油田注水抗腐蝕管道材質(zhì)的選擇

桑元龍，胡力耀，王文燦，孫 海

中國石油工程建設(shè)有限公司中東地區(qū)公司，北京 100011

油田注水管道輸送的是處理后的油田產(chǎn)出水，產(chǎn)出水往往具有高壓、高溫、高氯離子含量等特性，因此產(chǎn)出水的腐蝕性往往很強，這就導致了不少油田注水管道出現(xiàn)腐蝕穿孔，從而引起污水泄漏等問題，給油田的正常生產(chǎn)造成困擾，同時泄漏的污水也會污染環(huán)境。如何正確地選擇油田注水管道的材質(zhì)，是油田正常生產(chǎn)、安全運行以及滿足環(huán)境保護等要求的保證。本文在實際工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，總結(jié)歸納了油田注水管道材質(zhì)選擇和腐蝕控制方法。

1 油田注水管道腐蝕原因分析

油田產(chǎn)出水之所以腐蝕性較強，是油田產(chǎn)出水自身的特性決定的，主要特性有以下幾點。

1.1 礦化度

油田產(chǎn)出水的腐蝕性通常也以礦化度來描述，依據(jù)造成腐蝕的程度，一般把污水分為三個等級。

（1）輕腐蝕污水：礦化度小于12 000 mg/L。

（2） 中腐蝕污水：礦化度為12000～20000mg/L。

（3）重腐蝕污水：礦化度大于20 000 mg/L。

根據(jù)目前接觸到的項目，油田產(chǎn)出水的礦化度基本都大于20 000 mg/L，屬于重腐蝕污水。礦化度越高，產(chǎn)出水越容易在管道中結(jié)垢，形成垢下腐蝕，而產(chǎn)出水含有的氯離子和細菌，也加速了垢下腐蝕的速度。

1.2 氯離子含量

油田產(chǎn)出水中往往氯離子含量比較高，一般產(chǎn)出水中氯離子質(zhì)量濃度均超過100 000 mg/L。氯離子的危害會造成金屬管道點蝕，造成管道局部腐蝕穿孔，見圖1。

1.3 氧含量

氧本身具有較大的電負性和較高的電極電位，具有較強的氧化勢和陰極去極化能力。在油田產(chǎn)出水系統(tǒng)中溶解氧與金屬發(fā)生如下電化學反應(yīng)：

陽極：Fe→Fe2++2e

圖1 油田注水管道腐蝕穿孔現(xiàn)場照片

陰極：O2+2 H2O+4e→4OH-

生成的Fe（OH）2極易被氧化成膠體顆粒Fe（OH）3，使水中不溶解固體顆粒含量上升，引起管道的堵塞。同時，水中H2S或CO2的存在，對氧腐蝕又有很大的促進作用。

1.4 硫化氫含量

產(chǎn)出水中的H2S具有腐蝕性，可生成FeS沉淀，F(xiàn)eS易和原油粘結(jié)在一起堵塞油管；同時，在粘結(jié)部位由于形成電位差原因還能引起局部腐蝕。H2S還引起污水pH值變化，加速腐蝕，當H2S含量高時還可向鋼鐵內(nèi)部滲透形成氫脆，引起鋼鐵晶格變異性破壞。

溶解于產(chǎn)出水中的H2S來源：一是從油層中帶來的，二是水中硫酸鹽還原菌將有機物分解（異化作用）所產(chǎn)生的，三是水中硫酸鹽（CaSO4）和原油中烴還原產(chǎn)生的，四是硫酸鹽還原菌對硫酸鹽的還原。

1.5 細菌

產(chǎn)出水中可能存在硫酸鹽還原菌（SRB），SRB是油田污水中危害最大的細菌，在44～55℃、pH值為7.0～8.0條件下最適宜生長繁殖。SRB細菌會引起管道點蝕并最終腐蝕穿孔。

1.6 其他因素

其他因素如懸浮物、含油量、設(shè)計因素（流速低、配管轉(zhuǎn)彎多、間歇操作）、材質(zhì)因素、焊縫缺陷因素等，這些都是引起腐蝕的重要原因。

2 油田注水管道材質(zhì)的選擇

油田注水管道材質(zhì)選擇可以考慮以下幾種類型。

2.1 碳鋼管道（考慮腐蝕余量+化學藥劑注入）

油田注水管道采用碳鋼材質(zhì)是一種比較經(jīng)濟的選擇，但也是風險最大的一種選擇，如果在設(shè)計階段不給予特殊的考慮，往往容易造成碳鋼注水管道腐蝕穿孔，因此如果選擇碳鋼材質(zhì)的注水管道，需要給予如下考慮。

（1）考慮一定的腐蝕裕量：如管道考慮6 mm腐蝕裕量。

（2）嚴格控制產(chǎn)出水中溶解氧含量：溶解氧含量最好控制在10～20 μg/L[1]，水處理設(shè)施中需要增設(shè)真空脫氧塔和/或加注除氧劑。

（3）加注化學藥劑：加注緩蝕劑（建議使用鈍化膜型緩蝕劑，如鉬酸鹽）、加注除氧劑（如加注飽和亞硫酸鈉溶液）、加注殺菌劑、加注pH值調(diào)和藥劑（調(diào)和后pH值為7±0.5）。

（4）其他需要考慮的條件：盡量保證產(chǎn)出水的流速＞1.5 m/s，水處理設(shè)施采用氮氣隔離防止曝氧。

2.2 碳鋼管道+等徑壓縮HDPE內(nèi)襯

等徑壓縮HDPE管技術(shù)是在主管道內(nèi)插入一條高密度聚乙烯管（HDPE）的方法，這項技術(shù)既適用于新建注水管道，也適用于舊管道改造。由于HDPE管造價低廉，且耐腐蝕性和耐磨性都非常好，也不容易結(jié)垢，因此使用該項技術(shù)是比較經(jīng)濟的一種選擇。

該技術(shù)原理是：將外徑比主管道內(nèi)徑稍大一點的HDPE管，經(jīng)過多級徑向均勻壓縮裝置暫時減小HDPE管的外徑，此壓縮是采用滾輪滾動壓縮的；而后由牽引機牽引，將縮徑的HDPE管插入主管道中，經(jīng)過不小于24 h后，HDPE管自然恢復到原來的直徑，也可采用輔助壓力、溫度措施使其恢復，這樣穿插入的HDPE管就與主管道結(jié)合在一起了，達到增強和內(nèi)防腐的目的。該項技術(shù)的施工原理如圖2所示。

該項技術(shù)適用于工作壓力≤35 MPa、DN100～DN1200管道的內(nèi)襯操作，且施工距離長（一次性穿管能達到1.5 km）。缺點是：每隔1.5 km需要有一處法蘭連接點。法蘭屬于異形結(jié)構(gòu)，法蘭的外防腐不容易施工，推薦使用Denso礦脂帶或者STOPAQ黏彈體加外保護帶的防腐處理方法對法蘭進行防腐。同時，管道彎頭最好也采用法蘭連接，否則在拖拽HDPE管時，鋼絲纜繩有可能磨損彎頭，導致彎頭機械性破壞。該項技術(shù)需要由專利廠家現(xiàn)場配合完成，國內(nèi)一些廠家（如柯林瑞爾）能夠提供該項技術(shù)，并且成功地在一些國內(nèi)和國外油田注水項目上得到應(yīng)用。

圖2 碳鋼管道內(nèi)襯HDPE管施工原理示意

2.3 采用非金屬管道

非金屬材質(zhì)的管道，如玻璃鋼管（GRE管）、HDPE管等，具有造價低廉、較低的水力摩阻、耐腐蝕性和耐磨性好等優(yōu)點，近幾年在油田注水項目中得到了大量的應(yīng)用，在減緩鋼制管道腐蝕、節(jié)省地面投資、降低維護成本等方面發(fā)揮了重要作用。但非金屬管道普遍具有以下缺點：其一，耐壓程度不高。比如：玻璃鋼管的最大耐壓能力只有25 MPa（≤DN100），而且其耐壓能力隨著水溫的升高而降低，在設(shè)計時還需要考慮溫度修正系數(shù)。其二，容易老化變脆，無法滿足全周期使用壽命要求。尤其是地面上安裝，受太陽紫外線輻射影響，非金屬材質(zhì)容易老化變脆，導致非金屬管道損壞，因此最好埋地使用。其三，施工難度偏大。比如：玻璃鋼管的連接依靠螺紋連接，現(xiàn)場施工難度增加，施工進度受到影響。

2.4 碳鋼管道（考慮內(nèi)涂層+焊口UB滑套技術(shù)）

該項技術(shù)采用的是美國國民油井公司NOV的技術(shù)，全稱是Tuboscope Thru-Kote UB Sleeve技術(shù)，該項技術(shù)對碳鋼管道采取涂覆內(nèi)涂層（改性環(huán)氧酚醛、環(huán)氧酚醛等優(yōu)質(zhì)內(nèi)涂層材料）保護、管道焊口處采用UB滑套隔離，UB滑套及UB滑套安裝示意如圖3所示。

圖3 UB滑套及其安裝示意

采用該項技術(shù)在管道建設(shè)的經(jīng)濟性方面，尤其是在高壓注水管道的建設(shè)方面，有著很大的優(yōu)勢。而且由于施工簡單，也便于施工現(xiàn)場快速地完成施工工作，且優(yōu)異的內(nèi)涂層質(zhì)量以及焊接接口UB滑套技術(shù)，保證了注水管道的耐腐蝕性和耐磨性。UB滑套技術(shù)所保護的注水管道也可以實現(xiàn)順利通球，但只能使用皮碗式清管球，防止清管球?qū)?nèi)涂層剮蹭造成損傷或者破壞。

該項技術(shù)在國內(nèi)是由河北華油一機圖博涂層有限公司代理的，但在國內(nèi)該項技術(shù)尚未得到大面積應(yīng)用，也未見國家標準對該項技術(shù)給予支持。在國外尤其是在中東地區(qū)如沙特、科威特、巴林等國家開設(shè)有工廠，在中東地區(qū)該項技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。

2.5 雙金屬復合管

雙金屬復合管（見圖5～6）是在碳鋼管道內(nèi)部覆襯一定厚度的不銹鋼、合金鋼等耐腐蝕合金的復合管，分機械復合管和堆焊復合管。雙金屬復合管的設(shè)計原則是基材（碳鋼）滿足管道設(shè)計壓力，復層（不銹鋼或合金鋼）耐腐蝕或磨損等。雙金屬復合管能有效降低成本，同時由于工作介質(zhì)與合金層直接接觸，雙金屬復合管又可以提高安全性和可靠性[2]。但需要注意的是：機械復合管現(xiàn)場不能切割，否則在切割部位無法焊接；而堆焊復合管可以現(xiàn)場切割和焊接，但造價相對要高。因此在選擇復合管型式時，需要根據(jù)現(xiàn)場施工需要進行合理選擇。

圖4 雙金屬復合管的結(jié)構(gòu)示意

油田注水管道系統(tǒng)也可以采取該項技術(shù)，比如可以在碳鋼管道內(nèi)部襯一層2～4 mm的825合金層，焊接時可以采用AWS 5.14 ERNiFeCr-1合金鋼焊條進行焊接。825合金復合層可以有效防止產(chǎn)出水腐蝕，從而保證整個產(chǎn)出水系統(tǒng)的安全性。

2.6 不銹鋼管道

油田產(chǎn)出水中氯離子含量往往很高，而氯離子對不銹鋼點蝕是很嚴重的。油田注水管道常使用抗點蝕能力很強的雙相不銹鋼材質(zhì)，雙相不銹鋼按類型又可以分為以下幾類。

（1） 貧雙相不銹鋼：如 S32101、S32202、S32304、S32003、S82011和S82441，有資料顯示其中S32003耐氯離子點蝕能力很強[3]，且經(jīng)濟性也很好，因此推薦可以在油田注水管道上使用。

（2）標準雙相不銹鋼：如S31803、S32205，其中S31803在油田注水系統(tǒng)中使用很多，但其價格比較昂貴。

（3） 超級雙相不銹鋼：如S32520、S32550、S32750、S32760和S32906。超級雙相不銹鋼可以滿足油田注水管道材質(zhì)要求，但其價格昂貴，不太適用于長距離輸送注水管道。

由于油田注水管道往往都要埋地敷設(shè)，因此如果使用不銹鋼管道，往往會出現(xiàn)不銹鋼管道外表面防腐處理困難的問題，因此建議油田注水地上管道可以考慮使用上述不銹鋼材質(zhì)。

3 油田注水管道材質(zhì)選擇實例

某國外油田產(chǎn)出水處理后需要回注到地下。油田產(chǎn)出水的參數(shù)為：氯離子含量158 000 mg/L，水溫70～85℃，pH值6.5～7，油含量約6 mg/L。

由于產(chǎn)出水中氯離子質(zhì)量分數(shù)達到了15.8%，且水溫較高，產(chǎn)出水的腐蝕性很強，但在設(shè)計過程中嚴格控制了產(chǎn)出水中溶解氧的含量，于是選擇了較低等級的管道材質(zhì)。經(jīng)充分的考慮和設(shè)計，該油田注水系統(tǒng)管道材質(zhì)選擇如圖5所示。

圖5 國外某油田產(chǎn)出水注水系統(tǒng)材質(zhì)選擇

從圖5中可以看出：其一，地上管道材質(zhì)選取雙相不銹鋼31803，這是考慮到地上管道死液點比較多，容易在死液點位置發(fā)生點蝕，所以地上管道按照較高等級材質(zhì)選取；其二，站內(nèi)地下管道選取玻璃鋼管，這是考慮到站內(nèi)地下管道壓力較低，適宜選用非金屬材質(zhì)的管道，而且還可以節(jié)省一定的費用；其三，站外地下管道選取碳鋼加6 mm腐蝕余量，這是考慮到站外埋地管道操作壓力很高（21 MPa），水中含氧量比較低，而且在注水泵入口已加注了緩蝕劑、殺菌劑和除氧劑，這些藥劑也能夠減小碳鋼管道腐蝕速度。

按照以上原則選取的油田注水管道已投入生產(chǎn)使用近三年，目前運行良好，未發(fā)現(xiàn)腐蝕穿孔等嚴重問題，證明該國外油田注水管道的材質(zhì)選擇是正確合理的，這對其他項目注水管道的材質(zhì)選取也有一定的借鑒意義。

4 結(jié)束語

本文歸納了油田注水管道材質(zhì)的選擇，分別給出了推薦性的意見和建議，并給出了某國外油田注水管道材質(zhì)選擇的實例，經(jīng)過實際生產(chǎn)測試表明，該項目的注水管道材質(zhì)選擇是合理的，該實例對其他注水項目管道材質(zhì)的選擇具有非常好的借鑒意義。