耐酸混砂車優化改造技術

艾 昆，孫好文

（中石化華北石油工程有限公司，河南鄭州 450006）

1 設備現狀

混砂車是油氣田儲層改造加砂壓裂的關鍵設備，目前常用的混砂車液體過流部分采用碳素鋼加工制作，耐酸性差，不能滿足酸中加砂的壓裂工藝要求，因此需對其進行改造。

某混砂車采用雙吸雙排模式，兩邊均可作為吸入端或排出端接入吸入或排出管線，自2009 年投產以來一直用于加砂壓裂。該車的液體吸入/排出管路以及混合罐全部采用碳鋼加工制作，耐鹽酸腐蝕性能差，擬對其進行改進升級。從拆解后的管路內壁和混合罐來看，因長期使用壓裂液體內壁腐蝕嚴重（圖1）。

圖1 銹蝕的管匯內壁

2 改造方案

對該混砂車進行耐酸性改造，主要是對管匯、混合罐及其他附件等的優化，改造難點是耐鹽酸材料的選擇。

2.1 鹽酸的特性

鹽酸是一種典型的非氧化性強酸。在各種化學試劑和強腐蝕性介質中耐蝕的鋼稱為不銹耐酸鋼，但常用的奧氏體不銹耐酸鋼不耐鹽酸腐蝕。研究試驗表明，奧氏體不銹耐酸鋼在鹽酸、氫氟酸等非氧化性酸中，其耐腐蝕性能與普通碳鋼差別不大。

很多不銹鋼可以耐氫氟酸或濃硫酸，但耐鹽酸性能一般，如奧氏體316L 不銹鋼耐常溫濃度低于15%的稀硫酸或濃度大于85%的濃硫酸。研究表明，雙相不銹鋼在氫氟酸中耐腐蝕性較好，主要是因為能形成穩定、致密、可靠的鈍化膜，而雙相不銹鋼在鹽酸中形成的鈍化膜不致密、不穩定。

2.2 混砂車吸入和排出管匯

2.2.1 管匯選材

現有廠家生產的耐酸混砂車吸入端通常采用鋼襯塑或不銹鋼，排出端采用不銹鋼，可能原因是基于吸入端沒有砂的沖刷、以耐酸為主。不銹鋼的耐砂沖刷性能優于鋼襯塑，排出端考慮到有砂的沖刷而選用不銹鋼。

需要改造的混砂車輸送的壓裂液呈強堿性，pH 值一般為10～11，對普通碳素鋼的腐蝕性較強。實際使用中，混砂車壓裂完工后用清水對管路進行沖洗，但難以沖洗徹底干凈且通風不暢，管路內壁腐蝕難以避免。從拆解后的吸入和排出管路內壁來看，內壁存在的問題主要是腐蝕，排出管路的沖刷并不明顯，只是在排出砂泵的排出彎管處沖刷痕跡較明顯。因此，需要對管匯的選材進行優化、創新。

2.2.2 優化方案

理論和大量的實踐表明，鋼襯塑的耐酸性優于常用的奧氏體不銹鋼，特別是石油工程行業酸化壓裂常使用的鹽酸。優化方案主要分兩個部分進行：

（1）吸入/排出管路。由于是雙吸雙排，再加上砂子對管路的沖刷并不明顯，所有管匯內壁主要是壓裂液的堿性腐蝕，因此所有管路優先考慮的是耐鹽酸腐蝕，在排出砂泵出口彎管只需要考慮如何耐砂的沖刷。因此，吸入/排出管路采用鋼襯F-4（即聚四氟乙烯，簡稱PTFE）。鋼襯F-4 是比較成熟的工藝，在化工耐酸領域由于管路復雜、焊縫較多，采用鋼襯塑明顯優于316L不銹鋼管路。

（2）砂泵排出彎管部分。鋼襯F-4 耐酸耐堿性能優越，但耐砂的沖刷性能差，不銹鋼耐沖刷性能尚可但耐酸性一般，經調研一種超高分子量的聚乙烯可供選擇。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是當今世界三大高科技特種纖維之一，分子量在200 萬以上，具有質輕、耐磨、耐腐蝕、強度高等特點，其耐磨性是碳鋼的5 倍以上，已在軍工、航天和民用等領域得到應用。其缺點是加工難度大，在復雜管路難以進行內襯，但在結構簡單的直管和彎管可以進行內襯。聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯表面都很光滑，摩擦因數很小（聚四氟乙烯的摩擦因數為0.04，超高分子量聚乙烯的小于0.09、碳鋼的大于0.3），有利于液體的流動（圖2～圖3）。

圖2 襯過F-4 的法蘭

圖3 襯過UHMWPE 的彎管

2.3 混合罐

需要改造的原車混合罐為單罐單層結構，排量較大時存在混合罐中心區域液面較低而供液不平穩的現象。

2.3.1 結構形式

近年來，主流混砂車制造廠家生產的混砂車混合罐采用雙層罐結構，即罐中套罐的立式攪拌罐結構，較單層攪拌罐主要有以下優點：

（1）確保高砂比、大排量工況下能連續、均勻混合：吸入離心泵排出的液體從側面進入外層罐中，在外腔形成切向流動，液體在外腔中循環后，通過徑向孔流向內腔，并與螺旋輸砂器輸來的支撐劑（石英砂或陶粒砂）充分混合。由于內腔表面積較大，支撐劑被完全浸濕，在攪拌器作用下支撐劑和原膠液連續攪拌成均勻的攜砂液，在內腔底部排出口到排出砂泵之間最大限度減少氣體產生，也避免了混合罐液面過低導致的排出泵抽空現象。

（2）保證小砂比和小排量時的混合效果：罐中套罐的結構結合了大表面積原理，同時保證小砂比和小排量時的混合效果，確保攜砂液在混合罐中停留最短的時間，避免沉砂，并增加添加劑添加系統及控制系統的精確性。

基于以上優點，本次混砂車改造優選罐中套罐的雙層罐結構，并配有雷達液位監測系統，以實現液面高度的自動控制。

2.3.2 罐體選材

聚四氟乙烯的耐鹽酸性能明顯優于常用的奧氏體不銹鋼，但混合罐襯塑存在一定難度，而耐鹽性腐蝕性能好的哈氏合金、因科乃爾合金等價格較高，性價比較差。

酸化壓裂所用鹽酸濃度已稀釋到20%左右，并添加一定比例緩蝕劑，腐蝕性已經降低，其對管路、罐體等的腐蝕位置主要是焊縫（無論是普通碳素鋼還是316L 不銹鋼）。焊縫腐蝕較快的主要原因是焊縫的晶間腐蝕，其他部位腐蝕速率很慢，罐體也并非長時間存放鹽酸，作業完工后可及時清洗并保持通風。因此，可采用316L 奧氏體不銹鋼焊接罐體，但應盡量避免或減輕焊縫的晶間腐蝕，一旦焊縫發生明顯腐蝕則應及時進行補焊處理。

2.3.3 減少晶間腐蝕的措施

焊縫晶間腐蝕是最常見的腐蝕破壞形式之一。根據貧鉻理論，焊縫和熱影響區在加熱到450～850 ℃時，在晶界上析出高鉻碳化鉻，使晶間鉻含量降低至鈍化所必需的最低含量（11%）以下、形成貧鉻區。當與腐蝕性介質接觸時，晶間貧鉻區相對于碳化物和固溶體其他部分將形成小陽極對大陽極的微電池，從而發生嚴重的晶間腐蝕。

2.3.3.1 影響因素分析

由保溫時間、溫度和晶間腐蝕的關系可知，影響晶間腐蝕的因素主要有溫度和時間（圖4）。

圖4 保溫時間、溫度和晶間腐蝕的關系

（1）溫度低于450 ℃時，碳原子等沒有足夠的擴散能量，不會析出碳化物。

（2）溫度高于850 ℃時，碳化物有可能會析出，但很快又會重新溶入奧氏體中，因此不會造成晶間腐蝕。

（3）溫度處于450～850 ℃時，如果時間很短、碳來不及擴散到邊界，貧鉻亦不會發生；如果時間很長，鉻就會充分擴散到晶界進行補充，使晶間的貧鉻消失或達到鈍化所需的鉻濃度，即出現“二次穩定狀態”，也不會發生晶間腐蝕。

2.3.3.2 減少晶間腐蝕的措施

根據上述分析，為有效較少晶間腐蝕的發生，進行焊縫焊接時宜采取以下措施。

（1）超低碳法：控制焊縫和母材的含碳量低于0.04%，可大幅降低碳化鉻的析出量；316L 不銹鋼含碳量為0.03%，而316 不銹鋼的含碳量為0.08%、其性能不及316L。

（2）控制在危險溫度區的停留時間。采用小電流、快速焊，快焊快冷，使碳來不及析出。一般焊接電流應比焊接低碳素鋼小20%，多層焊時應等前面冷卻徹底后再焊下一層。

（3）穩定化退火：加熱到850～900 ℃、保溫2～5 h后空冷，在這個溫度區元素在金屬中的擴散非常快，使晶粒各處的鉻量均勻，進入二次穩定區。

2.4 其他零部件

其他部件主要有吸入離心泵、排出砂泵以及各尺寸蝶閥。

（1）離心泵選擇鋼襯F-4 耐酸化工泵。

（2）砂泵選擇高硅鑄鐵泵。由于陶粒砂的巨大沖刷效應，砂泵選用高硅鑄鐵材料。硅含量為14.5%～18.0%的鐵碳合金稱為高硅鑄鐵，依靠硅合金化而獲得鈍化能力，在任何濃度的硫酸、磷酸、室溫的鹽酸等溶液中有良好的耐蝕性。

（3）采用常規的塑料蝶閥。

3 結束語

排出/吸入管匯采用鋼襯塑工藝進行耐酸防腐，主要是基于管匯結構復雜、焊縫太多、通風不暢等因素，而混合罐采用奧氏體316L 不銹鋼材料焊接，主要是其結構簡單、焊縫少、易于通風等因素，即使出現局部腐蝕也易于修補。

改造后的耐酸混砂車既可用于酸中加砂壓裂工藝，也可用于常規加砂壓裂工藝或酸化壓裂工藝，而且塑料摩擦因數明顯低于普通碳素鋼，有利于液體流動，充分保障吸入、供液。該改造工藝主要有兩個創新點，一是吸入/排出管路首次全部采用鋼襯F-4，二是首次將超高分子量聚乙烯（UPE）材料應用于耐酸混砂車管路。同時，對采用316L 奧氏體不銹鋼焊接混合罐焊縫的晶間腐蝕提出了控制措施，能有效避免或減少焊縫的晶間腐蝕。