油氣設(shè)施腐蝕失效形式及控制措施

近年來(lái)，隨著我國(guó)油氣田深度開(kāi)發(fā)和油氣管道建設(shè)飛速發(fā)展，油氣井、集輸管線和長(zhǎng)輸管線的腐蝕問(wèn)題日益突出，給腐蝕控制工作帶來(lái)極大挑戰(zhàn)，同時(shí)也要求更多專業(yè)技術(shù)人員充分了解石油天然氣工業(yè)中的腐蝕特點(diǎn)，通過(guò)不斷的技術(shù)進(jìn)步和應(yīng)用實(shí)踐，減輕或避免腐蝕帶來(lái)的危害。

油氣工業(yè)的生產(chǎn)流程

油氣工業(yè)的生產(chǎn)大體包括油氣開(kāi)采、油氣集輸和油氣儲(chǔ)運(yùn)等過(guò)程。

油氣開(kāi)采的任務(wù)是通過(guò)一系列可作用于油藏的工程技術(shù)措施，使油、氣由儲(chǔ)層暢流進(jìn)入井筒，并高效率地將其舉升到地面進(jìn)行分離和計(jì)量，其目標(biāo)是經(jīng)濟(jì)有效地提高油氣井產(chǎn)量和油氣采收率。采油工程系統(tǒng)有兩大組成部分：一是具有一定儲(chǔ)存和流動(dòng)特性的孔隙或裂縫介質(zhì)系統(tǒng)，即油藏；二是人工建造系統(tǒng)，包括井底、井筒、井口裝置、采油設(shè)備、注水設(shè)備以及地面集輸、分離和儲(chǔ)存設(shè)備等。在油氣開(kāi)采中，往往是油中含氣（伴生氣），或氣中含油，所以氣田開(kāi)采工藝一般包括油的生產(chǎn)工藝。

在油田，將各油井生產(chǎn)出來(lái)的原油、天然氣等混合物進(jìn)行收集、儲(chǔ)運(yùn)、分離、凈化的各種工藝裝置和管路連接起來(lái)的完整系統(tǒng)稱為油氣集輸流程，簡(jiǎn)稱集輸流程。

油井產(chǎn)出的多相混合物經(jīng)單井管線（或經(jīng)計(jì)量后的混輸管線）混輸至集中處理站（集中處理站也稱為油氣集輸聯(lián)合站），在聯(lián)合站內(nèi)首先進(jìn)行氣液的分離，然后對(duì)分離后得到的液相進(jìn)一步進(jìn)行油水分離，通常稱原油脫水；脫水后的原油在站內(nèi)再進(jìn)行穩(wěn)定處理，穩(wěn)定后的原油輸至礦場(chǎng)油庫(kù)暫時(shí)儲(chǔ)存或直接輸至長(zhǎng)輸管道的首站；在穩(wěn)定過(guò)程中得到的石油氣送至輕烴回收裝置進(jìn)一步處理；從油水混合物中脫出的含油污水及泥砂等，進(jìn)入聯(lián)合站內(nèi)的污水處理站進(jìn)行除油、除雜質(zhì)、脫氧、防腐等一系列處理，使之達(dá)到油田地層回注或環(huán)境保護(hù)要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，再根據(jù)需要，回注地層或外排；對(duì)從氣液分離過(guò)程中得到的天然氣（通常稱為油田伴生氣或油田氣），進(jìn)行干燥、脫硫等凈化處理后，再進(jìn)行輕烴回收處理，將其分割為甲烷含量90%以上的干氣和液化石油氣、輕質(zhì)油等輕烴產(chǎn)品，其中干氣輸至輸氣管道的首站，液化石油氣和輕質(zhì)油等輕烴產(chǎn)品可直接外銷。

油氣儲(chǔ)運(yùn)，簡(jiǎn)單講就是油氣的儲(chǔ)存和輸運(yùn)兩個(gè)過(guò)程。就是將油田各油井生產(chǎn)的原油和油田氣進(jìn)行收集、處理，將符合外輸標(biāo)準(zhǔn)的原油儲(chǔ)存、計(jì)量后分別輸送至礦場(chǎng)、油庫(kù)或外輸站的過(guò)程。為了保證油田均衡、安全地生產(chǎn)，外輸站或礦場(chǎng)油庫(kù)必須有滿足一定儲(chǔ)存周期的油罐。儲(chǔ)油罐的數(shù)量和總?cè)萘繎?yīng)根據(jù)油田產(chǎn)量、工藝要求確定。管道輸送是用油泵將原油從外輸站直接向外輸送，具有輸油成本低、密閉連續(xù)運(yùn)行等優(yōu)點(diǎn)，是最主要的原油外輸方法。

天然氣儲(chǔ)運(yùn)的流程包括：井場(chǎng)-集氣站-凈化廠（增壓站）-配氣站（首站-長(zhǎng)輸管線的穿跨越、中間泵站等）-終點(diǎn)（門站）-用戶（居民、化工廠等）。目前，天然氣儲(chǔ)存技術(shù)主要包括液化天然氣（LNG）儲(chǔ)氣、地下儲(chǔ)氣庫(kù)（UNGS）儲(chǔ)氣、水合物（NGH）儲(chǔ)氣、吸附天然氣（ANG）儲(chǔ)氣和近臨界流體（NCF）儲(chǔ)氣。

石油儲(chǔ)運(yùn)的流程包括：油田原油開(kāi)采→（管）運(yùn)輸（罐）儲(chǔ)集→預(yù)處理（脫水、輕烴回收）→罐儲(chǔ)→（管、船）運(yùn)→中轉(zhuǎn)站（油庫(kù)）→煉油廠→產(chǎn)品罐儲(chǔ)→（管、船、火車、汽車）運(yùn)→中轉(zhuǎn)站（油庫(kù)）→加油站→銷售、使用。原油從油井（自噴或抽油機(jī)井）經(jīng)集油管線輸至集油站，在集油站進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠蜌夥蛛x、計(jì)量、增壓、加熱。由管道（油氣混輸或油氣分輸）輸至集油總站對(duì)原油進(jìn)行輕烴回收、原油穩(wěn)定、含油污水處理、氣體脫水、脫CO2和脫硫等綜合處理。經(jīng)處理質(zhì)量合格后的原油，進(jìn)入首站（或原油庫(kù)），由長(zhǎng)輸管線輸至煉油廠或碼頭。

油氣設(shè)施腐蝕失效形式

根據(jù)腐蝕失效的形式和腐蝕形貌，可以將導(dǎo)致油氣管道與設(shè)施失效的腐蝕類型分為全面腐蝕、局部腐蝕和環(huán)境敏感斷裂。目前，油氣管道與設(shè)施的主要材料為碳鋼、低合金鋼和不銹鋼及耐蝕合金。全面腐蝕和局部腐蝕引起的失效主要發(fā)生于碳鋼和低合金鋼材料，而局部腐蝕環(huán)境敏感斷裂引起的失效多發(fā)生于不銹鋼。

油氣管道設(shè)施的腐蝕在宏觀上還可以分為內(nèi)腐蝕和外腐蝕，內(nèi)腐蝕主要是管體內(nèi)部由于輸送的油氣水多相流動(dòng)介質(zhì)所導(dǎo)致的腐蝕，外腐蝕主要是管體外部遭受的土壤、地下水和微生物引起的腐蝕。油氣管材的腐蝕問(wèn)題由于其接觸介質(zhì)的多樣性，腐蝕形式復(fù)雜，往往給工程技術(shù)人員帶來(lái)諸多困惑。

為了能夠更好地使工程技術(shù)人員從不同層次了解腐蝕問(wèn)題，本書后面的章節(jié)分別從油氣工業(yè)的腐蝕環(huán)境特點(diǎn)、腐蝕發(fā)生發(fā)展的不同層次，以及具體的腐蝕類型及其機(jī)理等方面介紹油氣工業(yè)典型的腐蝕問(wèn)題，既包括人們熟知的CO2腐蝕、H2S腐蝕，也包括與管道運(yùn)行相關(guān)的垢下腐蝕和頂部腐蝕，還包括環(huán)境敏感斷裂的多種形式。

油氣設(shè)施腐蝕控制措施

（1）材料選擇

腐蝕控制的材料選擇是一項(xiàng)復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)決策，其中要考慮油氣工程整個(gè)壽命周期內(nèi)的成本、施工實(shí)踐和操作程序。針對(duì)特定的應(yīng)用場(chǎng)合選擇特定的材料很重要，選擇合適的加工方法（如焊接或涂鍍）也很重要。正確選擇對(duì)長(zhǎng)期腐蝕控制和維持資本支出與運(yùn)營(yíng)支出之間的最佳平衡至關(guān)重要，這將最大限度地提高管道的完整性和運(yùn)行安全。腐蝕裕量的使用是對(duì)選材中經(jīng)濟(jì)考慮和技術(shù)考慮之間相互作用的最簡(jiǎn)單示例。

一般的，預(yù)期壽命較長(zhǎng)的管道通常傾向于選擇較昂貴的耐蝕合金（CRA），這大大降低了運(yùn)營(yíng)成本。龐大的管道系統(tǒng)則傾向于使用較便宜的材料但運(yùn)營(yíng)成本會(huì)很高，其中包括使用額外的腐蝕控制方法如化學(xué)處理、涂層、陰極保護(hù)。

針對(duì)特定應(yīng)用的耐腐蝕材料選擇取決于預(yù)期的服役條件。例如，金屬材料在H2S介質(zhì)存在開(kāi)裂敏感性，選材取決于溫度、H2S分壓、原位pH值、氯離子含量、元素硫、溫度、應(yīng)力以及與液態(tài)水相接觸的時(shí)長(zhǎng)等諸多因素。這都是油氣工業(yè)腐蝕控制選材經(jīng)常面臨的工作。

（2）保護(hù)涂層

很多情況下，最實(shí)用、最直接的腐蝕控制方法就是用合適的保護(hù)涂層涂覆管道表面。涂層是腐蝕控制的第一道防線。用于腐蝕控制的涂層可主要分為犧牲性涂層、緩蝕性涂層、導(dǎo)電性涂層、阻隔性涂層等。既包括金屬鍍層或包覆層、堆焊層，又包括非金屬的涂層、襯里等。

（3）陰極保護(hù)

陰極保護(hù)對(duì)通過(guò)腐蝕控制維護(hù)管道完整性是十分重要的。陰極保護(hù)（CP）控制腐蝕，首先通過(guò)消除被腐蝕金屬結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極和陰極之間的電位差，其次通過(guò)在陰極保護(hù)系統(tǒng)的陽(yáng)極和被腐蝕金屬結(jié)構(gòu)之間形成一個(gè)負(fù)電位差從而使被腐蝕結(jié)構(gòu)成為新的電化學(xué)電池的陰極。本質(zhì)上，陰極保護(hù)是通過(guò)使表面變?yōu)殛帢O從而控制金屬腐蝕的技術(shù)。

（4）電氣絕緣

當(dāng)管道結(jié)構(gòu)容易受到電偶腐蝕或交直流干擾電流腐蝕的影響時(shí)，腐蝕控制的切實(shí)可行方法是確保結(jié)構(gòu)的電氣隔離。管線系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)避免在直接接觸或穿過(guò)同一電解質(zhì)的位置使用異種金屬。在使用異種金屬的情況下，需要采用電氣隔離手段來(lái)阻斷金屬電連續(xù)性以防止或顯著降低電偶腐蝕。

雜散電流并非同一結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極和陰極之間的電偶腐蝕電流。流經(jīng)正常電路之外的電通路的電流可歸為雜散電流，包括靜態(tài)電流或動(dòng)態(tài)電流，交流電流或直流電流。雜散電流造成大多數(shù)金屬的嚴(yán)重腐蝕。雜散電流腐蝕可能是由系統(tǒng)造成，如電力系統(tǒng)、鐵路系統(tǒng)、電接地、鄰近埋地管道陰極保護(hù)系統(tǒng)、采礦作業(yè)、焊接作業(yè)等。如果不加以控制，雜散電流可能會(huì)很快地破壞結(jié)構(gòu)或者造成潛在的災(zāi)難性后果。

（5）環(huán)境控制

石油天然氣勘探和生產(chǎn)系統(tǒng)中的環(huán)境盡管具有腐蝕性，但仍可以通過(guò)環(huán)境或介質(zhì)調(diào)節(jié)控制腐蝕。環(huán)境控制變量包括壓力、溫度、流體動(dòng)力學(xué)、管道應(yīng)力狀態(tài)等管道內(nèi)部和外部環(huán)境條件。如脫水和除氧等處理的目的就是通過(guò)改變介質(zhì)腐蝕性環(huán)境進(jìn)而影響腐蝕，還包括化學(xué)處理、調(diào)整環(huán)境的導(dǎo)電性、調(diào)節(jié)pH，或者確保環(huán)境與潛在的腐蝕因素“隔絕”等方式。地床和回填也是改變埋地管道環(huán)境的例子，可以保護(hù)管道涂層并且最大限度地減少潛在的安裝應(yīng)力。

使用緩蝕劑、除氧劑和殺菌劑等化學(xué)處理也是在石油天然氣開(kāi)發(fā)生產(chǎn)中重要的環(huán)境控制方法。為了有效地控制微生物腐蝕，殺菌劑一般針對(duì)微生物的原始來(lái)源而非整個(gè)系統(tǒng)。應(yīng)確定所有液體的來(lái)源以檢測(cè)細(xì)菌的存在并確定是否有可能出現(xiàn)腐蝕?；瘜W(xué)藥劑可按批次使用或連續(xù)使用，要根據(jù)類型選擇應(yīng)用方法。

水作為連續(xù)液體相存在才會(huì)引起嚴(yán)重的腐蝕。水蒸氣自身因其不是電解質(zhì)而不造成腐蝕，但在蒸汽相形成凝結(jié)水的地方，假如存在其他環(huán)境條件就可能發(fā)生腐蝕。因此去除天然氣中的水蒸氣是通過(guò)環(huán)境控制實(shí)現(xiàn)腐蝕控制的一種可行方法。

清管也是改變管道內(nèi)部環(huán)境的有效方法，清管一般采用清管器清除管道中積水、殘?jiān)⑽勰嗪推渌腆w沉淀物。管道的內(nèi)腐蝕通常與水有關(guān)，天然氣和凝析油管道容易受冷凝水積液和因操作擾動(dòng)造成攜帶水分的影響，導(dǎo)致管道內(nèi)部出現(xiàn)積水。同時(shí)管道內(nèi)部累積的水和固體沉積也可能引起垢下腐蝕并且創(chuàng)造一個(gè)對(duì)局部腐蝕有利的環(huán)境，包括微生物腐蝕，因此及時(shí)對(duì)管道進(jìn)行清管作業(yè)也是重要的環(huán)境控制方法。

管道的制造、運(yùn)輸、安裝和作業(yè)所產(chǎn)生的應(yīng)力與惡劣的環(huán)境結(jié)合能夠引起應(yīng)力腐蝕或環(huán)境敏感斷裂。通過(guò)科學(xué)選材、合理設(shè)計(jì)和優(yōu)化焊接方法以減少殘余應(yīng)力，是控制硫化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的重要途徑。還應(yīng)通過(guò)消除可能積聚氯化物的縫隙，來(lái)避免發(fā)生氯化物應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。因此，環(huán)境應(yīng)力控制和減弱環(huán)境敏感斷裂的敏感環(huán)境條件，也是環(huán)境控制的重要手段之一。

（6）防腐蝕設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)是控制腐蝕的一種基本途徑。有效利用設(shè)計(jì)達(dá)到最大效果的實(shí)例包括工藝布置設(shè)計(jì)、涂層設(shè)計(jì)、腐蝕監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)、化學(xué)處理方法設(shè)計(jì)、有效清管作業(yè)設(shè)計(jì)，分水器、滴水槽、盲管段、截止管段的管道設(shè)計(jì)，以及流體動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)。通過(guò)設(shè)計(jì)也可以實(shí)現(xiàn)沉積物控制、除氧和微生物控制。

在管道設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免出現(xiàn)縫隙和不準(zhǔn)確對(duì)接，因?yàn)檫@可能造成縫隙腐蝕。在一些設(shè)計(jì)中如搭接接頭設(shè)計(jì)，縫隙是固有的，應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行妥善密封。為完全避免留下縫隙，可以使用彈性墊圈或使用壽命較長(zhǎng)的密封劑。為避免濕氣進(jìn)入縫隙也要求進(jìn)行合理設(shè)計(jì)。假如濕氣積累不可避免，設(shè)計(jì)要力求為縫隙提供完備的排水體系。設(shè)施的有效排水對(duì)防止流體滯留在縫隙內(nèi)至關(guān)重要，必須對(duì)此類區(qū)域進(jìn)行定期檢查和徹底清潔。

在任何生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)都不可避免會(huì)存在盲管段、截止管線、排水管道和滴水槽。這些管段的特點(diǎn)是其停滯或間歇流動(dòng)的狀況，在這種狀況下腐蝕會(huì)蔓延但卻不容易被發(fā)現(xiàn)，從而危及管道完整性。避免流體停滯的恰當(dāng)設(shè)計(jì)再加上監(jiān)測(cè)可以改變這種狀況。另一種選擇就是通過(guò)設(shè)計(jì)盲管段和滴水槽以便更容易地對(duì)其進(jìn)行檢查和清潔。