基于WG-ICDA的管道CO2腐蝕預(yù)測(cè)模型改進(jìn)

葛揚(yáng)志，韓國進(jìn)，邊 江，曹學(xué)文

（1.中海石油（中國）有限公司上海分公司，上海 200050；2.中國石油大學(xué)（華東）儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院）

CO2作為油田伴生氣或天然氣組分之一廣泛存在于油氣儲(chǔ)藏中，濕天然氣中的 CO2溶解于凝析水或液膜中，會(huì)對(duì)管壁造成嚴(yán)重腐蝕[1-2]。在油氣田開發(fā)、集輸和加工過程中，盡管采取了多種措施來脫除天然氣中的CO2與水分[3-4]，但CO2引起的管線腐蝕問題仍然是限制油氣工業(yè)發(fā)展的一個(gè)突出問題。為準(zhǔn)確掌握管線內(nèi)部的腐蝕情況，對(duì)現(xiàn)有或者潛在的管道缺陷進(jìn)行及時(shí)修復(fù)，目前一般采用在線檢測(cè)的方法，然而在線檢測(cè)不僅費(fèi)用過高并且因?yàn)槲锢砗蛶缀我蛩囟荒苓m合所有的管線，因此迫切需要對(duì)輸氣管線的內(nèi)腐蝕進(jìn)行合理預(yù)測(cè)，對(duì)管道腐蝕敏感區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確的判定以保證輸氣管網(wǎng)安全運(yùn)行。本文結(jié)合崖城海底管線的內(nèi)腐蝕直接檢測(cè)過程與檢測(cè)結(jié)果，對(duì)濕氣管線的內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法（WGICDA）進(jìn)行了系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，重點(diǎn)研究了濕氣管線內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法的核心過程——腐蝕速率預(yù)測(cè)，同時(shí)分析了預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果偏差產(chǎn)生的原因，并采用高壓起伏管路模擬實(shí)驗(yàn)提出了緩蝕修正系數(shù)，對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了修正，驗(yàn)證了修正模型的準(zhǔn)確性，為 WG-ICDA方法的實(shí)施提供了一定的參考。

1 濕氣管線內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法

濕氣管線的內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法是在不考慮水和其他的腐蝕影響因素的基礎(chǔ)上提出來的[5]，不同于干氣管線內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法，WG-ICDA方法的基本依據(jù)是通過傳統(tǒng)腐蝕速率、流動(dòng)影響以及其他的影響因素確定管線發(fā)生內(nèi)腐蝕的次序。濕氣管線內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法的目標(biāo)是識(shí)別腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置，通過腐蝕率來表示腐蝕的分布情況，并且將腐蝕速率模型作為一種預(yù)測(cè)未來腐蝕增長率的工具應(yīng)用于整個(gè)評(píng)價(jià)的過程中。

濕氣管線內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法分為以下四個(gè)步驟：預(yù)評(píng)價(jià)、間接檢測(cè)、詳細(xì)檢測(cè)、后評(píng)估。在WGICDA方法間接檢測(cè)階段，多相流流動(dòng)模擬是其中關(guān)鍵部分，目的是通過多相流模擬得到管段內(nèi)流體氣液表觀流速、壓力、溫度、持液率以及流型等參數(shù)。

2 CO2腐蝕速率預(yù)測(cè)模型

目前國際上關(guān)于CO2腐蝕速率預(yù)測(cè)模型主要分經(jīng)驗(yàn)型預(yù)測(cè)模型、半經(jīng)驗(yàn)型預(yù)測(cè)模型和機(jī)理型預(yù)測(cè)模型。本文采用應(yīng)用最廣泛的NORSOK模型和De Waard模型進(jìn)行腐蝕預(yù)測(cè)。

2.1 NORSOK模型

NORSOK模型是關(guān)于CO2腐蝕的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚6-7]，此模型綜合考慮了CO2分壓、溫度、pH值和剪切力對(duì)腐蝕速率的影響NORSOK模型表達(dá)式如下：

當(dāng)溫度為 20 ℃，40 ℃，60 ℃，80 ℃，90 ℃，120 ℃，150 ℃時(shí)：

當(dāng)溫度為15 ℃時(shí)：

當(dāng)溫度為5 ℃時(shí)：

式中：tCR為腐蝕速率，mm/a；tK為與溫度有關(guān)的常數(shù)；2COf 為修正后的CO2分壓，bar；S為壁面剪切力，Pa；tpHf（）為pH影響因子。

式中：2COp 為CO2分壓，bar；p為系統(tǒng)總絕對(duì)壓力，bar；T為溫度，K。

2.2 De Waard95模型

典型的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ虳e Warrd95是目前應(yīng)用較為廣泛的模型，其表達(dá)式為：

式中：rV為活化腐蝕速率，mm/a；mV為傳質(zhì)腐蝕速率，mm/a；T為溫度，K；2COpH 為2COp 下pH值；U為液體介質(zhì)流速，m/s；d為水力直徑，m。

3 兩種模型的應(yīng)用分析

3.1 管線概況

以崖城到海南終端的一條 14"單層海底管道為研究對(duì)象，管道全長91 km，平管部分壁厚9.53 mm，立管部分壁厚17.14 mm。管道內(nèi)部輸送介質(zhì)為油氣水三相，管內(nèi)輸送介質(zhì)中 CO2含量較高，摩爾分?jǐn)?shù)達(dá)10.99%，對(duì)管道有較大的腐蝕威脅。天然氣輸量15.6 m3/s，凝析油輸量1 kg/s。平臺(tái)壓力7.73 MPa，終端壓力 6.96 MPa。平臺(tái)溫度 28 ℃，終端溫度24.6 ℃。海管高程如圖1所示。

圖1 海底管道高程

3.2 管道內(nèi)流型分析

通過多相流數(shù)值模擬，得到管道沿線流型變化曲線（圖2），管道沿線分別出現(xiàn)了環(huán)狀流、分層流和段塞流，在含 CO2濕氣管線入口立管附近出現(xiàn)的環(huán)狀流（約100 m）、在管線出現(xiàn)相對(duì)較大坡度的位置管線55 009～55 120 m附近位置出現(xiàn)的段塞流（約100 m）以及在管線出口附近90 145～90 907 m出現(xiàn)的段塞流（約750 m）之外，管線其他位置均為分層流，其中環(huán)狀流出現(xiàn)在立管附近，而兩處段塞流皆出現(xiàn)在管道傾角較大的位置。

圖2 管道沿線流型變化曲線

3.3 腐蝕速率的預(yù)測(cè)

對(duì)目標(biāo)管線進(jìn)行腐蝕速率預(yù)測(cè)的關(guān)鍵是選擇適合的腐蝕速率預(yù)測(cè)模型。分別采用 NORSOK和 De Waard95腐蝕預(yù)測(cè)模型對(duì)目標(biāo)管線進(jìn)行數(shù)值模擬，分析模擬結(jié)果，以選擇最優(yōu)腐蝕速率預(yù)測(cè)模型。模擬結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，NORSOK模型計(jì)算腐蝕速率的變化趨勢(shì)與對(duì)輸送濕氣管道腐蝕速率有重要影響的流型非常吻合，而De Waard95模型計(jì)算腐蝕速率的變化趨勢(shì)卻非?；靵y，并且在有明顯段塞流的位置出現(xiàn)了腐蝕速率急速降低的現(xiàn)象，這與已有研究文獻(xiàn)及工程經(jīng)驗(yàn)中所出現(xiàn)的段塞流明顯的上坡段腐蝕速率較高相悖。因此De Waar95模型不適合對(duì)此目標(biāo)管線進(jìn)行腐蝕速率預(yù)測(cè)，最終采用NORSOK模型的仿真結(jié)果作為間接檢測(cè)過程的依據(jù)。

圖3 管道沿線流型與腐蝕速率沿管道里程變化曲線

4 NORSOK模型的優(yōu)化

圖4 實(shí)際結(jié)果對(duì)比圖

4.1 腐蝕初步預(yù)測(cè)結(jié)果

采用了濕氣管線內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法（WGICDA），最終在長達(dá)91 km的管線上共選取了116個(gè)典型的位置進(jìn)行了腐蝕速率預(yù)測(cè)。采用NORSOK模型對(duì)目標(biāo)位置進(jìn)行了腐蝕速率預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果對(duì)比如圖4所示。圖4中腐蝕深度為腐蝕厚度與管道壁厚的比值，%。

從圖4中可以看出，采用NORSOK預(yù)測(cè)模型對(duì)目標(biāo)位置腐蝕預(yù)測(cè)得到的腐蝕深度要遠(yuǎn)高出實(shí)際的腐蝕深度。分析發(fā)現(xiàn)，NORSOK模型沒有考慮原油對(duì)腐蝕速率的影響，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知油水體積比對(duì)腐蝕速率存在一個(gè)敏感區(qū)間，使原油起到明顯的緩蝕作用，這對(duì)于濕氣中油水體積比處于腐蝕速率敏感區(qū)間情況下的預(yù)測(cè)結(jié)果必然存在較大誤差。為了修正油水體積比對(duì)腐蝕預(yù)測(cè)造成的影響，進(jìn)行不同油水體積比條件下的多相流腐蝕實(shí)驗(yàn)對(duì)NORSOK模型進(jìn)行改進(jìn)。

4.2 NORSOK模型優(yōu)化

實(shí)驗(yàn)采用的腐蝕監(jiān)測(cè)方法為腐蝕掛片法，實(shí)驗(yàn)裝置具體組成及運(yùn)行原理見文獻(xiàn)[8]，此裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)起伏管路的管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)，如流速、氣液比、流型、起伏傾角等的模擬。實(shí)驗(yàn)過程所采用的材料為管線鋼 X65。根據(jù)工程管道相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的調(diào)研結(jié)果，配置實(shí)驗(yàn)腐蝕介質(zhì)。實(shí)驗(yàn)采用蘇丹GNPOC原油，其蠟含量高于10%，因此屬于高含蠟原油。實(shí)驗(yàn)采用乳化機(jī)將油水充分混合1個(gè)小時(shí)，使其盡量與現(xiàn)場(chǎng)采出液的油水混合狀態(tài)一致。在氣液比為0.5，CO2分壓為0.15 MPa、溫度為30 ℃的條件下，分別在不同油水體積比下的腐蝕規(guī)律進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，見圖5。

圖5 腐蝕速率隨油水體積比的變化曲線

由圖5可知，油水體積比在0～0.25的范圍內(nèi)，腐蝕速率較大且變化趨勢(shì)不明顯，當(dāng)油水體積比達(dá)到0.3時(shí)腐蝕速率急劇下降，當(dāng)油水體積比達(dá)到0.45后隨油水體積比繼續(xù)增加，腐蝕速率始終保持相對(duì)穩(wěn)定的較小的腐蝕速率。這是由于 CO2腐蝕的基礎(chǔ)是有水存在并且在金屬表面發(fā)生潤濕，當(dāng)油水體積比較大時(shí)，金屬表面變現(xiàn)為油浸潤性，減小了與腐蝕介質(zhì)的接觸機(jī)會(huì)從而腐蝕速率降低。研究可知，在一定的油水體積比范圍內(nèi)（敏感區(qū)），腐蝕速率會(huì)隨油水體積比的增加而急劇下降，相當(dāng)于對(duì)管道內(nèi)腐蝕起著重要的緩蝕作用。油水體積比為0.25～0.45為其對(duì)腐蝕速率影響的一個(gè)敏感區(qū)間，通過對(duì)該段數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，最終得到油水體積比敏感區(qū)間內(nèi)的緩蝕效率與油水體積比的函數(shù)關(guān)系式：

式中：y為緩蝕修正系數(shù)；x為油水體積比，取值范圍為 0.25～0.45。

在應(yīng)用NORSOK模型計(jì)算腐蝕速率時(shí)，首先對(duì)油水體積比進(jìn)行分析，當(dāng)油水體積比處于敏感區(qū)間時(shí)，則需通過式（8）的緩蝕修正系數(shù)對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。

4.3 優(yōu)化后模型的應(yīng)用

分別利用NORSOK模型與改進(jìn)的NORSOK模型對(duì)崖城到海南終端 14"單層海底管道管線進(jìn)行腐蝕速率預(yù)測(cè)，并對(duì)比現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)檢測(cè)作業(yè)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)模型的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。由公式（8）得到在油水體積比為 0.37時(shí)其緩蝕系數(shù)為 0.437，用此修正系數(shù)對(duì)直接采用NORSOK模型預(yù)測(cè)的結(jié)果進(jìn)行修正，結(jié)果如表1所示。

表1 預(yù)測(cè)結(jié)果的修正

從表1中可以看出，經(jīng)修正后的腐蝕深度預(yù)測(cè)值與在線檢測(cè)結(jié)果平均絕對(duì)偏差為 6.28%（轉(zhuǎn)換成腐蝕速率約0.098 mm/y），預(yù)測(cè)誤差基本能滿足工程實(shí)際要求。同時(shí)也驗(yàn)證了改進(jìn)的NORSOK模型的優(yōu)化得到的腐蝕速率預(yù)測(cè)效果較好，對(duì)工程應(yīng)用具有較好的適用性。

5 結(jié)論

（1）通過對(duì)含CO2海管內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)得出管道沿線分別出現(xiàn)了環(huán)狀流、分層流和段塞流，其中環(huán)狀流出現(xiàn)在立管附近，而兩處段塞流皆出現(xiàn)在管道傾角較大的位置，流型與管道腐蝕速率直接相關(guān)。

（2）在實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì) NORSOK模型進(jìn)行了改進(jìn)，并采用 WG-ICDA方法預(yù)測(cè)了典型的腐蝕區(qū)域并對(duì)這些區(qū)域進(jìn)行了腐蝕速率預(yù)測(cè)，最后通過對(duì)比工程現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在油水體積比處于腐蝕速率敏感區(qū)間時(shí)，應(yīng)用改進(jìn)的NORSOK模型，其對(duì)于腐蝕速率的預(yù)測(cè)結(jié)果要明顯優(yōu)于原有NORSOK模型的預(yù)測(cè)結(jié)果。

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