基于肯尼亞Olkaria地區(qū)高溫地?zé)豳Y源的地?zé)犭娬竟懿膬?yōu)選

李雪寧 蔡正敏 高冬梅 鄭 申 柴 武 李雷雷

中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司工程服務(wù)公司

基于肯尼亞Olkaria地區(qū)高溫地?zé)豳Y源的地?zé)犭娬竟懿膬?yōu)選

李雪寧 蔡正敏 高冬梅 鄭 申 柴 武 李雷雷

中國(guó)石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司工程服務(wù)公司

李雪寧，中石油集團(tuán)長(zhǎng)城鉆探工程有限公司，工程師；蔡正敏，博士后，高級(jí)工程師，副總工程師，該項(xiàng)目為中國(guó)石油集團(tuán)“可再生能源技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用研究”科研項(xiàng)目，課題名稱：“肯尼亞地?zé)衢_(kāi)發(fā)技術(shù)研究與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)”，項(xiàng)目號(hào)：2012A-4906。

本文給出了地?zé)犭娬驹O(shè)計(jì)中主要管線的選材基本原則。根據(jù)典型的肯尼亞Olkaria地區(qū)高溫地?zé)嵴羝麉?shù)，對(duì)該地區(qū)的地?zé)犭娬局泄芫€材質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，為在該地區(qū)地?zé)犭娬驹O(shè)計(jì)和建設(shè)中管線材質(zhì)的選擇提供了理論依據(jù)。

由于地?zé)犭娬镜墓懿拈L(zhǎng)期處在腐蝕和結(jié)垢的工作介質(zhì)中，地下熱水往往含有大量的腐蝕性氣體，其中危害性最大的是硫化氫、二氧化碳、氧等，它們是導(dǎo)致腐蝕的主要因素，這些氣體進(jìn)入汽輪機(jī)、附屬設(shè)備和管道，使其受到強(qiáng)烈的腐蝕。此外，地下熱水中含有結(jié)垢的成分，如硅、鈣、鎂、鐵等，以及對(duì)結(jié)垢有影響的氣體，如二氧化碳、氧和硫化氫等，管線的結(jié)垢經(jīng)常以碳酸鈣、二氧化硅等化合物出現(xiàn)。因此在利用地下熱水發(fā)電中要充分注意解決腐蝕和結(jié)垢問(wèn)題，所以地?zé)犭娬镜臒崃ο到y(tǒng)方案中對(duì)管線材質(zhì)的選擇是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。地?zé)犭娬镜倪x材不僅僅要考慮材料與工藝流體的相容性、可靠性同時(shí)也要考慮到選材的經(jīng)濟(jì)性。這樣才能保證地?zé)犭娬镜墓芫€在腐蝕和結(jié)垢環(huán)境下能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

工藝管線管材選擇

（1）選材范圍

地?zé)犭娬竟芫€的工作介質(zhì)主要為：地?zé)嵴羝⒉荒Y(jié)氣體、鹵水等，含有H2S、CO2、Cl-、SO42-等腐蝕性成分。

由于地?zé)崞啓C(jī)前后工況不同，選材按照地?zé)崞啓C(jī)前后兩段進(jìn)行劃分，地?zé)崞啓C(jī)前段設(shè)備與管道主要包括汽水分離器、集輸管道、主蒸汽管道、疏水管道、回灌管道；地?zé)崞啓C(jī)后段管道主要包括循環(huán)水管道、疏水管道、抽真空管道。

（2）選材原則

地?zé)犭娬镜倪x材原則主要考慮：材料與工藝流體的相容性（滿足介質(zhì)特性、壓力、溫度等）、可靠性（耐蝕性、安全性）、經(jīng)濟(jì)性（材料成本、制造成本）以及相互連接的管線選材同一性原則來(lái)進(jìn)行考慮。

肯尼亞Olkaria地區(qū)地?zé)豳Y源蒸汽參數(shù)分析

肯尼亞多為平均海拔1000m左右的熔巖高原，地處是世界上三大斷裂帶之一，由于沿著斷層帶的地殼較薄，在地震引起的地殼彎曲條件下形成了受地幔巖漿加熱的地下熱水和蒸汽儲(chǔ)層，因此擁有豐富的地?zé)豳Y源，其地?zé)岚l(fā)電潛力估計(jì)為10000MW，目前發(fā)電容量約為255MW。本文對(duì)根據(jù)肯尼亞Olkaria地?zé)崽锿赉@的某蒸汽井蒸汽參數(shù)設(shè)計(jì)的地?zé)犭娬局械墓芫€材料進(jìn)行優(yōu)選研究。

該地?zé)峋聼醿?chǔ)溫度維持在308℃左右，井口蒸汽溫度為160℃左右，壓力約6bar，干度在70%左右。

地?zé)犭娬竟芫€的選擇

（1）地?zé)崞啓C(jī)前段設(shè)備與管道材質(zhì)選材分析

從井口到地?zé)崞啓C(jī)前段工況條件為：設(shè)計(jì)壓力P=1.6MPa，工作溫度t=163.8℃，介質(zhì)為地?zé)嵴羝⒉荒詺怏w、鹵水的混合物，介質(zhì)組分見(jiàn)表1和表2。

表1　地?zé)嵴羝胁荒詺怏w成分表

表2　地?zé)猁u水成分

通過(guò)表1和表2中介質(zhì)成分可知，影響腐蝕的主要化學(xué)介質(zhì)為H2S、CO2、Cl-以及一些氧化物。

按照NACE MR0175/ISO 15156計(jì)算，PH2S=PXH2S=1600KPa×0.0025%=0.04KPa；PCO2=PXCO2=1600 KPa×0.21%=3.36KPa。

（a）對(duì)于酸性環(huán)境的判別

按照NACE MR0176規(guī)定，介質(zhì)中存在H2S，且PH2S≥0.35kPa，認(rèn)定為酸性環(huán)境。在本工況環(huán)境下，PH2S＜0.35kPa，不屬于含H2S的酸性環(huán)境。

又依據(jù)NACE MR0175/ISO15156中對(duì)碳鋼和合金鋼硫化物應(yīng)力開(kāi)裂（SSC）環(huán)境嚴(yán)重程度的區(qū)域劃分原則，在此工況環(huán)境下，選擇碳鋼時(shí)，可以不考慮氣相中H2S的腐蝕影響。

表2中給出的鹵水中含有H2S最大量為0.7ppm，遠(yuǎn)小于NACE MR0103規(guī)定引起SSC的含H2S的最小含量50ppm。因此，在本工況環(huán)境下，氣相與液相中含有的H2S含量對(duì)選材影響可以忽略。

（b）CO2對(duì)碳鋼材料腐蝕速率的影響

規(guī)范IPS-E-TP-740規(guī)定，在較低溫度下（＜60℃），材料表面不形成保護(hù)性腐蝕產(chǎn)物膜，隨著CO2分壓的增大，腐蝕速率增加，主要以均勻腐蝕為主；在中溫區(qū)（60-100℃），CO2分壓對(duì)腐蝕速率的影響類似于低溫區(qū)，即隨CO2分壓增大，腐蝕速率加快，且在80-90℃，易于發(fā)生點(diǎn)蝕；在高溫區(qū)（＞149℃），較高的CO2分壓有利于保護(hù)膜的形成，因此隨著CO2分壓的增大，腐蝕速率反而降低，可以忽略CO2的腐蝕。

據(jù)SY/T0076-2008規(guī)定，根據(jù)CO2分壓判斷CO2對(duì)碳鋼的腐蝕程度，當(dāng)PCO2＜0.021MPa時(shí)，不發(fā)生CO2腐蝕；當(dāng)0.021MPa≤PCO2≤0.21MPa時(shí)，發(fā)生中等腐蝕；當(dāng)PCO2＞0.21MPa時(shí)，發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕。

API Spec 12J附錄B中指出，在天然鹽水中，CO2含量低于600ppm時(shí)無(wú)腐蝕性，600-1200ppm的CO2需考慮腐蝕性，CO2含量超過(guò)1200ppm時(shí)具有腐蝕性。

由于該工況下的工作溫度為168.3℃，溫度高于149℃；PCO2為3.36KPa，小于0.021MPa；鹵水中CO2含量為138.2ppm，小于600ppm，介質(zhì)氣相與液相中的CO2對(duì)碳鋼材料腐蝕在選材時(shí)均可忽略。

（c）氯離子的影響

氯離子對(duì)碳鋼的腐蝕主要是點(diǎn)蝕、局部和均勻腐蝕。根據(jù)NACE MRO175-3規(guī)定，由于蒸汽溫度高于149℃時(shí)，因此在氯離子環(huán)境中奧氏體不銹鋼不可選用。

（d）H2的影響

介質(zhì)中H2的存在會(huì)對(duì)碳鋼在低于65℃時(shí)產(chǎn)生氫致開(kāi)裂，據(jù)IPS-E-TP-740中規(guī)定，在溫度高于65℃時(shí)，H2對(duì)碳鋼的影響可以忽略。由于蒸汽溫度為168.3℃，高于65℃，在選材為碳鋼時(shí)，可以忽略H2的影響。

通過(guò)上述分析，在本工況條件下，考慮到材料的耐蝕可靠性與經(jīng)濟(jì)性，汽水分離器設(shè)備材質(zhì)推薦碳鋼SA516 Gr.65，開(kāi)口接管為碳鋼無(wú)縫管SA106 Gr.B；管道材質(zhì)為碳鋼無(wú)縫管SA106 Gr.B。

（2）地?zé)崞啓C(jī)后段管道材質(zhì)選材分析

考慮本工況最苛刻條件，地?zé)崞啓C(jī)后段工況條件為：設(shè)計(jì)壓力P=1.6MPa，設(shè)計(jì)溫度t=45.8℃，介質(zhì)主要為地?zé)崞啓C(jī)乏汽和真空泵抽氣，主要包括不凝性氣體、液相介質(zhì)，介質(zhì)組分如表3和表4所示。

表3　不凝性氣體成分表

表4　液相介質(zhì)成分

（a）通過(guò)表3計(jì)算出H2S分壓PH2S=PXH2S=1.6MPa×0.5%=0.008MPa，CO2分壓為PCO2=PXCO2=1.6MPa×53.03%=0.8MPa，CO2分壓大于0.21MPa，會(huì)對(duì)碳鋼產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕，此條件下的管道材質(zhì)均不適合采用碳鋼。由于316L不銹鋼中鉬元素的存在，從性價(jià)比與耐蝕可靠性方面分析最為合適。

據(jù)NACE MR0175-3，在溫度60℃以下，316L不銹鋼可適用于對(duì)硫化氫分壓在100KPa以下，氯離子濃度1000ppm以下，疏水管道和抽真空管道材質(zhì)推薦選用SA312-TPS316L不銹鋼無(wú)縫鋼管。

（b）對(duì)于循環(huán)水管道，由于輸送介質(zhì)為天然的水，不含腐蝕性氣相介質(zhì)，考慮其經(jīng)濟(jì)性，因此循環(huán)水管道材質(zhì)推薦選用碳鋼焊接管。

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)以肯尼亞Olkaria地區(qū)的地?zé)嵴羝麉?shù)設(shè)計(jì)的地?zé)犭娬局泄芫€材料進(jìn)行了優(yōu)選，在考慮選材的耐蝕可靠性、材質(zhì)與介質(zhì)的相容性及選材經(jīng)濟(jì)性的情況下，設(shè)計(jì)中的地?zé)崞啓C(jī)前段部分汽水分離器設(shè)備材質(zhì)為碳鋼SA516 Gr.65，主蒸汽管道、集輸管道、疏水管道、回灌管道材質(zhì)均為SA106 Gr.B，地?zé)崞啓C(jī)后段疏水管道、抽真空管道材質(zhì)為SA312-TPS316L不銹鋼無(wú)縫管，循環(huán)水管道材質(zhì)為碳鋼焊接管。同時(shí)給出了地?zé)犭娬局泄芫€材料優(yōu)選的流程，為地?zé)犭娬局泄芫€材質(zhì)的選擇提供了理論基礎(chǔ)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.039