對(duì)于油氣生產(chǎn)企業(yè)，腐蝕控制即是安全保障，又是經(jīng)濟(jì)權(quán)衡，同時(shí)還體現(xiàn)管理水平。隨著安全生產(chǎn)意識(shí)的提高，油田礦場腐蝕隱患排查和精細(xì)化管理對(duì)老油田的轉(zhuǎn)型發(fā)展顯得尤為重要。油氣田現(xiàn)場的管道及設(shè)施時(shí)刻發(fā)生著無法逆轉(zhuǎn)的腐蝕，是腐蝕防護(hù)的重點(diǎn)領(lǐng)域。油氣田生產(chǎn)系統(tǒng)存在站場分散、輸送距離遠(yuǎn)、節(jié)點(diǎn)差異大等特點(diǎn)，然而，一直以來，油氣田腐蝕防護(hù)以一種相對(duì)粗放的、被動(dòng)式的模式進(jìn)行管理。根據(jù)我國腐蝕調(diào)查結(jié)論，25 ～ 40% 腐蝕導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失是可以通過合理控制而避免的。因此，油氣田腐蝕防護(hù)仍然是當(dāng)前科研和工程應(yīng)用的焦點(diǎn)。

    油氣水混輸是油氣田常見的生產(chǎn)工況，多相流介質(zhì)會(huì)導(dǎo)致管道內(nèi)腐蝕問題，其規(guī)律認(rèn)識(shí)和腐蝕控制難度較大，這是當(dāng)前油氣田腐蝕領(lǐng)域面臨的最棘手問題。近年來，伴隨著采油新技術(shù)的應(yīng)用，采出液高含 CO 2 、H 2 S 等酸性氣體導(dǎo)致管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)急劇提升；深海油氣集輸管道耐受高溫、高壓、高流速的工況環(huán)境，管道內(nèi)腐蝕控制成為技術(shù)瓶頸之一。如何識(shí)別現(xiàn)場多相流管道的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行合理評(píng)估，并在此基礎(chǔ)上執(zhí)行具備可行性和經(jīng)濟(jì)性的防腐方案，是我國腐蝕工作者不懈努力的方向。

    發(fā)展歷程

    從上世紀(jì) 70 年代開始，人們針對(duì)含 CO 2 、H 2 S 等水溶液模擬工況環(huán)境，逐步開展了常見金屬材料腐蝕規(guī)律的研究工作，已形成了各種腐蝕預(yù)測模型?；陔娀瘜W(xué)、表面分析而建立的材料腐蝕機(jī)理也得到了深刻闡述。然而，實(shí)際生產(chǎn)工況異常復(fù)雜，特別是油氣集輸管道，通常以油氣水多相流狀態(tài)進(jìn)行輸送。同時(shí)，原油和采出水在開發(fā)和輸送過程中會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的攪動(dòng)和乳化，伴生氣的涌入會(huì)使流型更加復(fù)雜。圖 1 是勝利油田某區(qū)塊含水原油乳狀液的微觀結(jié)構(gòu)，可見微小水滴彌散分布于連續(xù)的油相之中。油氣田生產(chǎn)過程中，幾乎所有的輸送介質(zhì)均含有原油或被原油污染，純粹基于實(shí)驗(yàn)室模擬水溶液環(huán)境中的腐蝕規(guī)律認(rèn)識(shí)存在明顯的局限性。如何理解游離水、乳化水以及多相流流型之間的關(guān)系及其對(duì)管道內(nèi)腐蝕的影響，已成為油氣管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和腐蝕預(yù)測必須攻克的難題。

    英國殼牌石油公司早在 1975 年就開展了油氣水多相流腐蝕規(guī)律研究，認(rèn)識(shí)到原油在影響管道腐蝕中的重要性。從筆者掌握的公開發(fā)表文獻(xiàn)來看，國外在油氣水多相流腐蝕領(lǐng)域的主要研究機(jī)構(gòu)分布在美國、加拿大、挪威等油氣開發(fā)強(qiáng)國。圖 2 中簡要總結(jié)了不同時(shí)期國際上主要開展油氣水多相流腐蝕研究的團(tuán)隊(duì)和關(guān)注焦點(diǎn)。總體而言，該領(lǐng)域發(fā)展較為緩慢，但一直處于不斷的前進(jìn)中，從腐蝕現(xiàn)象認(rèn)識(shí)，關(guān)鍵因素分析逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦g機(jī)制理解以及現(xiàn)場工況重現(xiàn)和評(píng)估等，研究重點(diǎn)也朝著解決實(shí)際問題和挖掘本質(zhì)的方向前行。

    近年來，由于生產(chǎn)實(shí)際的迫切需求，油氣水多相流腐蝕研究在我國得到了高度重視，多家研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)致力于相關(guān)領(lǐng)域的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究。中石油、中石化、中海油等大型油氣開發(fā)企業(yè)的下屬研究院也陸續(xù)加入到相關(guān)技術(shù)攻關(guān)行列。這些努力必將極大推動(dòng)多相流腐蝕領(lǐng)域的發(fā)展，為我國強(qiáng)腐蝕性油氣田開發(fā)和深海油氣田開發(fā)提供強(qiáng)力的技術(shù)保障。

    多相流腐蝕仿真模擬技術(shù)

    油氣管道腐蝕涉及到油氣水或氣液固等多相流復(fù)雜環(huán)境，全面認(rèn)識(shí)其腐蝕規(guī)律的難度很大，其關(guān)鍵在于現(xiàn)場實(shí)際工況的模擬以及相應(yīng)腐蝕評(píng)價(jià)技術(shù)的建立。高溫高壓釜是開展油氣田腐蝕模擬研究的重要裝備。在固定容積的釜體內(nèi)，通過溫度、壓力、氣氛、溶液組成及流動(dòng)等要素的控制，實(shí)現(xiàn)模擬現(xiàn)場工況下材料腐蝕行為的綜合評(píng)價(jià)，已成為開展油氣田腐蝕模擬研究的必備手段。為了全面認(rèn)識(shí)管道內(nèi)流體特征與內(nèi)腐蝕的關(guān)聯(lián)性，一些研究組在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建立了多相流腐蝕模擬環(huán)路裝置，實(shí)現(xiàn)了油氣集輸工況的仿真模擬。從國內(nèi)外報(bào)道情況來看，此類環(huán)路裝置大體上分為兩類，即小型油水兩相流腐蝕模擬環(huán)路和大型油氣水多相流腐蝕模擬環(huán)路。小型環(huán)路裝置側(cè)重點(diǎn)在于模擬油水兩相混合狀態(tài)，例如考察油水乳化狀態(tài)和油水潤濕行為對(duì)管道動(dòng)態(tài)腐蝕的影響；而大型環(huán)路裝置的優(yōu)勢在于多相流流型模擬，探索氣液兩相、油氣水三相流中管道局部區(qū)域的腐蝕行為。

    目前，國際上已有多家研究機(jī)構(gòu)成功建立并運(yùn)行了大型多相流腐蝕模擬環(huán)路，重現(xiàn)油氣田管道實(shí)際生產(chǎn)工藝情況，通過腐蝕檢測及流型分析等方法完成對(duì)管道內(nèi)腐蝕的定量評(píng)價(jià)。依托勝利油田CO 2 驅(qū)油工程，筆者實(shí)驗(yàn)室于 2012 年初建成了一套大型多相流環(huán)路系統(tǒng)，配備了流型觀察、腐蝕監(jiān)測、腐蝕掛片等測試手段，管道內(nèi)徑為 DN40，總長度約60 米，整體管路和設(shè)備均采用 316L 不銹鋼材質(zhì)。利用該裝置，模擬了不同含水率和不同氣液比條件下多相流腐蝕規(guī)律，全面評(píng)估了勝利油田 CO 2 驅(qū)油集輸管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，據(jù)此提出腐蝕防護(hù)方案，指導(dǎo)生產(chǎn)現(xiàn)場。

    通常情況下，由于原油易發(fā)生乳化，多相流模擬實(shí)驗(yàn)中選用輕質(zhì)白油作為模擬油，很少采用實(shí)際產(chǎn)出的中質(zhì)、重質(zhì)原油進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。我們?cè)陂_展以中質(zhì)原油為輸入介質(zhì)的多相流模擬實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，在密閉系統(tǒng)內(nèi)，油氣水經(jīng)過多周次混合與分離會(huì)導(dǎo)致油水乳化問題，乳化原油中含水率隨著運(yùn)行時(shí)間延長不斷增加，最終形成油包水型乳狀液（其含水率可高達(dá) 70% 左右），無法繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。

    為克服多相流實(shí)驗(yàn)過程中油水乳化問題，有兩種可行方案：（1）采用高效油水分離技術(shù)；（2）將模擬裝置直接與生產(chǎn)系統(tǒng)連接，實(shí)時(shí)更換測試原油。

    第一種方案對(duì)油水分離技術(shù)要求較高。在模擬實(shí)驗(yàn)過程中，想要做到每個(gè)循環(huán)周期內(nèi)乳狀液在分離器內(nèi)實(shí)現(xiàn)油水分離，需要有足夠的停留時(shí)間或是極高的分離效率。停留時(shí)間延長，意味著裝置的體積增加；分離效率提高就必須采取高頻電聚結(jié)等先進(jìn)的油水分離技術(shù)。由此導(dǎo)致工程投資大幅增加，目前鮮有嘗試。

    第二種方案被認(rèn)為是較為可行的選擇。將油氣站場內(nèi)的油氣水實(shí)時(shí)引入實(shí)驗(yàn)環(huán)路裝置開展測試，再將混輸液排入生產(chǎn)系統(tǒng)，即避免了原油在管路內(nèi)往復(fù)流動(dòng)加劇乳化等問題，還真實(shí)地反映了集輸工況。通過油氣水流量的獨(dú)立控制，可以模擬絕大多數(shù)油氣生產(chǎn)工況。基于以上思路，我公司在勝利油田某聯(lián)合站內(nèi)建造了管道多相流仿真模擬與內(nèi)腐蝕評(píng)估裝置，圖 3 所示為現(xiàn)場裝置照片。該裝置與站內(nèi)生產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)成密閉環(huán)境，站內(nèi)三相分離器的原油出口、污水出口和天然氣出口分別連接至裝置的三相流進(jìn)口管路，實(shí)現(xiàn)油氣水多相流模擬，流經(jīng)測試管路的多相流介質(zhì)再返回至生產(chǎn)系統(tǒng)；配合腐蝕監(jiān)測和流型觀察系統(tǒng)，完成多種工況下管道內(nèi)腐蝕實(shí)時(shí)評(píng)估。該裝置經(jīng)模塊化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)不同站場內(nèi)移動(dòng)和改造。

圖3 勝利油田某聯(lián)合站內(nèi)的現(xiàn)場多相流管道內(nèi)腐蝕模擬裝置（管道內(nèi)徑DN80）

    點(diǎn)滴認(rèn)識(shí)

    油氣生產(chǎn)管道具有多相混輸?shù)奶攸c(diǎn)，流體復(fù)雜性制約著現(xiàn)場腐蝕控制與管理理念的實(shí)施。原油在管道腐蝕中所起到的作用，是理解多相流規(guī)律和腐蝕規(guī)律的銜接點(diǎn)。一般認(rèn)為，原油在管輸過程中的緩蝕作用主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面。

    第一，形成原油為連續(xù)相的油水分散體系，如油包水型乳狀液，避免水相與管道內(nèi)壁直接接觸。這種情況下，乳狀液或油水分散體系中小液滴的穩(wěn)定性決定管道底部腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，因此，油包水型分散體系的采出液在長距離、長時(shí)間輸送過程中容易出現(xiàn)游離水析出，導(dǎo)致管道底部腐蝕問題。

    第二，原油在管道表面形成潤濕與吸附，有效隔離腐蝕性介質(zhì)。一般來講，只有當(dāng)管道內(nèi)壁處于水潤濕狀態(tài)時(shí)，才會(huì)發(fā)生腐蝕；當(dāng)管道內(nèi)壁處于油潤濕狀態(tài)，腐蝕將被極大抑制。大多數(shù)情況下，管道內(nèi)壁特定位置將處于周期性的油水兩相交替潤濕狀態(tài)下，其潤濕特性取決于流型特征和材料表面等因素。另外，通過改變流體的流速和氣液比等生產(chǎn)參數(shù)，可能有助于原油在管道底部形成優(yōu)先潤濕，從而降低腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。在油水交替作用下，材料的腐蝕規(guī)律和機(jī)理變得更加復(fù)雜，目前仍缺乏深入認(rèn)識(shí)。

    第三，原油中緩蝕性組分的萃取與溶解作用，降低水相腐蝕性。原油中某些極性有機(jī)分子（如含 S 或 N 等組分）在輸送過程中溶解進(jìn)入水相介質(zhì)，以類似于緩蝕劑分子的方式吸附于金屬表面，形成保護(hù)膜，起到一定的緩蝕作用。

    第四，原油進(jìn)入腐蝕產(chǎn)物膜，增強(qiáng)腐蝕產(chǎn)物膜的穩(wěn)定性。油氣生產(chǎn)管道腐蝕失效分析表明，管道內(nèi)壁形成的腐蝕產(chǎn)物膜內(nèi)或多或少存在原油組分，這些滲透進(jìn)入腐蝕產(chǎn)物膜的原油在腐蝕過程中起著重要作用。國外研究已證實(shí)原油在腐蝕產(chǎn)物膜內(nèi)的存在會(huì)改變其結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，但仍缺少對(duì)其形成過程和穩(wěn)定機(jī)理的微觀認(rèn)識(shí)。

    顯然，原油對(duì)管道多相流腐蝕的影響至關(guān)重要。原油是由多種有機(jī)物質(zhì)構(gòu)成的復(fù)雜混合物，按密度差異可分為輕質(zhì)、中質(zhì)和重質(zhì)等三種類型。De Waard等認(rèn)為，原油的密度越大，其發(fā)生腐蝕的臨界含水率越高，這可能與油包水型乳狀液的形成相關(guān)。Nesic 研究組認(rèn)為，原油的化學(xué)成分決定其緩蝕能力；其中，某些微量極性有機(jī)分子起到關(guān)鍵作用。當(dāng)然，僅強(qiáng)調(diào)部分有機(jī)分子在金屬表面的吸附成膜，而忽略原油中復(fù)雜分子的相互影響和協(xié)同作用，并不能真正理解不同原油的緩蝕作用差異。

    流型決定著管道內(nèi)壁不同部位腐蝕行為。在油氣水混輸管道內(nèi)，通常會(huì)出現(xiàn)分層流、段塞流、分散流和環(huán)狀流等流型特征。在原油集輸管道內(nèi)，段塞流和分層流最為常見。分散流一般氣含量較低而液體流速較高時(shí)出現(xiàn)，在污水或注水管道內(nèi)則很可能出現(xiàn)小氣泡分散于液相流動(dòng)的狀態(tài)；在集輸管道內(nèi)，如果液體流速較高，可能會(huì)出現(xiàn)油滴在水相中彌散分布的情形。當(dāng)氣體流量較高，液量較低時(shí)，可能出現(xiàn)環(huán)狀流。經(jīng)過數(shù)十年的實(shí)驗(yàn)研究和理論體系建立，人們對(duì)多相流流動(dòng)特征已形成一些模型框架，是構(gòu)建流型與腐蝕關(guān)聯(lián)性的基礎(chǔ)。Tulsa 大學(xué)在美國能源部資助下，經(jīng)多年研究，根據(jù)油水混合程度將油氣水流體細(xì)分為 12 種流型。我國西安交通大學(xué)多相流國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)水平及傾斜管線中油氣水的流型變化做了系統(tǒng)研究，歸納出 9 種流型。當(dāng)然，如果僅考慮油水兩相與管壁的接觸機(jī)會(huì)，也可以參照?qǐng)D 4 中的兩相流流型圖。目前，美國俄亥俄大學(xué)在流體流型與管道腐蝕規(guī)律方面開展了大量的實(shí)驗(yàn)?zāi)M工作，系統(tǒng)描述了管道內(nèi)壁不同流型的潤濕行為及對(duì)腐蝕行為的影響。

    在多相流介質(zhì)中，只有與材料表面直接接觸的部分才會(huì)對(duì)腐蝕行為產(chǎn)生影響。因此，從統(tǒng)計(jì)學(xué)角度來看，材料表面特定部位時(shí)刻經(jīng)受著油水兩相交替作用。由于原油密度和水密度的差異，管道底部更多時(shí)間處于水相潤濕狀態(tài)，而管道頂部更傾向于與原油接觸。管道中間部位則處于油水兩相更替潤濕的狀態(tài)，其油水交替周期和潤濕時(shí)間取決于流體流型、流速以及含水率等因素。在這種工況下，形成的腐蝕產(chǎn)物膜也會(huì)比較復(fù)雜，往往被原油浸潤，其耐腐蝕能力也可能得到強(qiáng)化。然而，目前我們尚缺少模擬油水交替作用工況下材料腐蝕行為的系統(tǒng)研究。

    多維度腐蝕評(píng)價(jià)

    完整的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系需要綜合考慮管道介質(zhì)及相關(guān)變量在空間和時(shí)間維度的變化。例如，我們?cè)诟邷馗邏耗M溶液中測試管道材質(zhì)的腐蝕速率，這僅僅是表達(dá)了材質(zhì)在油氣管道某一取樣點(diǎn)、短時(shí)間內(nèi)的腐蝕行為，我們可稱之為零維管道腐蝕評(píng)價(jià)。當(dāng)我們考察整個(gè)集輸管網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的主要工藝參數(shù)變化，并與材質(zhì)的腐蝕行為加以關(guān)聯(lián)，這樣做可以實(shí)現(xiàn)一維管道腐蝕評(píng)價(jià)。管道的二維空間可以看成是管道截面的不同角度所對(duì)應(yīng)的位置，其腐蝕行為差異受控于多相流流型和原油的潤濕行為。只有這三方面綜合考慮，才能夠?qū)崿F(xiàn)油氣管道三維空間的腐蝕評(píng)估。按照這樣的思路，我們就可以完成整個(gè)集輸管網(wǎng)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)的全面分析，對(duì)于指導(dǎo)油氣生產(chǎn)安全和薄弱點(diǎn)識(shí)別具有重要意義。

    油氣管道腐蝕評(píng)估過程中，我們往往會(huì)忽視時(shí)間維度影響，即管道服役歷史對(duì)評(píng)估結(jié)論的影響。在時(shí)間維度上，主要涉及腐蝕產(chǎn)物膜穩(wěn)定性和生產(chǎn)工況條件隨時(shí)間改變兩個(gè)方面。在油氣水混輸工況下，腐蝕產(chǎn)物膜穩(wěn)定性評(píng)價(jià)變得比較復(fù)雜，現(xiàn)在我們?nèi)詻]有可依據(jù)的經(jīng)驗(yàn)或理論。油氣生產(chǎn)過程中，同一條管線的輸送介質(zhì)參數(shù)在不同時(shí)期可能發(fā)生較大變化，例如輸送溫度、含水率等。這些因素對(duì)于管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估至關(guān)重要，也是開展精細(xì)化腐蝕管理的基礎(chǔ)。

    未來展望

    結(jié)合我國油氣田生產(chǎn)安全需求和腐蝕防護(hù)領(lǐng)域發(fā)展趨勢，筆者認(rèn)為，油氣管道多相流腐蝕研究應(yīng)重點(diǎn)圍繞以下幾方面展開：

    （1）多相流環(huán)境材料腐蝕機(jī)理研究。盡管我們對(duì)溶液環(huán)境中材料腐蝕機(jī)理有較深入理解，但對(duì)于原油影響材料腐蝕的機(jī)理認(rèn)識(shí)卻十分匱乏。

    （2）油氣管道腐蝕軌跡研究。亟待建立油氣生產(chǎn)歷史與材料長期腐蝕行為關(guān)聯(lián)性，這將是開啟油氣管道全面腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的關(guān)鍵步驟。

    （3）建立全周期腐蝕控制理念。將被動(dòng)的腐蝕防護(hù)轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)的腐蝕管理，把腐蝕成本增加到工程設(shè)計(jì)階段，從而降低運(yùn)行維護(hù)階段的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，真正實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)—監(jiān)測—管理—維護(hù)的全周期腐蝕成本控制。

    （4）多相流體系緩蝕劑評(píng)價(jià)技術(shù)。有必要建立一套適用于多相流環(huán)境的腐蝕快速評(píng)價(jià)技術(shù)，并應(yīng)用于緩蝕劑評(píng)價(jià)，為開發(fā)出新型高效緩蝕劑提供評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和指導(dǎo)理念。

●  作者簡介

    王子明 博士，副研究員。2010年畢業(yè)于中國科學(xué)院金屬研究所，獲材料學(xué)博士學(xué)位，隨后進(jìn)入中石化勝利油田博士后工作站開展CO 2 驅(qū)腐蝕防護(hù)研究，出站后留在中石化系統(tǒng)工作。主要研究方向?yàn)橛蜌馓锔g防護(hù)及耐蝕材料應(yīng)用，在Corrosion Science等專業(yè)雜志發(fā)表SCI論文17篇，其中第一作者或通訊作者14篇，發(fā)明專利3項(xiàng)。曾獲得博士后面上基金、山東省博士后基金等資助，作為負(fù)責(zé)人或技術(shù)首席承擔(dān)多項(xiàng)中石化集團(tuán)、勝利油田等各級(jí)科研課題，部分成果獲得中石化石油工程公司和勝利油田科技進(jìn)步獎(jiǎng)。負(fù)責(zé)搭建和運(yùn)行大型多相流腐蝕環(huán)路裝置2套，同時(shí)負(fù)責(zé)完成了中海油海上油田流動(dòng)安全測試大型環(huán)路系統(tǒng)的可研方案設(shè)計(jì)。