曹學(xué)文1，王凱1，尹鵬博1，秦思思1，李玉浩2

（1.中國(guó)石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)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(guò)研究美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)（NACE）于2016年提出的適用于多相流管線的內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn) SP0116-Multiphase flow internal corrosion direct assessment methodology for pipelines（以下簡(jiǎn)稱MP-ICDA），探究該評(píng)價(jià)方法在國(guó)內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用步驟，為國(guó)內(nèi)內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法提供參考。方法 以我國(guó)東海某海底管線的實(shí)際運(yùn)行工況為基礎(chǔ)，建立Norsok M506內(nèi)腐蝕預(yù)測(cè)模型，利用流體動(dòng)力學(xué)理論，模擬分析管線內(nèi)腐蝕狀況，結(jié)合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的預(yù)評(píng)價(jià)、間接檢測(cè)、詳細(xì)檢查及后評(píng)估四個(gè)步驟進(jìn)行內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)。結(jié)果 管線整體內(nèi)腐蝕速率超過(guò)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(diǎn)與段塞流動(dòng)狀態(tài)、高持液率等流動(dòng)參數(shù)有關(guān)。現(xiàn)場(chǎng)在線檢測(cè)數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)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(jí)及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的內(nèi)腐蝕再次評(píng)估周期，確定管線再評(píng)估時(shí)間間隔為1年。結(jié)論 ICDA能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)管線內(nèi)腐蝕狀態(tài)與風(fēng)險(xiǎn)大小，為無(wú)法實(shí)施內(nèi)檢測(cè)的管線提供了有效的內(nèi)腐蝕評(píng)估方法，其對(duì)預(yù)測(cè)多相流管道腐蝕發(fā)生的位置與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)具有一定的指導(dǎo)作用與借鑒意義。流體的動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)腐蝕速率影響較大，應(yīng)用MP-ICDA方法時(shí)應(yīng)選取合適的內(nèi)腐蝕預(yù)測(cè)模型及管線運(yùn)行參數(shù)。在海底管線正常運(yùn)行期間，可對(duì)ICDA的結(jié)果進(jìn)行多次循環(huán)校核，從而提高腐蝕預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確程度。

關(guān)鍵詞：多相流；內(nèi)腐蝕；直接評(píng)價(jià)；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(diǎn)，已成為海上油氣田開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)不可或缺的生命線。在油氣輸送過(guò)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(xiǎn)事故[1-2]。Jepson等[3]闡述了段塞流型對(duì)油氣輸送管線的腐蝕機(jī)理，探究了段塞流動(dòng)狀態(tài)對(duì)腐蝕的影響規(guī)律。Muhammadu等[4]和Majed等[5]相繼討論了數(shù)值計(jì)算在腐蝕研究中的應(yīng)用，分析了CO2腐蝕預(yù)測(cè)模型，對(duì)比了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬的可靠性。國(guó)內(nèi)學(xué)者路民旭教授通過(guò)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(cè)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(duì)多相流管線的影響[8]。管道內(nèi)部的腐蝕狀況需要通過(guò)智能內(nèi)檢測(cè)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(cè)器的適用性等方面影響，無(wú)法實(shí)施內(nèi)檢測(cè)作業(yè)。因此，需通過(guò)內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)（ICDA）的方法對(duì)管線內(nèi)部腐蝕狀況進(jìn)行合理預(yù)測(cè)，對(duì)管道的完整性進(jìn)行評(píng)價(jià)，判別腐蝕程度等級(jí)，并提出針對(duì)腐蝕缺陷的控制與預(yù)防措施。美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)（NACE）于 2016年提出了適用于多相流管線的內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：SP0116-Multiphase flow internal corrosion direct assessment methodology for pipelines（以下簡(jiǎn)稱 MP-ICDA）[9]。該方法已在國(guó)外取得現(xiàn)場(chǎng)成功應(yīng)用[10-12]，但在國(guó)內(nèi)還缺乏現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。文中結(jié)合我國(guó)東海某混輸海底管道的實(shí)際運(yùn)行狀況，對(duì)MP-ICDA進(jìn)行了系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，重點(diǎn)分析了ICDA的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——間接檢測(cè)，為國(guó)內(nèi)內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法的實(shí)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(píng)估方法用于評(píng)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(duì)于某些起伏較明顯的管道，水相在重力和氣相流體帶動(dòng)兩方面的作用下，無(wú)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(píng)估方法推薦的多相流模型[14]，可通過(guò)評(píng)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(píng)價(jià)方法主要包括預(yù)評(píng)價(jià)、間接檢測(cè)、詳細(xì)檢測(cè)與后評(píng)價(jià)四個(gè)步驟：

1）預(yù)評(píng)價(jià)。該環(huán)節(jié)需對(duì)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(duì)ICDA進(jìn)行可行性分析。

2）間接檢測(cè)。間接檢測(cè)是 MP-ICDA方法的核心步驟，其目的是通過(guò)多相流模擬、腐蝕速率預(yù)測(cè)以及影響腐蝕分布的因素，來(lái)識(shí)別每個(gè)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(cè)。采用無(wú)損檢測(cè)（NDE）技術(shù)[15-16]對(duì)腐蝕預(yù)測(cè)模型預(yù)測(cè)的腐蝕高危點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)，驗(yàn)證模型預(yù)測(cè)結(jié)果的可靠性。

4）后評(píng)價(jià)。該環(huán)節(jié)主要分析 MP-ICDA方法對(duì)管線實(shí)際應(yīng)用的有效性，并確定再次評(píng)估的最小時(shí)間間隔。

圖1 多相流內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)流程

2 案例分析

以我國(guó)東海某油氣水多相混輸海管為研究對(duì)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(píng)價(jià)

該油氣水混輸管道于2006年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)壽命20年，全長(zhǎng)約6 km。管道鋼級(jí)為API 5L X52，外徑為219.1 mm，壁厚為12.7 mm，單層不保溫，設(shè)計(jì)腐蝕裕量為3 mm。設(shè)計(jì)壓力為3 MPa，最大進(jìn)口壓力為1.9 MPa，管線無(wú)內(nèi)涂層。圖2為管道沿線高程。管線實(shí)際運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表1，外輸氣質(zhì)分析見(jiàn)表2。

圖2 管道沿線高程

表1 運(yùn)行參數(shù)

表2 氣體組分

經(jīng)管道預(yù)評(píng)價(jià)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(duì)該條管道進(jìn)行評(píng)價(jià)。除滿足氣液比條件之外，在應(yīng)用MP-ICDA標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，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(cè)

MP-ICDA間接檢測(cè)階段關(guān)鍵部分是腐蝕速率預(yù)測(cè)。通過(guò)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(dòng)力特征的基礎(chǔ)上，結(jié)合腐蝕發(fā)生機(jī)理，計(jì)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(cè)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(lái)模擬分析管線運(yùn)行狀況，評(píng)估管道內(nèi)腐蝕狀態(tài)。

2.2.1 Norsok M506模型

Norsok M506腐蝕預(yù)測(cè)模型是目前國(guó)際上使用最廣泛的經(jīng)驗(yàn)?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(duì)腐蝕的影響，適用于預(yù)測(cè) 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(shí)：

當(dāng)溫度為15 ℃時(shí)：

當(dāng)溫度為 20、40、60、80、90、120、150 ℃時(shí)：

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(jiàn)表4）；f （pH）t為溫度t時(shí)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(duì)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(dòng)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(xiàng)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(chǎng)水質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)，HCO3-含量（Bicarbonate）設(shè)置為0.0074 mol/L。由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行中未加注緩蝕劑，因此模擬時(shí)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(dòng)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(dòng)緩慢，在入口立管段上升較快，這是由于液相重力勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)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(shí)，也會(huì)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(duì)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(shì)大致相反。

結(jié)合仿真得到的管道沿線腐蝕速率變化（見(jiàn)圖7）可知，水膜速度與管道腐蝕速率變化趨勢(shì)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(lái)看，在管線地勢(shì)由高到低時(shí)，腐蝕速率增大，且管道低洼處腐蝕風(fēng)險(xiǎn)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(duì)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(xiǎn)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(cè)階段確定的腐蝕速率分析可知，海管詳細(xì)檢查點(diǎn)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(shí)施內(nèi)檢測(cè)作業(yè)，因此采用立管檢測(cè)的方法進(jìn)行局部腐蝕檢測(cè)。采用國(guó)際先進(jìn)的遠(yuǎn)程渦流（RFT）智能檢測(cè)器帶纜檢測(cè)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(cè)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(diǎn)平均剩余壁厚為63%。從管道投產(chǎn)至今，經(jīng)計(jì)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(cè)結(jié)果

2.4 后評(píng)估

MP-ICDA方法的有效性取決于詳細(xì)檢測(cè)的結(jié)果與腐蝕預(yù)測(cè)結(jié)果的相關(guān)程度。圖7與圖8數(shù)據(jù)的對(duì)比結(jié)果表明，內(nèi)腐蝕預(yù)測(cè)模型結(jié)果與立管內(nèi)檢測(cè)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(yàn)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(píng)估頻率，再評(píng)估間隔為1年。

3 結(jié)論

1）通過(guò)Norsok M506內(nèi)腐蝕預(yù)測(cè)模型對(duì)海底管線進(jìn)行內(nèi)腐蝕模擬仿真與高腐蝕風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)測(cè)，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(diǎn)與段塞流動(dòng)狀況、高持液率等流動(dòng)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(shí)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(chǎng)立管在線檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，間接檢測(cè)的結(jié)果與模型預(yù)測(cè)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(shí)際內(nèi)腐蝕狀態(tài)，這對(duì)預(yù)測(cè)海底多相流管道腐蝕發(fā)生的位置與風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)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(cè)階段的腐蝕速率預(yù)測(cè)，流體的動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)腐蝕速率影響較大。因此應(yīng)用MP-ICDA方法時(shí)應(yīng)選取合適的內(nèi)腐蝕預(yù)測(cè)模型及管線運(yùn)行參數(shù)。在海底管線正常運(yùn)行期間，可對(duì)ICDA的結(jié)果進(jìn)行多次循環(huán)校核，從而提高腐蝕預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確程度。

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