集氣管道內腐蝕主控因素及腐蝕評價方法研究

任春燕

中國石油華北油田公司第五采油廠工程技術研究所，河北辛集 052360

隨著國家對清潔能源需求的不斷增加，越來越多的氣田被開采，集氣管道流體成分復雜，除CH4外，還有CO2、H2S等腐蝕性介質，同時采出時伴有大量氣田水，水中含有CaSO4、NaCl、CaCO3等溶解性鹽類[1-3]。因流體介質、地形地貌和周圍環境等原因，集氣管道的腐蝕遠高于集油管道，管道穿孔后天然氣發生泄漏并在土壤中擴散，隱蔽性較強，易造成巨大的人員傷亡和財產損失[4]。目前，對于腐蝕在線監測的方法主要有掛片失重法、電阻探針法、電化學探針法、交流阻抗法和FSM法等[5-7]，這些技術對于管道運行狀態的監測具有重要意義，但需要長期放置或定期更換相關設備，這加大了管理難度，且對于未設置腐蝕監測體系的氣井和管道，則無法對腐蝕情況進行預判和定量評價。此外，影響集氣管道內腐蝕的因素眾多，各類因素與腐蝕速率之間存在非線性關系，無法用簡單的多元函數表示。朱相榮等[8]、趙景茂等[9]、盧會霞等[10]、孫天禮等[11]用灰色關聯法對影響碳鋼管道的腐蝕因素進行了分析，但均未考慮各參考序列之間的相關性。因此，為了對集氣管道腐蝕風險進行定量評價，采用熵權-灰色關聯法計算灰色關聯度，確定各影響因素的客觀權重，找到主控因素，并形成內腐蝕評價方法，篩選出內腐蝕風險較高、需要重點關注的集氣管道，為氣井防腐措施的制定提供理論依據。

1 內腐蝕影響因素

集氣管道從腐蝕類型上有均勻腐蝕、點蝕、沖刷腐蝕和氫腐蝕四種，根據腐蝕類型，將內腐蝕影響因素歸納為三類：管道材質、流體特性和運行參數。管道材質即鋼管的牌號及力學性能，流體特性即CO2含量、H2S含量、固體含量、油氣密度等，運行參數即管道溫度、壓力、流速、熱傳遞系數等，一般情況下，同一區塊不同斷塊的氣田雖分批滾動建設，但管道材質基本一致，故只考慮流體特性和運行參數的影響即可。綜上所述，對內腐蝕因素進行梳理后，共找出18個影響因素，見表1。其中，管道內流體為氣液兩相流動，流動中涉及傳質、傳熱、動量守恒、能量守恒等過程，且有部分流動參數無法通過儀表直接測量。在此采用多相流瞬態模擬軟件OLGA對液相表觀流速、氣相表觀流速、表面張力、氣體-壁面剪切應力、液體-壁面剪切應力等參數進行模擬，模擬時首先確定管道埋深，將模擬得到的壓力、溫度數據與實測數據進行對比，當誤差不超過2%時，認為水力和熱力模型選擇準確，由此得到管道沿線參數的分布情況。腐蝕速率根據超聲導波檢測系統和壁厚測試儀的檢測結果，結合管道服役年限進行計算。

表1 內腐蝕影響因素

2 主控因素分析

2.1 熵權-灰色關聯

熵權法是通過衡量各指標所占信息量的多少來確定指標權重，屬客觀賦權法。根據信息論的基本原理，信息的無序程度可用熵值表示，熵值越小，信息的無序程度越小、有序程度越大，包含的信息量越大，在綜合評價中的權重越大。反之，權重越小。

假設有m組腐蝕速率數據，每組共包含n個影響因素，構建初始矩陣：

式中：xij為第i組腐蝕速率數據下的第j個影響因素（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)。

為了消除不同影響因素量綱差異帶來的影響，對初始矩陣進行無量綱化處理，得到矩陣Z=（zij）m×n，zij表示第 i組腐蝕速率數據下的第 j個影響因素無量綱化后的數值。常見的無量綱化方法有平均值法、中心化法、最大值法和最小值法等，不同的無量綱處理方法對權重的確定具有一定影響。

根據信息熵的定義計算各影響因素的熵值hj：

式中：ej為第j個影響因素的信息熵，無量綱。

此時，第j個影響因素的權重：

灰色關聯法是通過衡量各因素之間的差異，確定各因素對主行為貢獻程度的一種方法，在系統進行的過程中，如兩因素變化同步性較高，則兩者一致性程度越高，相關度越高。

假設有m組腐蝕速率數據，每組共包含n個影響因素，規范化后的數據為xi=[xi（1），xi（2），…，xi（n）]，i=1，2，…，m。選擇腐蝕速率 x0為參考序列，影響因素xi為比較序列，計算x0和xi在第k個影響因素下的關聯度系數ηi（k）：

式中：ρ為分辨系數，ρ越小分辨能力越強，一般取 ρ=0.5。

計算不同影響因素下的灰色關聯度ri：

式中：wk為指標權重，通常取1或采用專家判斷，在此取熵權法計算的權重值，可摒棄主觀因素影響，確保關聯度計算的準確性。

2.2 關聯度計算

通過收集整理20組集氣管道的腐蝕數據，采用不同的無量綱化方法計算指標權重，計算結果見圖1。可見不同的無量綱化方法對權重計算產生了一定影響。熵權法的原理是基于信息的無序程度，即信息之間的差異越大，計算結果越準確。

圖1 不同無量綱化方法的計算結果

采用均方差和極差衡量計算方法的準確性，見表2。均方差表示數據集的離散程度，極差表示數據集的波動程度，兩者數值越大，信息之間的差異程度越大，因此選擇平均值法的權重計算結果。

表2 不同無量綱化方法的均方差和極差

按照式（5）、式（6）計算不同影響因素的關聯度，如圖2所示。關聯度的變化范圍為0～1，一般認為關聯度大于0.6表示兩者呈現強相關性，其中關聯度大于0.6的因素為H2S質量濃度（0.8345）、CO2質量濃度（0.641 5）、氣體流速（0.657 8）、溫度（0.601 8），其余影響因素的關聯度均小于0.6，說明其余因素與腐蝕速率之間的相關性較小。

圖2 不同影響因素關聯度計算結果

圖3為腐蝕速度與對應主控因素的變化趨勢，其中腐蝕速度與H2S質量濃度的變化趨勢相似度最高，且與主控因素均呈正相關。

圖3 腐蝕速度與主控因素變化趨勢

3 內腐蝕評價

根據關聯度的計算，4個主控因素與腐蝕速度之間為遞增函數關系，采用歸一化法對實際工況條件下的氣井參數進行處理，即同一因素的最大值為1，其余數值按比例賦值。以灰色關聯度為依據，對各影響因素的重要程度賦權重，并引入腐蝕評價因子T。對不同集氣管道運算后的結果T求算術平均值，高于平均值的氣井和集氣管道認為是腐蝕敏感區域，需要重點關注。其公式如下：

式中：Ai、Bi、Ci、Di分別為 H2S 質量濃度、CO2質量濃度、氣體流速、溫度歸一化后的結果。

對5個斷塊區域內21口氣井的運行參數進行采集并歸一化處理，其中H2S質量濃度和CO2質量濃度根據井口壓力和氣質組分化驗結果確定，氣體流速取站場內最高流速（由于不同管徑和流量下的流速不一致，保守取站內最高流速），溫度取井口溫度，結果見表3。

表3 腐蝕評價因子計算結果

從計算結果可知，腐蝕評價因子的平均值為1.318 33，別古莊的6口氣井腐蝕評價因子均超過平均值，該斷塊的H2S質量濃度為30～127 mg/m3、CO2質量濃度為66.9～223.5 mg/m3，據此參照GB 50349—2015《氣田集輸設計規范》，判斷屬高含硫斷塊，且兩者分壓比P（CO2） /P（H2S） =1.52～2.56，根據Pots等[12]的研究，腐蝕體系以H2S為主，腐蝕風險較大。為了驗證評價結果，對腐蝕評價因子最高、中等和最低的三口氣井京57、安22-11X和寧10-1，采用化學分析法和失重法分析氣田采出水中總鐵離子的含量，計算均勻腐蝕速率。三口氣井的監測結果與評價結果相符，見圖4。其中京57井的均勻腐蝕速率為0.19～0.30 mm/a，參照NACE-RP-0775，屬高度偏重度腐蝕，并隨著時間延長，腐蝕越來越嚴重，該井的氣體流速較快，據研究表明，當氣體流速超過5 m/s，緩蝕劑無法覆蓋在基材表面，且氣流速度越大對管道的沖蝕作用越強，從2020年12月開始為該井增加了二級節流和二級加熱流程，降低了出口壓力，腐蝕有所減緩。安22-11X井的均勻腐蝕速度為0.09～0.14 mm/a，參照NACE-RP-0775，判斷大部分時間屬于中度腐蝕，少數時間屬于高度腐蝕；寧10-1井的均勻腐蝕速度為0.014～0.023 mm/a，參照NACE-RP-0775，屬于輕度腐蝕，根據監測結果對這兩口氣井調整了緩蝕劑的配方和加注量，有效地控制了腐蝕，腐蝕速度有所減小。

圖4 3口氣井集氣管道腐蝕監測數據

4 結論及建議

（1）通過采用熵權-灰色關聯法對影響管道內腐蝕的18個因素進行梳理和計算，得到影響腐蝕的主控因素為H2S質量濃度、CO2質量濃度、氣體流速和溫度。

（2）對5個斷塊區域內21口氣井的運行參數進行采集并歸一化處理，其中別古莊斷塊的腐蝕評價因子超過平均值，為高含硫斷塊，腐蝕風險較大。

（3）對于沒有設置腐蝕監測體系的集氣管道，可根據采集數據計算腐蝕評價因子，為腐蝕高敏感區防腐措施的制定提供指導。

（4）已評價氣井的產水量較少，隨著氣田的不斷開發，產水量會不斷增加，腐蝕性也會增強，今后應及時更新數據，加入氣田采出水的相關因素，對評價模型進行進一步修正。