基于變頻控制的多種藥劑精準注入系統的開發和應用*

馬 強,程 濤

(中海石油(中國)有限公司蓬勃作業公司，天津 300452)

腐蝕是一門應用性很強的交叉學科，涉及金屬學、材料力學、電化學、物理化學、微生物化學和流體力學等學科[1]。管道腐蝕作為影響管道安全運營的重要因素，已經成為海洋石油工業安全作業最關注的問題之一。管道腐蝕的影響因素很多，如細菌、溫度、流體成分及流速、外部環境等。從腐蝕部位來看，管道腐蝕可分為外腐蝕和內腐蝕兩大類。管道外腐蝕主要由設計和施工質量等影響因素決定;而內腐蝕的影響因素較多，主要包括CO2/H2S腐蝕、垢下腐蝕和微生物腐蝕等[2]。針對管道內腐蝕，通常采用藥劑注入的方式進行防護，需要將多種不同濃度的藥劑同時注入系統。近年來，某海上油田的地面管道和海底管道頻繁出現腐蝕穿孔現象。為了保障現場工作安全高效開展，開發了一套基于變頻控制的多種藥劑精準注入系統，實現了多種藥劑的精準注入，管道內腐蝕治理效果顯著。

1 管道內腐蝕機理

1.1 CO2/H2S腐蝕

CO2腐蝕和H2S腐蝕是管道內腐蝕常見的兩種類型，也是管道設計時重點考慮的腐蝕因素。油田管道中存在單獨的CO2腐蝕環境，也存在CO2/H2S共同作用的腐蝕環境，但是尚未發現H2S單獨作用的環境[3]。當油田管輸介質中同時存在CO2和H2S時，其腐蝕機理隨著水質、工況以及CO2和H2S含量的不同而不同。針對管道內的CO2/H2S腐蝕，在進行清管作業的同時，通常采用注入緩蝕劑的方法來進行防護。

1.2 垢下腐蝕

垢下腐蝕是由管道內表面沉積物產生的一種特殊的局部腐蝕形態，由于腐蝕產物的沉積作用，導致管道的垢下介質組成與周圍介質差別很大，形成阻塞電池腐蝕。

為了研究垢下腐蝕的規律，進行了不同位置的現場掛片試驗，如圖1所示。試驗周期為180 d，試驗后對試片進行處理和稱量，計算試片的腐蝕速率，試驗結果見表1。從表1可以看出，與浸泡在水體本身的試片相比，位于結垢處的試片腐蝕速率顯著增加，最大增加了480.3倍，平均增加了36.7倍。針對管道內部發生的垢下腐蝕，通常采用加入阻垢劑、緩蝕劑和殺菌劑的方法來進行防護，同時配合清管作業。

圖1 不同位置的現場掛片試驗對比

表1 不同位置的現場掛片試驗結果

1.3 微生物腐蝕

微生物腐蝕是指微生物引起的腐蝕或受微生物影響而產生的腐蝕。油田管道微生物腐蝕主要是由硫酸鹽還原菌(SRB)生化反應所造成的。在油田原油管輸過程中，當管道中的介質流速過低時，SRB很容易附著在管道內壁上形成菌落，在貧氧和厭氧條件下，SRB均能生成H2S，與水結合后，對管道內壁造成腐蝕。垢下腐蝕與SRB密切相關，腐蝕產物沉積形成垢層，SRB在垢下生長繁殖。垢層為細菌的生長繁殖提供了一定的保護，垢層的致密性影響殺菌劑的殺菌效果[4]。通常在抑制微生物腐蝕時應先采取防垢措施，然后再進行清管作業和殺菌劑注入操作。

2 管道內腐蝕控制措施及存在問題

對油田腐蝕掛片進行宏觀觀察(見圖2)，再結合現場腐蝕管段的具體情況進行分析發現，管道腐蝕穿孔主要發生在管道的結垢部位。通過腐蝕機理分析可以得出，垢與SRB的共同作用是造成管道內腐蝕的重要原因，因此防垢和殺菌是解決問題的關鍵[5]。油田在進行藥劑評選后，應盡快確定合理的藥劑注入種類和濃度，多措并舉方能解決腐蝕問題。

圖2 油田腐蝕掛片宏觀形貌

油田現場的常規藥劑注入，主要包括單井注入及海底管道常規注入，達到緩蝕、殺菌和防垢等保護管線的目的。針對海底管道的清管作業，除了采用物理清垢措施之外，還需要清除垢下細菌和對管道進行預膜處理。常規的藥劑注入系統多采用大排量沖擊的加注方式，采用人工手動調節藥劑注入量，操作不便，無法滿足現場的藥劑注入要求。如果采取臨時改造的方式，則需要連接多條軟管，占用多臺備用泵或在用泵的資源，工作量大，操作風險高，也不能從根本上解決問題。因此迫切需要開發一套能夠實現多種藥劑精準注入的藥劑注入系統，達到腐蝕控制要求。

3 系統的開發

針對傳統藥劑注入系統的局限，通過調研、可行性分析和效果預估等工作，開發了基于變頻控制的多種藥劑精準注入系統，其特點在于：藥劑注入量調節范圍大，可實現多種藥劑的精準注入，具備設備遠程啟停、流量實時監控等功能[6]。該系統的開發需要工藝、儀表、電氣和機械等專業的深度介入和通力協作，在系統的調試和運行過程中，應注意各專業的設計要點。

3.1 工藝設計要點

(1)在藥劑罐出口管線處安裝過濾器，方便檢查及更換，同時保證藥劑注入的品質。

(2)在泵出口處增加蓄能器，保證柱塞泵運轉期間出口壓力的穩定。

(3)在泵進出口處增加排氣及泄放口，以保障計量的可靠性和保護儀表，同時在管道拐彎處增加防沖擊封頭，避免管道拐彎處遭受流體沖擊，引起管道可靠性下降。管路部分現場改造工藝流程見圖3。

圖3 管路部分改造工藝流程

3.2 儀表設計要點

(1)在泵出口處設有高低壓開關，以便在管道泄漏及高低壓異常狀態時對其進行保護。目前依據原油海底管道的實際工況，設定高低壓保護點為低壓1.0 MPa，高壓3.5 MPa。

(2)在泵出口處增加流量計，通過中控系統可實時監控泵的運行情況，再結合變頻控制的操作模式，可以更為準確和方便地對藥劑注入量進行調整，改變了常規藥劑泵需要進行現場標定的工作模式。經過綜合測試，該藥劑泵在頻率 33 Hz 下流量為12 L/min，可以滿足現場藥劑注入要求。

3.3 電氣設計要點

(1)確定了系統的核心驅動模式為變頻電機驅動，選用變頻電機及變頻控制器進行電控對接[7]。

(2)設計了完整的控制線路，增加了啟停保護、遠程控制、流量調節等功能，簡化了現場操作。電氣部分線路改造見圖4。

圖4 電氣部分線路改造

3.4 機械設計要點

根據現場需求，選擇三缸柱塞泵作為系統的設備主體部分。該泵無需沖程調節，流量調節范圍大(0～23 L/min)，同時也具有敞開式和密閉式系統的殺菌劑(兩種型號)注入、海底油氣混輸管道的殺菌劑(兩種型號)注入以及緩蝕劑(兩種型號)的大排量沖擊加藥等功能，共包括8種藥劑注入模式(包括沖洗置換藥劑)，可實現自由切換。

4 系統的應用

根據相關標準要求，海底油氣混輸管道在完成清管作業后，需往管道內加注殺菌劑，之后再加緩蝕劑進行預膜。在現場藥劑加注過程中，當殺菌劑和緩蝕劑配伍性較差時，兩者混合后通常會發生化學反應，生成絮狀物，堵塞管道。因此，在藥劑注入過程中，一定要注意殺菌劑和緩蝕劑兩者的配伍性問題，為了不影響到各自的使用效果，加注殺菌劑后需要對管路進行清洗置換,然后再進行緩蝕劑注入操作。

在渤海油田首次采用了基于變頻控制的多種藥劑精準注入系統，根據現場的實際工況，切換不同的藥劑注入模式，及時調整和鎖定系統的運行頻率。現場應用實踐表明：系統使用效果明顯，全年累計可節省8 300人工時，減少吊裝次數108次，降低電耗9 000 kWh；管道中的SRB數量得到有效控制(見圖5)，維持在6～25個/mL，滿足系統要求指標(小于30個/mL)。

圖5 管道中的SRB數量控制情況

5 結束語

與常規藥劑注入系統相比，基于變頻控制的多種藥劑精準注入系統利用變頻控制模式實現了遠程控制，改變了常規的現場標定方式，無需手動調節流量，減少了現場人力，降低了操作風險，更加準確和高效。該系統在渤海油田首次使用效果顯著，全年累計可節省8 300人工時，減少吊裝次數108次，降低電耗9 000 kWh；管道中的SRB數量得到有效控制，維持在6～25個/mL，滿足系統要求指標。該系統在海洋石油工業領域具有廣泛的應用前景。