基于腐蝕防控的油田管道完整性技術(shù)管理體系構(gòu)建與應(yīng)用

張博文 張永豐 劉書孟 蔡衛(wèi)軍 馬洪英

1大慶油田有限責(zé)任公司第二采油廠

2中國石油青海油田質(zhì)量安全環(huán)保監(jiān)督中心

管道是油田生產(chǎn)系統(tǒng)的重要組成部分。近年來，隨著油田開發(fā)建設(shè)年限的不斷延長和管道規(guī)模的持續(xù)擴(kuò)大，管道腐蝕、老化、失效問題日益突出[1]。同時(shí)，部分油田管道因敷設(shè)環(huán)境限制以及生產(chǎn)需要而位于環(huán)境敏感區(qū)域，一旦發(fā)生腐蝕失效將帶來巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。

為了有效控制管道失效，中國石油天然氣集團(tuán)公司2017 年制定并頒布《中國石油天然氣股份有限公司油氣田管道和站場完整性管理規(guī)定》（2017）（以下簡稱《規(guī)定》）要求開展管道全生命周期完整性管理工作，推動管理模式由“事后搶修”向“事前預(yù)防”轉(zhuǎn)變。對比氣田管網(wǎng)和常規(guī)油田生產(chǎn)實(shí)際，發(fā)現(xiàn)氣田管網(wǎng)具有輸送距離長、安全風(fēng)險(xiǎn)高、失效后果重、失效頻率相對較小等特點(diǎn)，同時(shí)相關(guān)防腐技術(shù)管理措施應(yīng)用較早，監(jiān)督管理體系相對完善，完整性管理經(jīng)驗(yàn)豐富[2-3]；但常規(guī)油田生產(chǎn)管道則具備管道類別多、工藝復(fù)雜、輸送介質(zhì)種類多、腐蝕類型多樣、穿跨越環(huán)境復(fù)雜等特點(diǎn)，同時(shí)技術(shù)措施和監(jiān)督管理體系尚不完善，完整性管理工作處于開展初期，經(jīng)驗(yàn)不足。由于這些不同特點(diǎn)，氣田管道和常規(guī)油田管道需要采取差異化管理策略，建立不同的指標(biāo)體系。

因此，針對大慶油田第二采油廠（以下稱“薩南油田”）等老區(qū)采油廠，需要圍繞《規(guī)定》中相關(guān)完整性管理要求，結(jié)合自身管道建設(shè)現(xiàn)狀和生產(chǎn)運(yùn)行特點(diǎn)，在明確管理重點(diǎn)的基礎(chǔ)上，建立科學(xué)的管理體制，采取適宜的技術(shù)舉措，形成并持續(xù)優(yōu)化完整性管理體系，切實(shí)保障油田管道安全、平穩(wěn)運(yùn)行，減輕財(cái)產(chǎn)損失和安全環(huán)保壓力。

1 管道建設(shè)現(xiàn)狀及存在的問題

薩南油田成立于1964 年11 月，位于大慶長垣薩爾圖構(gòu)造南部，開發(fā)面積182.85 km2，目前已建成管道1 4601.9 km，運(yùn)行年限在20 年以上管道總量為5 027.3 km，管道運(yùn)行年限整體較長。管道具體運(yùn)行情況見表1。

同時(shí)，由于薩南油田大部分井、站、管網(wǎng)地處一級強(qiáng)腐蝕區(qū)域，管網(wǎng)發(fā)生不同程度的腐蝕，加之周邊作業(yè)、外力破壞等情況導(dǎo)致管道失效情況日益嚴(yán)重，嚴(yán)重影響安全平穩(wěn)運(yùn)行。土壤腐蝕性分布情況見圖1。從表1可以看出：運(yùn)行15年以上管道總長6 351.77 km，占薩南油田管道總量的43.5%；運(yùn)行20 年以上管道總長5 027.26 km，占薩南油田管道總量的34.43%；運(yùn)行25 年以上管道總長2 992.32 km，占薩南油田管道總量的20.49%；運(yùn)行30 年以上管道總長2 007.03 km，占薩南油田管道總量的13.75%。

圖1 薩南油田土壤腐蝕性分級圖Fig.1 Soil corrosivity classification diagram of Sanan Oilfield

表1 薩南油田管道分年限統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of Sanan Oilfield pipeline by year km

2 管道腐蝕失效調(diào)查

“十三五”期間，薩南油田管道失效率呈先上升后下降趨勢，平均失效率達(dá)0.79 km-1a-1，遠(yuǎn)高于油田平均水平。自2019 年起，薩南油田貫徹完整性管理理念，落實(shí)各項(xiàng)管理舉措，加強(qiáng)監(jiān)督監(jiān)管力度，初步扭轉(zhuǎn)了失效率逐年上升趨勢，截至2021年，實(shí)現(xiàn)管道失效率3 連降，全年失效率為0.44 km-1a-1。管道失效率變化趨勢見圖2。

圖2 近年來管道失效率變化情況Fig.2 Change of pipeline failure rate in recent years

2.1 按照輸送介質(zhì)統(tǒng)計(jì)的失效情況

2021 年，薩南油田全年管道失效6 487 次，主要集中在油集輸管道和注入管道，兩種類型管道失效次數(shù)高達(dá)6 351 次，占失效總數(shù)的97.9%。其中，油集輸管道失效3 345 次，占總量的51.56%；注入管道失效3 006次，占46.34%。各類型管道失效情況統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 2021年各類型管道失效情況統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of pipeline failure of different types in 2021

2.2 按照運(yùn)行年限統(tǒng)計(jì)的失效情況

薩南油田管道整體運(yùn)行年限較長，15 年以上管道總量占比43.50%，失效占比56.51%，腐蝕老化嚴(yán)重，失效率隨管道運(yùn)行年限增長顯著上升。各年限管道失效情況統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 2021年各年限管道失效情況統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistis of pipeline failure of different ages in 2021

2.3 按照管道分類統(tǒng)計(jì)的失效情況

2021 年，Ⅰ類管道失效次數(shù)占總量的0.11%，Ⅱ類管道占3.75%，Ⅲ類管道占96.15%。其中，Ⅲ類管道中的油集輸管道失效次數(shù)占該類管道失效總量的51.18%，Ⅲ類管道中的注入管道失效次數(shù)占該類管道失效總量的43.73%。各類別管道失效情況統(tǒng)計(jì)見表4。

表4 第二采油廠管道分類失效統(tǒng)計(jì)Tab.4 Statistis of pipeline failure of different classifications in No.2 Oil Production Plant

2.4 按照管道腐蝕類型統(tǒng)計(jì)的失效情況

2020 年金屬管道腐蝕失效6 889 次，占失效總次數(shù)的85.03%，其中外腐蝕占比59.07%，內(nèi)腐蝕占比40.93%；2021 年，金屬管道發(fā)生腐蝕失效5 733 次，占總次數(shù)的88.38%，外腐蝕占50.88%，內(nèi)腐蝕占49.12%，內(nèi)腐蝕失效占比明顯升高。管道內(nèi)、外腐蝕失效情況統(tǒng)計(jì)見表5。

表5 薩南油田管道內(nèi)、外腐蝕失效情況統(tǒng)計(jì)Tab.5 Statistis of internal and external corrosion failure of pipeline in Sanan Oilfield

3 腐蝕成因分析

3.1 外腐蝕

管道防腐保溫遭破壞，水、氧、微生物等腐蝕性成分通過外護(hù)層與金屬接觸，一方面使得管道處于腐蝕嚴(yán)重的環(huán)境中，一方面進(jìn)入保溫層的水分造成得絕緣性能消失，陰極保護(hù)的電流流失嚴(yán)重，致使陰極保護(hù)效果變差甚至失效[4]。外腐蝕原理見圖3。

圖3 外腐蝕原理Fig.3 External corrosion mechanism

3.2 內(nèi)腐蝕

薩南油田先后采用了水驅(qū)、聚合物驅(qū)、三元復(fù)合驅(qū)等多種驅(qū)油技術(shù)，管輸介質(zhì)對管道的腐蝕作用增強(qiáng)。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，腐蝕主要由氧化、細(xì)菌和結(jié)垢造成[5]，3 種因素分別占總因素的69.33%、25%、5.67%。內(nèi)腐蝕原理見圖4。

圖4 內(nèi)腐蝕原理Fig.4 Internal corrosion mechanism

4 管道完整性管理體系建設(shè)

目前，大慶油田完整性管理工作已全面鋪開，形成了以股份公司、油田公司相關(guān)完整性管理體系為核心的管理模式，但在實(shí)際運(yùn)行過程中下屬各單位管理側(cè)重點(diǎn)有所不同，工作模式及系統(tǒng)建設(shè)不盡相同[6]。同時(shí)，油田公司明確了“十四五”期間，各采油廠管道失效率的控制目標(biāo)，要求在5年內(nèi)實(shí)現(xiàn)管道失效率全達(dá)標(biāo)。鑒于當(dāng)前薩南油田管道失效率仍高于油田平均水準(zhǔn)，且距離失效率目標(biāo)仍有較大差距的現(xiàn)狀，在今后一段時(shí)間內(nèi)，控制管道腐蝕失效依舊是完整性管理工作的核心。

通過前期對管道腐蝕失效情況的排查和成因分析，掌握了管道腐蝕失效的基本規(guī)律和影響因素，明確了管道失效“廣泛性、系統(tǒng)性、多樣性”這一顯著特征[7]，需據(jù)此建立一套適宜薩南油田以“管道腐蝕防控”為核心的完整性管理體系，對管道全生命周期采取切實(shí)有效的腐蝕防控措施，保障“十四五”末管道失效率達(dá)標(biāo)。薩南油田完整性管理體系架構(gòu)見圖5。

圖5 完整性管理體系構(gòu)架圖Fig.5 Framework of integrity management system

4.1 管道完整性管理體系構(gòu)建

4.1.1 健全組織機(jī)構(gòu)，明確分工職責(zé)

實(shí)施“廠-礦-隊(duì)”三級管理體系，明確職責(zé)分工，精簡運(yùn)轉(zhuǎn)流程，落實(shí)管理責(zé)任，推動管理效率提升。其中，油田管理部負(fù)責(zé)組織貫徹落實(shí)公司級管理要求，推進(jìn)、實(shí)施、生產(chǎn)協(xié)調(diào)工作；工藝研究所負(fù)責(zé)開展完整性相關(guān)規(guī)劃、設(shè)計(jì)和科研攻關(guān)工作；生產(chǎn)運(yùn)行部負(fù)責(zé)管道物資采購，產(chǎn)品質(zhì)量把控；監(jiān)督管理中心負(fù)責(zé)防腐工程施工組織，施工質(zhì)量監(jiān)督驗(yàn)收等工作；作業(yè)區(qū)、班組依據(jù)公司、廠級各部門完整性管理要求，落實(shí)崗位職責(zé)，充分發(fā)揮基層管理職能。

4.1.2 完善制度體系，優(yōu)化工作流程

結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，完善制度體系，制定了《第二采油廠地面工程腐蝕與防護(hù)技術(shù)管理辦法（試行）》，并配套編制了管理規(guī)定和實(shí)施細(xì)則，進(jìn)一步明確了職責(zé)權(quán)限，突出了管理重點(diǎn)，細(xì)化了操作內(nèi)容，為完整性管理工作實(shí)現(xiàn)良性循環(huán)奠定制度基礎(chǔ)。體系文件編制情況見表6。

表6 薩南油田管道完整性管理體系文件Tab.6 Files of pipeline integrity management system of Sanan Oilfield

4.1.3 落實(shí)主體責(zé)任，強(qiáng)化執(zhí)行落實(shí)

實(shí)施“周-月-季-年”防腐月報(bào)模式，分作業(yè)區(qū)統(tǒng)計(jì)管道腐蝕穿孔率、陰保系統(tǒng)投運(yùn)率、在建防腐工程完成率等動態(tài)關(guān)鍵數(shù)據(jù)指標(biāo)，并按照管理時(shí)間節(jié)點(diǎn)，做好動態(tài)跟蹤、匯總分析、整改監(jiān)督、定向指導(dǎo)、總結(jié)回顧等工作，形成“周觀察、月匯總、季分析、年強(qiáng)化”的良性監(jiān)督管理氛圍，全面掌握完整性管理各項(xiàng)工作進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)動態(tài)管理。

4.2 開展的主要工作及效果

4.2.1 扛住資金壓力，加大管道陰保設(shè)施更新改造力度

（1）多渠道安排管道更新項(xiàng)目，減少腐蝕失效“存量”。“十三五”期間，在產(chǎn)能、老改、安全隱患治理中安排管道類項(xiàng)目27項(xiàng)，更換管道1 587 km，總投資5.23 億元，預(yù)計(jì)每年減少管道腐蝕失效1 562次。

（2）開展油管修舊利廢，節(jié)省更新更換投資。為了節(jié)省投資，增加管道更換數(shù)量，修舊利廢，利用舊油管重做防腐保溫管道，年均利舊油管60 km，“十三五”期間節(jié)省投資約1 523萬元。

（3）維修維護(hù)陰保設(shè)施，控制腐蝕失效“增量”。通過結(jié)余資金，生產(chǎn)維修等渠道恢復(fù)陰極保護(hù)設(shè)施，提高陰保系統(tǒng)投運(yùn)率和保護(hù)電位合格率。截至目前，調(diào)試外加電流陰極保護(hù)系統(tǒng)70 套，完成35 座站場，49 套系統(tǒng)的維修恢復(fù)工作，管道腐蝕防護(hù)條件顯著改善。

4.2.2 強(qiáng)化建設(shè)期管道完整性管理

（1）開展入廠材料質(zhì)量檢驗(yàn)，做好源頭質(zhì)量控制。結(jié)合國家標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，制定《第二采油廠防腐質(zhì)量抽樣檢驗(yàn)技術(shù)管理辦法》，明確檢測項(xiàng)目和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，出具管材防腐質(zhì)量抽檢公報(bào)。近3年，共開展質(zhì)量抽檢46 批次、320.22 km。對存在質(zhì)量缺陷的43.25 km管材，全部進(jìn)行了質(zhì)量整改，有效杜絕了問題管材入廠。

（2）開展施工期過程質(zhì)量監(jiān)督，保障隱蔽工程質(zhì)量。嚴(yán)格按照技術(shù)規(guī)范，檢查施工單位的施工環(huán)節(jié)及操作流程，杜絕各類違規(guī)作業(yè)發(fā)生；針對因交叉施工造成的場地破壞、陰極保護(hù)系統(tǒng)故障、設(shè)施損壞等問題，嚴(yán)格追責(zé)，有效保障施工過程工藝質(zhì)量。

（3）開展竣工期質(zhì)量驗(yàn)收審核，確保工程投產(chǎn)質(zhì)量。針對防腐設(shè)施建設(shè)多為隱蔽工程的特點(diǎn)，搶先開展管道補(bǔ)傷補(bǔ)口、恒電位儀調(diào)試、犧牲陽極埋設(shè)等單項(xiàng)環(huán)節(jié)埋地前的施工質(zhì)量驗(yàn)收工作。針對已埋地工程，嚴(yán)格比對設(shè)計(jì)圖紙及施工規(guī)范，按照總圖管理要求，進(jìn)行坐標(biāo)信息錄取和現(xiàn)場開挖驗(yàn)證工作，實(shí)現(xiàn)了近3年防腐工程竣工驗(yàn)收全合格。

4.2.3 靠實(shí)運(yùn)行期管道完整性管理

（1）加強(qiáng)雙高管道管理，突出管理重點(diǎn)。結(jié)合薩南油田埋地管網(wǎng)特點(diǎn)，開展“雙高”管道篩查，制定精準(zhǔn)管理措施，編制“雙高”管道管理方案和應(yīng)急處置程序，優(yōu)先開展管道更新、檢測及修復(fù)工作，有效降低管道失效率，實(shí)現(xiàn)了“雙高”管道數(shù)量逐年遞減的態(tài)勢，由2019 年的81 條遞減為2022年的31條

（2）開展完整性檢測評價(jià)及修復(fù)，延長管道使用年限。制定“管道檢測評價(jià)與修復(fù)工作原則與策略”，確定完整性檢測評價(jià)、外防腐層修復(fù)、管體修復(fù)技術(shù)，采取基層站隊(duì)人員全程跟蹤，防腐管理人員隨機(jī)抽查方式，從破損點(diǎn)定位精準(zhǔn)度、修復(fù)過程規(guī)范性、破損點(diǎn)質(zhì)量后評價(jià)等方面入手，規(guī)范修復(fù)流程，提高了資金利用率。

（3）規(guī)范化管道失效治理，減少重復(fù)失效概率。按照《薩南油田埋地金屬管道維修維護(hù)技術(shù)規(guī)程》，嚴(yán)格執(zhí)行“穿孔定位→土方開挖→漏點(diǎn)補(bǔ)焊→防腐層修復(fù)→保溫層修復(fù)→防護(hù)層修復(fù)→土方回填”的管道補(bǔ)漏施工程序，有效降低漏點(diǎn)處的二次穿孔，大大減輕了基層失效處理的工作量。

（4）加強(qiáng)陰極保護(hù)運(yùn)維管理，改善腐蝕防護(hù)環(huán)境。在犧牲陽極保護(hù)方面，定期開展運(yùn)行現(xiàn)狀調(diào)查，針對存在檢測樁丟失，陽極體損壞失效，電纜丟失、挖斷等問題，通過專項(xiàng)計(jì)劃進(jìn)行維修恢復(fù)；在外加電流陰極保護(hù)方面，加強(qiáng)日常運(yùn)行維護(hù)，采取“運(yùn)行記錄周報(bào)，陽極地床電阻季報(bào)，運(yùn)行狀況年查”的管理模式，實(shí)現(xiàn)了陰極保護(hù)率達(dá)到100%，陰極保護(hù)系統(tǒng)運(yùn)行率達(dá)到98%以上的目標(biāo)。

4.2.4 加快完整性數(shù)字化建設(shè)，提高工作效率

開發(fā)應(yīng)用基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的薩南油田管道完整性管理系統(tǒng)[8]，實(shí)現(xiàn)管道自動分級分類，高后果區(qū)識別劃分，風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果可視化展示等功能，并實(shí)現(xiàn)A5 數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)交聯(lián)，可進(jìn)行條件查詢、數(shù)據(jù)定位、單向調(diào)取信息等，進(jìn)一步提升管道動靜態(tài)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度。管理系統(tǒng)相關(guān)功能展示見圖6—圖8。

圖6 平臺系統(tǒng)界面Fig.6 Platform system interface

圖7 高后果區(qū)管線識別Fig.7 High consequence area pipeline identification

圖8 風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)可視化展示Fig.8 Risk assessment visual display

4.2.5 全力推進(jìn)無泄漏示范區(qū)建設(shè)

以大慶油田首個(gè)無泄漏示范區(qū)建設(shè)工程為依托，探索管道腐蝕治理專業(yè)模式。技術(shù)上，采取“兩防兩治”措施；管理上，建立工作流程和規(guī)定，形成控制管道泄漏發(fā)生的生產(chǎn)管理制度，全面降低示范區(qū)管道腐蝕失效風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，通過示范區(qū)建設(shè)工作的深入開展，要逐步完善管網(wǎng)區(qū)域陰極保護(hù)技術(shù)[9-10]、管道內(nèi)腐蝕直接評價(jià)技術(shù)、管道完整性檢測評價(jià)與維修維護(hù)技術(shù)，并總結(jié)歸納形成無泄漏工程建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)做法及完整性管理技術(shù)系列，為后續(xù)油田管道腐蝕失效治理工作提供指導(dǎo)和借鑒。

5 結(jié)論

面對完整性管理工作的新形勢、新要求，老區(qū)采油廠要持續(xù)推進(jìn)管理體系優(yōu)化，充分認(rèn)識到以下幾點(diǎn)：

（1）精細(xì)體系制度建設(shè)，是傳遞完整性管理理念，落實(shí)各項(xiàng)主體工作的前提。要注重頂層設(shè)計(jì)與驅(qū)動，構(gòu)建三級管理體系，明確各部門職責(zé)分工，編制、完善完整性管理各環(huán)節(jié)規(guī)章制度，層層傳遞任務(wù)壓力，扎實(shí)推進(jìn)各項(xiàng)工作，確保管道完整性管理工作有據(jù)可依、有章可循、責(zé)任落實(shí)，執(zhí)行有力。

（2）嚴(yán)抓建設(shè)期工程管理，是控制先期防腐缺陷，保障隱蔽施工質(zhì)量的關(guān)鍵。針對建設(shè)期完整性管理工作，要嚴(yán)格把控入廠材料質(zhì)檢、施工過程質(zhì)量監(jiān)督、總圖管理竣工驗(yàn)收等環(huán)節(jié)工藝，切實(shí)避免先期材料及施工缺陷，有效保障防腐隱蔽工程質(zhì)量

（3）優(yōu)化運(yùn)行期工作管理，是延長管道使用壽命，實(shí)現(xiàn)降風(fēng)險(xiǎn)控投資的核心。針對運(yùn)行期完整性管理工作，要圍繞“降風(fēng)險(xiǎn)、控投資”這一管理核心，制定各項(xiàng)工作總體思路及原則，制定管理方案，優(yōu)選適宜技術(shù)，做好陰極保護(hù)系統(tǒng)維修維護(hù)，加強(qiáng)“雙高”管道管控和管道完整性檢測評價(jià)及修復(fù)工作，以持續(xù)降低腐蝕失效引起的安全環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)和成本投資。

（4）推動數(shù)字化建設(shè)進(jìn)程，是突破人員技術(shù)局限，提升工作效率的有效途徑。要圍繞管道腐蝕與防護(hù)現(xiàn)存的主要問題，開展數(shù)字化技術(shù)攻關(guān)，通過CAD 圖形數(shù)據(jù)庫、ARCGIS 系統(tǒng)和A5 2.0 數(shù)據(jù)庫等數(shù)字化平臺相結(jié)合，提升管道數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、高后果區(qū)識別、動態(tài)結(jié)果展示等方面工作效率和準(zhǔn)確性，最終實(shí)現(xiàn)減員增效，增強(qiáng)完整性管理時(shí)效性的目標(biāo)。