塔河油田地面集输管网碳钢管线材质实验研究.pdf

试验研究张菁等：塔河油田地面集输管网碳钢管线材质实验研究 油气田地面工程 http:/ 塔河油田地面集输管网碳钢管线材质实验研究 张菁 1 赵毅 1 王晓慧 2 于延钊 2 摘要：塔河油田恶劣的腐蚀环境对地面集输管网碳钢管材的选用提出了更高的要求，现场服役 管线失效分析表明，内腐蚀失效形式主要为腐蚀穿孔和沟槽腐蚀，硫酸盐还原菌 （SRB） 是造 成管线失效的原因之一。选择塔河油田地面集输管网在用典型碳钢管材为研究对象，采用 CORTEST 高温高压反应釜模拟塔河油田典型工况条件并进行全浸腐蚀实验。实验结果表明： P、S、Mn等杂质元素恶化了管材的耐腐蚀性能；碳钢管线在 SRB腐蚀环境下极易发生点蚀。因 此，在塔河油田典型腐蚀环境下，地面集输管网应选用 P、S、Mn 等杂质元素含量低的碳钢管 材；建议选用含铜抗菌碳钢来抑制细菌腐蚀，但含铜抗菌碳钢在塔河腐蚀环境下的适用性需做 进一步研究。 关键词：塔河油田；集输管网；碳钢管材；腐蚀；SRB；选材 Doi:10.3969/j.issn.1006-6896.2017.06.006 Experimental Study on the Carbon Steel Pipeline of the Surface Gathering and Trans- portation Network in Tahe Oilfield Zhang Jing，Zhao Yi，Wang Xiaohui，Yu Yanzhao Abstract： The corrosion environment in Tahe Oilfield is adverse， which puts forward higher re- quirements for the carbon steel pipe selection of the surface gathering and transportation pipeline net- workThe failure analysis of field service pipelines shows that the internal corrosion failure patterns are mainly corrosion perforation and groove corrosion，and the sulfate reducing bacterial (SRB) is one of the causes for pipeline failureThe typical carbon steel pipe using in Tahe Oilfield surface gathering and transportation pipeline network is selected to be the studying object Full immersion corrosion test is carried out by using CORTEST high temperature and high pressure reactor to simulate the typical working conditions of Tahe OilfieldExperimental results show that the elements P，S，Mn and other impurity elements deteriorate the corrosion resistance of the carbon steel pipeline，and the carbon steel pipeline is extremely prone to pitting corrosion in SRB corrosive environmentTherefore，under the typical corrosion environment of Tahe Oilfield，the carbon steel pipe with low content of P，S，Mn and other impurity elements should be selected; the copper containing antibacterial carbon steel is sug- gested to be chosen to inhibit the corrosion of bacteriaHowever，the applicability of the copper con- taining antibacterial carbon steel in the corrosion environment of Tahe Oilfield needs to be further studied Key words：Tahe Oilfield；gathering and transportation pileline network；carbon steel pipeline；cor- rosion；SRB；material choosing 由于塔河油田高 H2S （平均 5 027 mg/L）、高 CO2（平均 2.96%）、高 Cl - （1010 418104 mg/ L） 、低 pH 值 （5.56.6） 的“三高一低”苛刻工况 条件 1，以及注水、盐水扫线、间歇生产等特殊生 产过程引入溶解氧 2和细菌3-4造成管道服役环境极 其复杂，使得穿孔、泄漏、爆管等重大事故易发。 管材是输气管道安全、可靠、经济运行的基础 5。 塔河油田地面集输管网的管道总长度已超过13 000 km， 各类集油、污水、注水、注气等管道数量达 4 800 多条，规模非常庞大，其作为塔河油田的重要装备 资产需要严格管理和维护。目前，塔河油田地面集 输 管 网 在 用 碳 钢 管 材 的 型 号 较 多 ， 主 要 包 括 16Mn、20G、20 #、L245NCS、L290、L360 等，碳 钢管材的化学成分、晶粒度等级、夹杂物等级、带 状组织、交货状态等存在差异性，管材差异性和复 杂的服役环境增加了塔河油田地面管网的维护和管 1中国石油化工股份有限公司西北油田分公司2中国石油大学 （北京） 22 万方数据 第 36卷第 6期 （2017.06）试验研究 油气田地面工程 http:/ 理难度。 国 内 外 的 相 关 选 材 标 准 （如 NACE MR0175/ ISO 151562009、 ISO 214572010 等 ） 以 及 KERMANI等 6建立的选材流程对选材提供了参考和 依据，但对管材技术条件的规定范围较宽泛。本文 针对塔河油田典型腐蚀环境及现场防腐失效情况对 地面集输管网进行选材研究。 1地面集输管网腐蚀现状 对塔河油田地面集输管网现场服役碳钢管线进 行断管取样，发现管线的失效形式主要为内腐蚀穿 孔和沟槽状腐蚀 （图 1） ，腐蚀部位集中在管线底 部。对管线失效部位边缘处的腐蚀产物进行检测表 明 ， SRB 在 塔 河 油 田 H2S-CO2-Cl -共 存 的 高 矿 化 度、高含 H2S 的腐蚀环境中可以存活 （图 2） 。SRB 是一种厌氧型革兰氏阴性菌、棒状，能利用 SO4 2-生 成 H2S，进而产生铁硫化合物包含于基体表面的生 物膜中，生物膜中 SRB以菌落形式生存，菌落下有 机酸的富集是 SRB引起碳钢管线失效的重要原因 7。 a 碳钢管线底部腐蚀穿孔b 碳钢管线底部沟槽腐蚀 图 1地面集输管网现场服役碳钢管线失效形式 图 2SRB扫描电镜照片 2实验与分析 塔河油田地面集输管网采用的 6种典型碳钢管 材 分 别 为 16Mn、 20G、 20 #、 L245NCS、 L290、 L360，其化学成分见表 1。 2.1全浸腐蚀实验 采用 CORTEST 高温高压反应釜模拟塔河油田 地面集输管网的典型 H2S-CO2-Cl - 腐蚀环境 （表 2） ，油田产出水为 CaCl2型，总矿化度高达 25.6 10 4 mg/L，其中 Cl -质量浓度高达 13.4104 mg/L， Ca 2+质量浓度为 1.2104 mg/L。 表 2塔河油田地面集输管网典型 H2S-CO2-Cl -腐蚀环境 温度/ 500.2 CO2分压/ MPa H2S分压/ MPa 0 0.1 流速/ （ms -1） 0.5 实验溶液离子质量 浓度/(mgL -1) Cl - 13.410 4 Ca 2+ 1210 4 试验周期/ h 168 对比分析 CO2单独存在及和 H2S- CO2共存条件 下 6 种碳钢管材的耐腐蚀性能 （图 3） 可以发现： 16Mn 的耐蚀性最差，因为 Mn 与 S 结合生成的 MnS 夹杂，降低了16Mn的耐蚀性，且易诱发局部腐蚀 8-9； 20 #钢的均匀腐蚀速率仅次于 16Mn，这是因为 P、S 元素会恶化管材的耐腐蚀性能 10。因此，地面集输 管网选材要尽可能降低 Mn、P、S 等杂质元素的含 量，同时严格控制夹杂物等级和数量。 CO2单独存在的腐蚀环境下，试样表面腐蚀产 物 主 要 为 FeCO3（图 4）。 由 于 实 验 溶 液 中 含 有 Ca 2+，易与 CO 2生成 CaCO3，其与腐蚀产物 FeCO3一 起沉淀在试样表面后结垢，加剧腐蚀，导致较高的 腐蚀速率。H2S- CO2共存腐蚀环境下，H2S 的存在 显著降低了腐蚀速率，这是由于 H2S在材料的表面 优先形成一层致密的 FeS 膜 （图 5） ，阻碍了 FeCO3 膜的生成，从而降低了腐蚀速率 11。 2.2SRB腐蚀实验 采用塔河油田现场失效碳钢管线穿孔部位腐蚀 产物分离纯化获得的 SRB，使用 API RP-38推荐培 养基，在 38 温度下培养，将实验挂片悬挂在 SRB 表 1塔河油田地面集输管网典型碳钢管材的化学成分质量分数/% 管材型号 20 # 20G 16Mn L245NCS L290 L360 C 0.21 0.20 0.18 0.10 0.18 0.062 Mn 0.42 0.4 1.43 0.88 0.88 1.33 P 0.018 0.008 0.010 0.010 0.016 0.010 S 0.010 0.009 0.005 0.002 0.004 0.002 V 0.005 0.005 0.007 0.041 0.005 0.041 Nb 0.002 0.002 0.002 0.002 0.002 0.036 Ti 0.001 2 0.001 7 0.001 9 0.001 5 0.024 0.017 Cu 0.025 0.011 0.068 0.081 0.025 0.006 Ni 0.042 0.100 0.028 0.026 0.008 0.005 Cr 0.085 0.120 0.037 0.022 0.019 0.013 Mo 0.005 0.005 0.045 0.006 0.005 0.005 Si 0.22 0.20 0.38 0.20 0.15 0.23 Al 0.002 0.004 0.004 0.028 0.024 0.032 23 万方数据 试验研究张菁等：塔河油田地面集输管网碳钢管线材质实验研究 油气田地面工程 http:/ 图3碳钢管材在塔河H2S-CO2-Cl -腐蚀环境下的均匀腐蚀速率 图 420 #管材在 CO 2单独存在的腐蚀环境下腐蚀产物扫描电 镜照片和成分分析 图 520 #管材在 H 2S-CO2共存腐蚀环境下腐蚀产物扫描电镜 照片和成分分析 培养基中放置 14 d，获得均匀腐蚀速率 （表 3） ，均 匀腐蚀速率位于 0.048 30.088 2 mm/a 之间。在扫 描电镜下观察碳钢的腐蚀形貌，去除腐蚀产物前， 试样表面均匀覆盖一层腐蚀产物 （图 6a） ，还可以 观察到棒状 SRB；去除腐蚀产物后，试样表面出现