jié)果

2.4 后評估

MP-ICDA方法的有效性取決于詳細(xì)檢測的結(jié)果與腐蝕預(yù)測結(jié)果的相關(guān)程度。圖7與圖8數(shù)據(jù)的對比結(jié)果表明，內(nèi)腐蝕預(yù)測模型結(jié)果與立管內(nèi)檢測結(jié)果基本一致，在MP-ICDA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的誤差允許范圍內(nèi)。因此該模型是有效的，也再次驗證了MP-ICDA的可靠性。該海管腐蝕程度較為嚴(yán)重，建議加強(qiáng)評估頻率，再評估間隔為1年。

3 結(jié)論

1）通過Norsok M506內(nèi)腐蝕預(yù)測模型對海底管線進(jìn)行內(nèi)腐蝕模擬仿真與高腐蝕風(fēng)險點預(yù)測，結(jié)果表明，該海底管線整體腐蝕程度較為嚴(yán)重，腐蝕高危點與段塞流動狀況、高持液率等流動參數(shù)有關(guān)，立管段與低洼段腐蝕速率較大。因此應(yīng)及時采取通球清管作業(yè)與加注緩蝕劑的措施清除管道積液，控制管壁內(nèi)腐蝕。

2）根據(jù)現(xiàn)場立管在線檢測數(shù)據(jù)可知，間接檢測的結(jié)果與模型預(yù)測結(jié)果基本一致。由此證明了模型的可靠性，進(jìn)而表明MP-ICDA方法能夠較準(zhǔn)確地反映管線實際內(nèi)腐蝕狀態(tài)，這對預(yù)測海底多相流管道腐蝕發(fā)生的位置與風(fēng)險等級具有一定的指導(dǎo)作用與借鑒意義。

3）MP-ICDA方法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)是間接檢測階段的腐蝕速率預(yù)測，流體的動力學(xué)參數(shù)對腐蝕速率影響較大。因此應(yīng)用MP-ICDA方法時應(yīng)選取合適的內(nèi)腐蝕預(yù)測模型及管線運行參數(shù)。在海底管線正常運行期間，可對ICDA的結(jié)果進(jìn)行多次循環(huán)校核，從而提高腐蝕預(yù)測的準(zhǔn)確程度。

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