海洋油氣是我國油氣產(chǎn)量最主要的增長來源，海底油氣管道是國家能源供應(yīng)的大動(dòng)脈和國民經(jīng)濟(jì)的重點(diǎn)工程，肩負(fù)著為國民經(jīng)濟(jì)健康快速發(fā)展提供能源保障的重要責(zé)任，一旦海底管道遭受破壞、發(fā)生泄漏，會嚴(yán)重污染周邊海洋環(huán)境，從而造成不可估量的損失。 管道腐蝕是海底油氣管道面臨的一個(gè)重要問題，是致使管道失效的罪魁禍?zhǔn)住ａ槍o法實(shí)施內(nèi)檢測的管道，如何進(jìn)行內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評估顯得尤為重要。 內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評估需對管道自投產(chǎn)至評價(jià)期間的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，即對管道已有運(yùn)行狀況進(jìn)行整體梳理，同時(shí)借鑒內(nèi)腐蝕直接評估方法，考慮輸送介質(zhì)組分及停輸?shù)纫蛩氐挠绊懀⒖茖W(xué)的多相流模型、腐蝕評估模型，明確待評估管道的腐蝕敏感位置；利用腐蝕預(yù)測軟件進(jìn)行腐蝕預(yù)測，獲得管道高風(fēng)險(xiǎn)部位的內(nèi)腐蝕發(fā)展?fàn)顩r，并與室內(nèi)腐蝕模擬試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，綜合評估管道內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)和壁厚減薄的預(yù)期情況，以確定管道完整性。 中海石油（中國）有限公司上海分公司的研究人員參考了NACE SP0208-2008標(biāo)準(zhǔn)，對腐蝕敏感位置進(jìn)行定位，在此基礎(chǔ)上評價(jià)了某海底原油輸送管線的內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)情況，以期為管道的安全運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支撐。 數(shù)據(jù)收集整理 管道內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)需收集待評價(jià)管線的當(dāng)前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)，包括設(shè)計(jì)資料、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、監(jiān)測和檢測數(shù)據(jù)、藥劑使用記錄、維修和維護(hù)歷史，以及與管道完整性管理相關(guān)的資料等，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、匯總、分析，為后續(xù)管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。 目標(biāo)海底管道材質(zhì)為API 5L X65鋼，外徑323.9 mm、壁厚14.3 mm、內(nèi)徑295.3 mm、管長20.7 km、單層管（無保溫層）、輸送原油、設(shè)計(jì)壓力11.1 MPa、設(shè)計(jì)溫度80 ℃、設(shè)計(jì)壽命30年、腐蝕裕量3 mm、2019年投產(chǎn)。 目標(biāo)海底管道自2019年投產(chǎn)至今，輸送原油密度0.075~0.077 g/mL，運(yùn)動(dòng)黏度0.8~1.1 mm2/s（20 ℃），含水率0.015%~0.1%，氯離子濃度421~585 mg/L，重碳酸鹽（HCO3-）離子濃度733.89~2215.45 mg/L，檢測水樣pH為5.938～7.898，CO2摩爾分?jǐn)?shù)3.9%。2020~2022年間共進(jìn)行7次清管，清出淤泥1~30 L。2020年清管產(chǎn)物分析結(jié)果顯示，腐蝕產(chǎn)物主要成分為Fe2O3，油垢中含有BaCO3，可能含有SiO2。 參考NACE SP0206-2006，根據(jù)海底管道產(chǎn)量、溫度、壓力等變化情況對海底管道進(jìn)行時(shí)間分區(qū)，同時(shí)考慮間歇輸送的影響，較長的停輸間歇，有可能引起水相或固體顆粒沉積。根據(jù)JB/T 7901-2023及SYS 5273-2014標(biāo)準(zhǔn)，推薦試驗(yàn)周期為7天，同時(shí)借鑒相關(guān)腐蝕基本原理，重點(diǎn)關(guān)注連續(xù)停輸≥7天的時(shí)間段。目標(biāo)管道自投產(chǎn)至今分為十個(gè)時(shí)區(qū)，每個(gè)時(shí)區(qū)的典型運(yùn)行參數(shù)如圖1所示。 圖1 海底管道的時(shí)間分區(qū)（入口、出口典型運(yùn)行參數(shù)） 內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)識別 目標(biāo)海底管道的主要內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)集中在CO2腐蝕引起的管壁減薄。針對該管道的實(shí)際工況，生產(chǎn)流體中含CO2，這是引起管道內(nèi)壁全面腐蝕減薄的主要腐蝕因素。 根據(jù)目標(biāo)管道清管作業(yè)報(bào)告，該管道存在內(nèi)壁固體顆粒沉積或結(jié)垢可能。結(jié)合SY/T 0600-2016標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行CaCO3和CaSO4結(jié)垢趨勢分析，結(jié)果表明，管道僅存在CaCO3結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)。利用多相流模型，在腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)部位的評估中考慮了固體顆粒沉積引起的風(fēng)險(xiǎn)。 基于目標(biāo)管道內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識，分別從里程和時(shí)間上對目標(biāo)管道進(jìn)行了更為細(xì)致和定量的評估和預(yù)測。由于長期運(yùn)行管道的內(nèi)壁腐蝕狀況難以直接檢測，因此借鑒管道內(nèi)腐蝕直接評估方法、管道腐蝕預(yù)測方法等替代性手段判斷管道內(nèi)壁的腐蝕狀況。 內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)評估 01 管道油水流動(dòng)狀態(tài) 分別依據(jù)雙臨界Froude常數(shù)和NACE SP0208-2008標(biāo)準(zhǔn)中推薦的油水分離計(jì)算模型確定目標(biāo)管道的油水流動(dòng)狀態(tài)。 基于雙臨界Froude常數(shù)，簡單計(jì)算湍流條件下預(yù)測水進(jìn)入油相的條件如下： 式中：ρo為油密度，kg/m3；Δρ為油水密度差，kg/m3；g為重力加速度，為9.81 m/s2；D為液相（油+水）水力直徑，m；VL為液相流速，m/s。 當(dāng)F＞0.67時(shí)，油可以攜帶水前行；當(dāng)F＞2時(shí)，可形成一定量的乳狀液。經(jīng)過計(jì)算，F(xiàn)為0.4，即本海底管道油水分層。 基于NACE SP0208-2008標(biāo)準(zhǔn)推薦的油水分離計(jì)算模型，當(dāng)dmax>dcrit時(shí)，水不能進(jìn)入油相，油水分離且內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)增加。dmax指在湍流擾動(dòng)下液滴不發(fā)生破碎的最大尺寸，dcrit指液滴從油水乳狀液中分離出來的尺寸。分別對十個(gè)時(shí)區(qū)進(jìn)行建模計(jì)算，全里程范圍內(nèi)，dmax>dcrit。以時(shí)區(qū)一為例，dmax=0.44D，dcrit與管道傾角相關(guān)，沿線dcrit數(shù)值如圖2所示，全線均小于dmax，水不能進(jìn)入油相。 圖2 2019-03-23~2019-08-11期間目標(biāo)管道dcrit隨里程變化 02 管道水積聚風(fēng)險(xiǎn) 參照NACE SP0208-2008標(biāo)準(zhǔn)推薦的原位水流速計(jì)算模型確定目標(biāo)管道沿線水集聚位置。根據(jù)管道油水流動(dòng)狀態(tài)分析結(jié)果可知，沿線為油水分離，因此選用油水兩相隔離模型，如圖3所示。 圖3 油水兩項(xiàng)層流模型 根據(jù)下式計(jì)算管道不同時(shí)區(qū)條件下的潛在水積聚位置，以時(shí)區(qū)一（入口壓力1.14 MPa，出口壓力1.08 MPa，入口溫度47 ℃，出口溫度19 ℃，輸量446 m3，含水率0.1%）為例，原位水流速接近0的位置發(fā)生水積聚，目標(biāo)管道原位水流速沿里程的分布如圖4所示。 式中：τo為油剪切力，N/m2；τw為水剪切力，N/m2；τi為界面剪切力，N/m2；β為管道傾角，°；So為油相接觸管道圓周，m；Sw為水相接觸管道圓周，m；Si為界面寬度，m；dp/dx為壓力梯度，N/m3；ρo為油相密度，kg/m3；ρw為水相密度，kg/m3；Ao為油層截面積，m2；Aw為水層截面積，m2。 圖4 2019-03-23-2019-08-11期間目標(biāo)管道的原位水流速分布 根據(jù)腐蝕相關(guān)基礎(chǔ)理論，腐蝕敏感部位的發(fā)展?fàn)顩r與其內(nèi)壁接觸液體的時(shí)間，即累積積液時(shí)間，有直接的對應(yīng)關(guān)系。目標(biāo)海底管道沿線可能的積液累積時(shí)間如圖5所示，不同的柱狀高度代表不同里程位置的可能的積液累計(jì)時(shí)間，風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)對應(yīng)的積液累計(jì)時(shí)間分布在第142~1363天。 圖5 目標(biāo)管道的積液累積情況 03 管道砂沉積風(fēng)險(xiǎn) 參照NACE SP0208-2008標(biāo)準(zhǔn)中推薦的模型確定目標(biāo)管道沿線砂沉積風(fēng)險(xiǎn)位置。當(dāng)作用于最底部移動(dòng)層固體顆粒的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和反抗轉(zhuǎn)矩達(dá)到平衡時(shí)，即可得到最小沉積床流速，如圖6所示。 圖6 移動(dòng)層與沉積層界面固體顆粒作用力模型示意 當(dāng)原位水流速大于砂沉積流速時(shí)，砂會沿管道移動(dòng)，沉積在管道底部的風(fēng)險(xiǎn)較小，否則將會沉積在管道底部。 通過計(jì)算不同時(shí)區(qū)砂沉積流速，將其與原位水流速進(jìn)行差值計(jì)算，當(dāng)砂沉積速度大于原位水流速時(shí)，管道存在固體積聚風(fēng)險(xiǎn)。以時(shí)區(qū)一為例，目標(biāo)管道原位水流速-沙沉積流速沿里程的分布如圖7所示，其中差值小于0的位置，即沙沉積流速大于原位水流速，存在固體積聚風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)生積聚的具體里程位置如圖7所示，全線均有沉積風(fēng)險(xiǎn)。 圖7 2019-03-23~2019-08-11日期間目標(biāo)管道原位水流速沙沉積流速沿里程的分布 04 管道內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)位置 根據(jù)目標(biāo)管道工況條件，依據(jù)積液概率、沙沉積概率、最長可能積累時(shí)間綜合判斷內(nèi)腐蝕敏感點(diǎn)的可能累積積液時(shí)間，據(jù)此判斷內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)次序。目標(biāo)管道腐蝕位置隨里程的風(fēng)險(xiǎn)概率分析結(jié)果如圖8所示，相對腐蝕概率對應(yīng)全線最小腐蝕風(fēng)險(xiǎn)同全線最大腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的歸一化結(jié)果，相對腐蝕概率大于均值的位置為內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置，即后續(xù)需重點(diǎn)關(guān)注的位置，具體見表1。 圖8 腐蝕位置隨里程的風(fēng)險(xiǎn)概率分析 表1 重點(diǎn)關(guān)注位置及風(fēng)險(xiǎn)排序 內(nèi)腐蝕發(fā)展趨勢預(yù)測 利用腐蝕預(yù)測模型/軟件進(jìn)行腐蝕預(yù)測，可以獲得管道高風(fēng)險(xiǎn)部位內(nèi)腐蝕發(fā)展的狀況，并與后續(xù)室內(nèi)腐蝕模擬試驗(yàn)結(jié)果相結(jié)合，綜合評估管道內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)和壁厚減薄預(yù)期情況。 軟件預(yù)測 針對各時(shí)間區(qū)間，以ECE軟件預(yù)測為主要手段，依據(jù)歷史緩蝕劑評價(jià)報(bào)告，選取代表性的緩蝕（效）率，獲得腐蝕預(yù)測結(jié)果。將腐蝕速率與時(shí)間段進(jìn)行累積，計(jì)算獲得腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域腐蝕量，進(jìn)而了解管道高風(fēng)險(xiǎn)部位的內(nèi)腐蝕發(fā)展趨勢。投產(chǎn)至今管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)較高位置的腐蝕最小減薄量0.315 mm（深度2.2%），最大腐蝕減薄量0.661 mm（深度4.6%）。由于目標(biāo)管道腐蝕裕量3 mm，目前減薄量并未超過腐蝕裕量。 室內(nèi)模擬試驗(yàn) 根據(jù)目標(biāo)海底管道歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)、腐蝕介質(zhì)參數(shù)及預(yù)期腐蝕工況的分析結(jié)果，分別選取海管入口、出口位置的典型工況，依據(jù)SY/T 5273-2014標(biāo)準(zhǔn)，采用高溫高壓釜?jiǎng)討B(tài)評估各腐蝕因素對海底管道腐蝕的影響，并根據(jù)模擬試驗(yàn)結(jié)果對內(nèi)腐蝕直接評估模型進(jìn)行驗(yàn)證和校核，評估目前現(xiàn)場防腐措施的有效性。高溫高壓腐蝕模擬試驗(yàn)參數(shù)見表2，試驗(yàn)周期為7天，模擬溶液pH為7.57，成分包括（質(zhì)量濃度/mg·L-1）：137.26 K+，5645.19 Na+，202.48 Ca2+，39.64 Ba2+，25.34 Sr2+，6940 Cl-，5.72 SO42-，1344.78 HCO3-。 表2 海管模擬工況腐蝕試驗(yàn)條件 由室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果可知：入口工況條件下，X65鋼在未加注緩蝕劑情況下的腐蝕速率為0.4251 mm/a，表明現(xiàn)場生產(chǎn)介質(zhì)存在一定的腐蝕性；加注30 mg/L液相緩蝕劑后，X65鋼的腐蝕速率為0.0575 mm/a（小于油田控制指標(biāo)0.076 mm/a），腐蝕速率相比于不含緩蝕劑條件下的下降明顯，緩蝕率為86.5%。海管出口工況下，不加注緩蝕劑時(shí)試樣的腐蝕速率為0.3296 mm/a，加注30 mg/L緩蝕劑后，試樣的腐蝕速率降低為0.0495 mm/a，緩蝕率為85.0%。 為進(jìn)一步研究緩蝕劑對海管的防護(hù)作用，對腐蝕試樣表面進(jìn)行三維景深觀察。結(jié)果表明：加注緩蝕劑后，在入口和出口工況條件下，試樣表面均未產(chǎn)生明顯的點(diǎn)蝕。 為驗(yàn)證腐蝕預(yù)測軟件預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)工況及試驗(yàn)所得緩蝕率，進(jìn)行腐蝕速率預(yù)測，軟件計(jì)算的腐蝕速率為0.0475~0.0585 mm/a，與室內(nèi)模擬試驗(yàn)所得腐蝕速率具備較高的一致性。 討 論 運(yùn)用腐蝕預(yù)測模型對目標(biāo)海管不同服役階段的內(nèi)腐蝕速率進(jìn)行了評估預(yù)測。目標(biāo)海管入口處內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)相對較高，內(nèi)腐蝕速率由上游至下游逐漸降低，考慮緩蝕劑效果，預(yù)測目標(biāo)海管重點(diǎn)關(guān)注位置處的內(nèi)腐蝕速率為0.076~0.27 mm/a。 利用現(xiàn)場取樣和實(shí)驗(yàn)室高溫高壓腐蝕模擬試驗(yàn)，針對目標(biāo)海管CO2腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，考慮緩蝕劑應(yīng)用效果。結(jié)果表明：目標(biāo)海管在模擬工況下的內(nèi)腐蝕速率試驗(yàn)值為0.05~0.06 mm/a；模擬工況下的內(nèi)腐蝕速率軟件計(jì)算值為0.0475~0.0585 mm/a，與試驗(yàn)所得結(jié)果相近，軟件預(yù)測結(jié)果具有較高可靠性。 基于軟件預(yù)測模型和室內(nèi)模擬試驗(yàn)結(jié)果，預(yù)計(jì)投產(chǎn)至今目標(biāo)海管因CO2腐蝕造成的內(nèi)壁腐蝕減薄厚度最大值約為0.661 mm，未超過設(shè)計(jì)的腐蝕裕量（3 mm），內(nèi)腐蝕狀況仍處于設(shè)計(jì)預(yù)留的可控范圍內(nèi)。ASME B31G標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，如果壁厚減薄率不超過10%，可認(rèn)為剩余強(qiáng)度沒有受到顯著影響。目標(biāo)海管可按照原設(shè)計(jì)，繼續(xù)保持正常生產(chǎn)運(yùn)行。 結(jié) 論
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