管線敏感性壓力試驗在A井場的應用

姜 放 上官昌淮 湯曉勇.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司, 四川 成都 6004 2.中國石油天然氣集團公司石油管工程重點實驗室四川研究室, 四川 成都 6004

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管線敏感性壓力試驗在A井場的應用

姜 放1,2上官昌淮1湯曉勇1
1.中國石油集團工程設計有限責任公司西南分公司, 四川 成都 610041 2.中國石油天然氣集團公司石油管工程重點實驗室四川研究室, 四川 成都 610041

隨著油氣田地面工程對安全生產的要求越來越高,對工程設計和工程建設質量提出了更高要求。管線敏感性壓力試驗是現場檢驗設備和材料質量的重要手段之一,對避免酸性環境使用不合格材料引發事故具有重要意義。以A井場為例,通過敏感性壓力試驗及時分析投產前橇裝系統的安全可靠性，結果顯示橇裝系統材料發生開裂,取下開裂材料進行實驗室檢測,分析不合格原因并及時調整替換,保障了氣田后續安全運行,更為酸性環境敏感性壓力試驗積累了應用經驗。

敏感性壓力試驗;酸性環境;管線;應用

0 前言

硫化物應力開裂(SSC)是輸送含H2S油氣管線破裂事故的主要原因之一,SSC的突發性有可能產生嚴重后果[1]。目前,含H2S油氣田地面工程中的管線或閥門等，只有在使用一段時間后出現了開裂事故時,才發現使用了不恰當材料,而此時已造成了巨大經濟損失、嚴重影響了油氣田安全生產[2-4]。因此,含H2S油氣田地面工程在設計和建設過程中,應在設計、采購、制造、施工階段加強材料的質量管理和檢測,及時發現、避免錯誤使用材料,這對油氣田安全生產極為重要,為此，建議采用管道敏感性壓力試驗綜合測試識別抗SSC材料選擇的正確性。

管道敏感性壓力試驗是指油氣田地面管道設備安裝且水壓試驗完成后,在正式投產前對整個系統進行一段時間含H2S介質整體性壓力試驗,是一種現場壓力環境的腐蝕試驗,其準確、真實地反映了受壓設施在現場的使用應力狀態和鋼管接觸介質的表面狀態[5],以及使用的高壓H2S腐蝕環境,優于實驗室進行的模擬環境腐蝕試驗,具有更高的可信度。通過敏感性壓力試驗可以獲得預投產階段材料發生開裂的信息,以便對設計、安裝的不確定材料進行判斷和甄別,確保系統后續更有效、更安全地運行。

目前,國外尚無管道敏感性壓力試驗的文獻報道。國內含H2S設施的敏感性壓力試驗實踐剛起步,有的把其作為工程防止SSC的可靠性綜合試驗,但試驗過程不規范。隨著國家對安全的重視和資金投入的加大,對含H2S設施開展敏感性壓力試驗將在油氣管道領域發揮更大的作用。

根據規定,油氣田開發時,在整個系統安裝調試完成后,都應進行現場檢驗試驗,以滿足QHSE體系及其安全性要求[6],傳統的管道現場承壓試驗評價方法通常是水壓試驗,但是這種方法不能判斷系統中材料抗硫化物應力開裂的性能,因此，敏感性壓力試驗在A井場預投產橇裝系統中的應用,為油氣田現場進行敏感性壓力試驗積累了經驗。

1 敏感性壓力試驗的應用

1.1 氣田及橇裝系統概況

為了開展現場在線腐蝕動態研究,在建設某氣田A井場時同步開展了在線動態腐蝕試驗橇建設,通過該橇裝系統可進一步研究介質中H2S、CO2、Cl-、流體壓力、溫度、流速、壓降、氣藏凝析油等因素對使用材料的腐蝕狀況,評定不同的焊接工藝和熱處理工藝,提供耐蝕合金材料的現場試驗資料。2010年11月11日12:53從A井場水套加熱爐一級加熱后的出口管旁路管道取氣,同時開啟腐蝕試驗橇上的緩蝕劑加注閥門加注緩蝕劑，開啟電加熱器加熱介質至試驗所需溫度,通入A井場含H2S原料天然氣,保持運行壓力72 h后于11月14日12:53完成管道敏感性壓力試驗。裝置現場安裝見圖1。

圖1 裝置現場安裝圖

按照設計,該在線動態腐蝕試驗橇裝裝置的工藝管線材質為L 245 NS,放空管線為20 G,閥門的閥體材質及管路附件材質為20 Ⅲ級鍛件,閥門及管件采用整體鍛制,管件焊接后進行了合格的焊縫熱處理。

1.2 現場敏感性壓力試驗

吹掃在線動態腐蝕試驗橇裝系統中殘留空氣,打開旁通通入含H2S天然氣，加注緩蝕劑并升溫,每隔24 h不定期對系統進行檢查,檢查情況見表1。檢查方式有:觀察壓力表、監測裝置區空氣中H2S濃度以及監聽泄漏聲音等。

表1 裝置通氣后檢查情況

時間/h壓力聲音及氣味0～24無變化無變化24～48無變化偶爾聽到細微嘶嘶聲，持續時間短，H2S報警器未發生報警，增加檢查頻率，偶爾有聲音48～72無變化偶爾聽到嘶嘶聲，持續時間短，H2S報警器未發生報警，略有臭雞蛋氣味，增加檢查頻率，間斷有聲音，時間間隔不等

由表1可見,72 h內裝置的壓力無變化,24 h后H2S報警器未發生報警,但橇裝裝置出現了間歇細微嘶嘶聲,48 h后不僅出現間歇細微嘶嘶聲還略有臭雞蛋氣味,在中間檢查過程中,增加了檢查頻率,未發生明顯變化,偶爾產生嘶嘶聲,持續時間短,說明系統材料發生了細微開裂或穿孔。

對監聽到的發聲處進行檢查,發現在管件支管處出現了開裂,見圖2。

a)裝置開裂穿孔處三維模型

b)現場開裂穿孔處圖2 支管開裂部位

2 實驗室檢驗結果與分析

在靠近裂紋穿孔區域,按照GB/T 4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗第1部分:試驗方法》[7]進行HV 10硬度檢測,測試點見圖3，測試結果表2。表2顯示在裂紋兩側所有硬度測試點硬度平均值為279.5,尤其靠近穿孔點兩側1、2、7、8點的HV 10值均>280,超過了NACE MR 0175-2009 Petroleum and Natural Gas Industries-materials for Use in H2S-containing Environments in Oil and Gas Production(簡稱NACE MR 0175-2009)[8]標準中酸性服役條件下材料維氏硬度HV 10不得超過250的規定。

圖3 HV10硬度測試點示意圖

在橇塊開裂部分取樣,采用GB/T 223《鋼鐵及合金鋼化學分析方法 系列國家標準》[9]中的分析方法對管件支管材料進行化學成分分析,見表3。

表2 HV 10硬度測試結果

測試點12345678硬度值311 0282 1287 6245 8278 6251 2281 0298 5 注：所有測試點硬度平均值為279 5。

表3 化學成分分析

材料CSiMnCrPSNiCuMoVNb管件材質20Ⅲ級鍛件標準w/()0 17～0 230 15～0 400 60～1 00≤0 25≤0 030≤0 020≤0 25≤0 25---實測w/()0 180 261 280 050 0110 0020 180 160 070 040 05

管件支管(材質20Ⅲ級鍛件)發生腐蝕開裂原因：材料沒有達到抗SSC要求。由表2可知,裂紋側HV 10硬度均>250,最高達到了311,遠遠超出了標準NACE MR 0175-2009[8]中酸性環境用材料的硬度規定要求,而且錳含量超過了標準范圍,Mn與S形成MnS，MnS含量增大,容易導致氫致開裂[11]。

3 結論

管道敏感性壓力試驗是綜合測試工程構件材料抗SSC的技術,A井場在正式投產前采用腐蝕試驗橇進行了一段時間的整體敏感性壓力試驗,發現管件材質20Ⅲ級鍛件發生氫致開裂,通過實驗室的檢驗發現該材料成分出現了偏離,硬度高于設計標準,及時更換了部件,確保了該氣田在線動態腐蝕試驗橇系統的正常安全運行,同時也驗證了敏感性壓力試驗的應用效果。敏感性壓力試驗作為含H2S氣田工程防止SSC重大事故發生、確保安全的一項重要驗證技術之一,特別是含H2S氣田工程在設計、建設過程中,出現材料不可控或不確定現象時,采用此技術具有重要意義。

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2015-01-04

中國石油天然氣集團公司石油管工程重點實驗室科技研發項目“腐蝕性流體沖擊腐蝕試驗技術研究”(KY 2004-01)；國家科技重大專項資助項目(2011 ZX-05059-004);中國石油天然氣集團公司科學研究與技術開發項目(2011 E-2505)

姜 放(1963-),男,四川瀘州人,教授級高級工程師,博士,主要從事油氣田壓力管道設計和油氣田管道腐蝕與防護工作。

10.3969/j.issn.1006-5539.2015.04.014