油田注汽管道適用性問題分析

趙鋒琦

河南油田油建工程建設有限責任公司,河南南陽 473132

油田注汽管道適用性問題分析

趙鋒琦

河南油田油建工程建設有限責任公司,河南南陽 473132

注蒸汽開采是稠油油田普遍采用的有效開采方式。稠油熱采注汽管道由于長期運行在高溫、高壓和介質高腐蝕的工況下而極易發生失效。開展油田注汽管道的適用性評價，可降低事故發生率，保障油田生產安全。

注汽管道；稠油開采；管道腐蝕；適用性評價

0 引言

稠油熱采注蒸汽系統主要包括：蒸汽鍋爐、地面注汽管道、井下管柱等部分。由于油田地面注汽管道在內部受到輸送水質和蒸汽品質、交變的高低溫環境等的影響，在外部可能受到土壤和大氣的腐蝕作用，使得注汽管道的工作狀況十分惡劣，包括氫腐蝕、沖刷腐蝕、局部腐蝕等諸多類型的腐蝕作用可能同時發生；在高溫和非穩定高壓的工作狀況下，注汽管道的材料退化速度、裂紋擴展速度也可能大大加快，這些因素都會導致注汽管道承壓強度大大的下降，極有可能引發各種事故，對油田生命財產安全危害極大，如果不及時進行管道系統適用性評估，一旦發生失效事故，將造成停工停產等巨大經濟損失，甚至人員傷亡等惡性事故。本文主要就油田注汽管道適用性問題進行探討[1，2]。

1 含缺陷管道適用性評價技術

含缺陷管道適用性評價包括含缺陷管道剩余強度評價和剩余壽命預測兩個方面。含缺陷管道剩余強度評價是在管道缺陷檢測基礎上，通過嚴格的理論分析、試驗測試和力學計算，確定管道的最大允許工作壓力(MAOP)和當前工作壓力下的臨界缺陷尺寸，為管道的維修和更換，以及升降壓操作提供依據。其目的主要是確定服役中的管道能否安全運行、是否需要更換等問題。

含缺陷管道剩余壽命預測是在研究缺陷的動力學發展規律和材料性能退化規律的基礎上，給出管道的剩余安全服役時間。剩余壽命預測結果可以為管道檢測周期的制定提供科學依據。

剩余壽命的方法大體包括兩種：一是基于現場檢測和監測積累的數據進行預測。腐蝕檢測是利用內外腐蝕檢測技術定期進行管道的缺陷檢測，從而獲得缺陷的動力學發展規律。監測技術包括現場掛片試驗、腐蝕探針等技術，通過監測可以實時得到缺陷的動力學發展規律；二是在實驗室內模擬管道服役環境進行缺陷增長規律試驗，通過模擬試驗獲得缺陷的動力學發展規律，然后對管道剩余壽命進行預測。但應當注意，這里主要論述的是管材本身的剩余壽命預測，實際上，對于具體管線的剩余壽命，還應當考慮管線防腐層的有效保護壽命和緩蝕劑的有效保護壽命問題。有關這方面的研究雖有報道，但總的來說難度很大，研究極不成熟。

2 注汽管道腐蝕損傷原因分析

2.1 氫腐蝕

注汽管道內壁在高溫高壓氫環境中服役一定時間后，氫與鋼中的碳反應生成甲烷即，使鋼基體平均含碳量降低。這一反應一般從鋼的表面開始，逐漸向內部推進，當脫碳嚴重，生成的甲烷氣體無法外逸時，就只能積聚在晶界或其它雜物周圍，造成局部壓力升高而導致產生顯微裂紋，使鋼的機械強度、延伸性和韌性下降和劣化。因此，不僅鋼的里層脫碳脆化，嚴重時發展為氫裂紋、氫鼓泡開裂。這種脆化現象是發生化學反應的結果，具有不可逆轉性，也稱永久脆化現象。

注汽管道中發生的氫腐蝕跟化工生產中的臨氫設備不同。注汽管道中的氫腐蝕，氫無直接來源，氨是由于其它反應問接產生的。根據以往的經驗，凡是發生氫腐蝕的部位必是局部腐蝕的部位。解決了局部腐蝕問題，堵住了氫的來源，氫腐蝕的問題就解決了。

2.2 氧腐蝕

注汽管道的金屬氧腐蝕屬于電化學腐蝕，鐵和氧形成兩個電極，組成腐蝕電池，在腐蝕電池中鐵的電位總是比氧的電位低，所以鐵是電池的陽極，而遭到腐蝕，其原理是：注汽管道內壁和鋼管內壁的氧化鐵保護膜因水質惡化和熱力等原因部分被破壞，在漏出的鋼表面水和保護膜表面之間形成局部電池；鐵從陽極析出。

溶解析出的鐵離子Fe2+在存在溶解氧的情況下，進一步氧化成氫氧化鐵。腐蝕產物呈沉淀物狀堆積在陽極上，在沉淀物內的氧濃度和覆蓋在陰極表面上水的氧濃度之間有一個濃度差，產生氧濃差電池。作為陽極部位的鐵被逐步溶解，加劇了金屬表面的腐蝕，降低了注汽管道的使用壽命。鐵是一種中等活潑的金屬，而氧單質的化學活性很強。由以上各式子中可以看出，在酸性條件下02→ H20的電極電位(1.229V)大于Fe→ Fe2+的電極電位(0.44V)；所以在酸性條件下02氧化Fe的反應很容易發生。

2.3 停用腐蝕

由于停用時氧的濃度大，腐蝕面積廣，并且氧可以擴散到各個部位，因此，停用腐蝕的部位與上文所提的運行氧腐蝕有顯著差別。上文所提到的氧腐蝕是熱力設備常見的一種腐蝕。熱力設備在安裝、運行和停運期間都可能發生氧腐蝕。注汽管道停用腐蝕的決定條件就是氧氣與水汽，它們的存在就會導致在管壁表面產生腐蝕。由于這種腐蝕是在常溫或非高溫的條件下都可以發生。這種停用腐蝕的危害性反而比運行期間嚴重，因為在注汽管道停用以后，外界空氣就會大量進入注汽管道的水汽系統內，此時在鍋爐金屬內表面上總是附著一層水膜，空氣中的氧氣便溶解在此水膜中，以致達到飽和狀態，這就特別容易引起溶解氧腐蝕。而且在金屬表面如果還有溶于水膜的鹽垢的話，腐蝕將會更加強烈。停用腐蝕是在低溫下發生的，腐蝕產物是高價氧化鐵，其結構比較疏松，而且對金屬表面的附著性差，在運行期間會起陰極去極化劑的作用。電極反應產物為亞鐵化合物，不僅腐蝕了金屬，而且二價化合物在下次停用期間，又被氧化成高價化合物，使腐蝕過程反復進行。所以，停用腐蝕主要的危害主要表現在兩個方面：在短期內使注汽管道金屬表面遭到大面積破壞和加劇注汽管道運行時的腐蝕。

3 結論

注蒸汽開采稠油是國內新疆、遼河、勝利等稠油油田普遍采用的有效開采方式，在美國、加拿大、委內瑞拉等主要稠油生產國，也是采用注蒸汽開采稠油。隨著油田開發接近后期稠油油藏的動用，將建設大量的注汽管道。而油田注汽管道適用性問題顯得尤為突出，本文通過注汽管道腐蝕損傷機理研究，發現注汽管道主要的腐蝕形式是氫腐蝕、氧腐蝕和停用腐蝕。

[1]束青林，張本華，毛衛榮，等.孤島油田特高含水期提高 采收率技術措施及效果[J].油氣地質與采收率，2009，16（5）.

[2]徐明海，馬景樹，張健，等.稠油熱采注蒸汽管網枝狀布 置優化設計[J].石油大學學報.自然科學版，2005，29（1）.

TE8

A

1674-6708（2010）21-0037-01