銅鎳合金注入管線滲漏問題原因分析及解決措施

柯文超 蘆新輝 趙德喜

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

0 引言

渤海灣某油田生產污水日處理量可達5000m3。生產污水從三相分離器進行油水初步處理后進入斜板除油器進行撇油預處理，預處理后生產污水含油量為400ppm以下。生產污水從斜板除油器出來以后經過生產水增壓泵增壓至800KPa后進入氣浮選中處理，從氣浮選中進行進一步除油至20ppm后，進入核桃殼細濾器進行精細處理。最后進入注水緩沖罐，經過注水增壓泵增壓后進入油田注水井。

絮凝劑主要成分為陽離子型聚合氯化鋁與陽離子型聚合硫酸鋁。脫油的原理為絮凝劑在生產污水中形成微小的絮凝膠體，與分散的油滴聚集成大的油滴，最后在微氣泡的作用下油滴從污水中脫離出來。實現降低生產污水處理系統氣浮選中含油量的目的。保證從氣浮選處理后的污水水質小于20ppm。

油田絮凝劑注入管線材質為銅鎳合金，絮凝劑通過柱塞泵以連續注入的方式將絮凝劑注入到氣浮選中對生產污水進行脫油處理。銅鎳合金注入主管線自2013年投運以來，由于腐蝕在實際運行中多次發生腐蝕滲漏問題。如圖1所示。導致氣浮選中含油污水油滴不能及時脫離聚集，嚴重影響了生產污水系統的穩定運行，甚至有導致油田生產污水系統的關停風險，增加了油田現場的管理難度。

圖1 銅鎳合金腐蝕斷裂端口

1 影響銅鎳合金腐蝕因素分析

1.1 生產污水成分分析

對進入氣浮選中的生產污水取樣，溫度為65℃，放入恒溫水浴箱中，恒溫不同時間，采用滴定法對生產污水濾膜進行能譜電鏡常規離子分析，測試水樣中碳酸氫根離子濃度、硫酸根離子濃度、其它離子濃度等指標。結果如表1所示。

從表1可知，生產污水中含有大量的碳酸氫根離子和氯離子。其它離子如硫酸根離子、鈣離子、鎂離子含量較少，碳酸根離子濃度基本沒有。

1.2 銅離子化學反應過程

1.2.1 氯離子與銅離子反應過程

為了檢驗銅離子在不同濃度氯離子溶液中的腐蝕速率，現場采用失重法。試驗結果如圖2所示。其中腐蝕速率用υ表示；溶液中氯離子濃度用C表示。

圖2 銅在不同氯離子濃度中的腐蝕速率

由圖2可知氯離子對銅離子有很強的腐蝕性，當氯離子濃度＞0.03mol/L時，氯離子濃度不斷升高會導致銅腐蝕速率逐漸增大，氯離子濃度在0.07mol/L與0.08mol/L時，此濃度范圍內氯離子對銅腐蝕最大[1]。氯離子與銅離子的電化學反應方程式如下：

其中CuCl難溶于水，在銅合金表面沉積下來，隨后CuCl與水反應形成Cu2Cl。即：

1.2.2 碳酸氫根離子與銅離子反應過程

生產水中大量存在的碳酸氫根離子會與Cu2+發生如下反應：由反應式可知，Cu2+與會產生堿式碳酸銅沉淀和CO2氣體。這樣導致了銅鎳合金的腐蝕速率。CO2氣體的存在會使方程式的反應重復進行。導致Cu2+電化學反應加劇[2]。

表1 生產污水離子濃度分析結果

1.2.3 硫酸根離子與銅離子的反應過程

絮凝劑組份中含有硫酸鹽成分水解后的硫酸根離子會與銅離子發生化學反應，生產硫酸銅沉淀[3]。

1.3 原因結論

綜上所述：生產水中含有的大量氯離子、碳酸氫根離子、以及絮凝劑的硫酸鹽成份分別與銅離子之間的電化學反應是導致銅鎳合金腐蝕的主要原因。

2 改造方案對比與篩選

2.1 方案提出

要解決注入管線出現滲漏的問題，必須要解決產生滲漏的條件；一是降低生產污水中的氯離子、碳酸氫根離子以及絮凝劑中硫酸根離子成分；二是降低銅鎳合金中容易和生產污水中氯離子以及碳酸氫根離子起化學反應的銅離子濃度；三是對容易起化學反應的離子進行隔離。

PP-R管線又叫三型聚丙烯管。主要由碳氫元素組成。碳氫元素在常溫常壓條件下不與銅鎳合金反應。可避免由于使用銅鎳合金的電化學反應所造成的管線內壁腐蝕。理論上可以替換銅鎳合金材質管線[4]。

根據上述原因分析可以得出3種方案用以解決絮凝劑注入管線出現滲漏的問題。根據在現場的可操作性以及經濟性能進行比較對這三種方案就行擇優選擇。

方案一：往生產污水添加新型藥劑降低氯離子以及碳酸氫根離子成分。在油田現場需要添加新設備和新藥劑系統，生產維護管理難度加大，且不經濟。可操作性不強；

方案二：用PPR材質管線替換銅鎳合金材質管線。經濟實惠，可操作性強；

方案三：對化學藥劑中的硫酸根離子進行替換選型，更換新的銅鎳合金管線，并對銅鎳合金管線涂防腐層，此方案可操作性不強。

2.2 最佳方案的選擇

根據經濟性以及現場可操作性的分析，同時結合海上油田運輸不便利，設備物料要求使用壽命期長，物料輸送有周期性要求等因素，決定選用方案2。氣浮選入口處有一個尺寸和絮凝劑注入管線一樣大小都是1in的預留口，可以作為臨時絮凝劑注入點。實現不停運絮凝劑系統的目的。確保施工期間流程平穩運行。

3 效果分析

改造后，經過持續半年的跟蹤觀察，PPR材質絮凝劑注入主管線沒有出現一次滲漏。生產污水系統平穩運行，油田注水水質得到了有效保證。

表2 幾個方案的經濟性與可操作性對比

4 結論

（1）通過能譜電鏡以及滴定法可以得知生產水中含有大量的氯離子與碳酸氫根離子；

（2）生產水中大量的氯離子與碳酸氫根離子與銅鎳合金中的銅離子起化學反應是導致腐蝕的原因之一；

（3）陽離子型聚合氯化鋁與陽離子型聚合硫酸鋁中硫酸根離子會與銅離子發生化學反應；

（4）油田藥劑系統的生產開發具有特殊性，不僅要考慮藥劑處理效果，同時還要考慮油田水中離子成分的特殊性，是否對管線材質產生腐蝕滲漏問題。

現場生產人員通過現場調查與理論分析，運用腐蝕原理，找出了絮凝劑系統銅鎳合金腐蝕原因。非常經濟有效的解決了注入管線滲漏問題。解決問題思路與方法對類似油田化學藥劑系統注入管線出現的滲漏問題的解決有借鑒作用。至于生產水是否會對其它材質以及設備管線產生腐蝕，還需要進一步的研究。