海底管道腐蝕發(fā)展分布及監(jiān)測(cè)方案研究

張少洋，郝 林，袁 云，楊 召，鄔環(huán)宇

（中海安全技術(shù)服務(wù)股份有限公司，天津 300457）

0 引言

海底管道是保障海洋油氣生產(chǎn)的重要設(shè)施[1]。海底管道失效因素包括設(shè)計(jì)制造安裝缺陷、腐蝕、第三方破壞、誤操作、結(jié)構(gòu)缺陷、自然災(zāi)害等，其中內(nèi)腐蝕是海底管道失效的最主要誘因之一[2]。海底輸油管道中一般含有水、二氧化碳（CO2）、硫化氫（H2S）等腐蝕性介質(zhì)，或含有硫酸還原菌、腐生菌、鐵細(xì)菌等誘發(fā)腐蝕的微生物，如果管控不當(dāng)則發(fā)生內(nèi)腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)較大[3-5]。

對(duì)于混輸海管的內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，在工程建設(shè)階段和生產(chǎn)運(yùn)行階段各有相應(yīng)的管控措施，主要包括：

（1）工程建設(shè)階段（管道完整性建立階段）：設(shè)計(jì)單位基于生產(chǎn)工藝要求，開(kāi)展擬輸送介質(zhì)組分分析，預(yù)測(cè)管道全生命周期腐蝕發(fā)展，并提出化學(xué)藥劑灌注要求和效能指標(biāo)要求、設(shè)計(jì)管壁腐蝕余量。

（2）生產(chǎn)運(yùn)行階段（管道完整性保持階段）：生產(chǎn)管理單位一般采用腐蝕間接監(jiān)測(cè)或控制措施，包括持續(xù)監(jiān)測(cè)管道介質(zhì)組分、運(yùn)行工藝、腐蝕掛片情況，定期開(kāi)展清管通球以避免管道內(nèi)壁積累污垢，并進(jìn)行緩蝕劑效能實(shí)驗(yàn)[6-7]；有條件的應(yīng)開(kāi)展直接檢測(cè)，如水下ROV（Remote Operated Vehicles，無(wú)人遙控潛水器）檢測(cè)、MTM（非接觸式管道磁力）檢測(cè)或智能內(nèi)檢測(cè)等。

對(duì)于沒(méi)有條件開(kāi)展直接檢測(cè)的海底管道，受管道生產(chǎn)運(yùn)行工藝（時(shí)域分布）波動(dòng)影響，如壓力、溫度、含水量、水硬度、介質(zhì)組分、流量等，以及管道沿程（空間分布）流行流態(tài)變化、緩釋劑效能、局部沉積結(jié)垢等多方面的影響，管道內(nèi)腐蝕的發(fā)展趨勢(shì)與工程建設(shè)階段的設(shè)計(jì)預(yù)估、生產(chǎn)階段的間接評(píng)估存在一定差異。因此，某油田新建海底管道在工程建設(shè)階段擬于管壁外安裝在線超聲監(jiān)測(cè)設(shè)備，以監(jiān)測(cè)運(yùn)行階段管道壁厚變化情況。本文基于在役相似運(yùn)行條件管道的內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)該新建管道壁厚監(jiān)測(cè)點(diǎn)位布置方案進(jìn)行研究。

1 海底管道內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置

（1）對(duì)于混輸管道，受砂沉積、水沉積影響，一般在管道底部結(jié)垢或形成原電池系統(tǒng)，造成內(nèi)腐蝕；受介質(zhì)油水、油氣兩項(xiàng)界面腐蝕性粒子濃差影響，形成原電池，造成內(nèi)腐蝕。所以，管道底部（6 點(diǎn)鐘位置兩側(cè)附近）油氣、油水界面（根據(jù)含水量確定）是內(nèi)腐蝕的高風(fēng)險(xiǎn)位置。

（2）對(duì)于注水管道，如水相充滿管道，則受沉積砂影響，管道底部易發(fā)生垢下腐蝕，因此管道底部（6 點(diǎn)鐘位置兩側(cè)附近）是發(fā)生內(nèi)腐蝕的高風(fēng)險(xiǎn)位置。此外，如水未充滿管頂、緩蝕劑難以達(dá)到管頂，也可能因環(huán)形水膜或凝珠發(fā)生管頂腐蝕（0 點(diǎn)鐘位置兩側(cè)附近）。

2 某油田新建管道含水率情況

某油田擬新建海底混輸、注水管道。該油田產(chǎn)出物屬于低凝原油，在役海底混輸管道含水率約70%，新建管道海底混輸管道運(yùn)行條件與在役管道相似，設(shè)計(jì)含水率、起輸溫度（圖1）。

圖1 在役混輸管道含水率、起輸溫度

3 油田在役管道腐蝕情況分析

該油田在役混輸及注水海底管道現(xiàn)已運(yùn)行15 年，內(nèi)檢測(cè)時(shí)構(gòu)成一個(gè)通球回路。2021 年內(nèi)檢測(cè)結(jié)果如圖2 和圖3 所示，共發(fā)現(xiàn)超過(guò)5%壁厚的內(nèi)腐蝕缺陷31 處、外腐蝕缺陷55 處，其中最大內(nèi)腐蝕深度達(dá)到16%、最大外腐蝕深度達(dá)到14%。

圖2 2021 年管道內(nèi)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)腐蝕缺陷數(shù)量統(tǒng)計(jì)

圖3 2021 年管道內(nèi)檢測(cè)結(jié)果腐蝕缺陷時(shí)鐘分布統(tǒng)計(jì)

根據(jù)內(nèi)檢測(cè)報(bào)告中的“管道特征數(shù)據(jù)”，結(jié)合外勘數(shù)據(jù)構(gòu)建的缺陷與管道傾角如圖4～圖6 所示。

圖4 2021 年管道內(nèi)檢測(cè)主要缺陷時(shí)鐘分布情況

圖5 2021 年管道內(nèi)檢測(cè)主要缺陷情況

圖6 2021 年管道外部勘察管道沿程傾角情況

基于python 的sklearn 線性回歸方法，分析管道缺陷深度、時(shí)鐘位置、管道傾角之間的關(guān)系（圖7）。

圖7 管道缺陷時(shí)鐘位置、缺陷深度、傾角間的關(guān)系

對(duì)圖7 的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)：

（1）混輸及注水管道的腐蝕點(diǎn)位時(shí)鐘分布比較均勻，未見(jiàn)明顯的集中趨勢(shì)，各個(gè)時(shí)鐘位置腐蝕深度發(fā)展深度基本一致，表明注水管道全液面與管壁接觸無(wú)底部腐蝕傾向。

（2）管道沿程傾角在-1°～1.5°時(shí)，腐蝕缺陷點(diǎn)位時(shí)鐘分布、腐蝕深度發(fā)展受管道傾角影響較小，表明管道腐蝕受沉積因素的影響較小。

（3）平臺(tái)收發(fā)球端管段、立管段是腐蝕缺陷數(shù)量集中的區(qū)域，該區(qū)域腐蝕點(diǎn)位時(shí)鐘分布趨勢(shì)、深度發(fā)展趨勢(shì)與管道全程基本一致。

因此，對(duì)平臺(tái)端管段進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)可以從一定程度上反映海底管道內(nèi)腐蝕狀態(tài)情況。

4 其他相似運(yùn)行條件管道腐蝕數(shù)據(jù)分析

參考某公司“管道腐蝕數(shù)據(jù)庫(kù)”中其他相似運(yùn)行條件管道的腐蝕數(shù)據(jù)情況，分析如下。

4.1 混輸管道

數(shù)據(jù)庫(kù)中，管道長(zhǎng)度、運(yùn)行工藝條件與擬建管道接近的混輸管道有3 條，分別為第32 號(hào)、第30 號(hào)和第14 號(hào)混輸管道。這3 條管道均屬油、氣、水混輸海底管道，管道長(zhǎng)度、運(yùn)行工藝條件與擬建管道接近：第32 號(hào)管道自底部至氣液兩項(xiàng)交界處之間有明顯的腐蝕發(fā)展，基本上無(wú)管頂腐蝕情況（圖8a））；第30 號(hào)混輸管道底部和油水交界處有明顯的腐蝕點(diǎn)位聚集，基本上無(wú)管頂腐蝕情況（圖8b））；第14 號(hào)管道底部有明顯的腐蝕點(diǎn)位聚集（圖8c））。其中，腐蝕時(shí)鐘圖形左右對(duì)稱，0 點(diǎn)位置為底部、6 點(diǎn)位置為頂部（下同）。

圖8 混輸管道的腐蝕時(shí)鐘分布

4.2 注水管道

管道的長(zhǎng)度、運(yùn)行工藝條件與擬建管道接近的注水管道有兩條，分別是第31 號(hào)、第21 號(hào)管道，其中第31 號(hào)注水管道的底部到頂部均有一定量的腐蝕點(diǎn)，但腐蝕點(diǎn)數(shù)量由底部至頂部呈梯度分布（圖9a））；第21 號(hào)注水管道底部到頂部均有一定量的腐蝕點(diǎn)，但腐蝕點(diǎn)數(shù)量由底部至頂部呈均勻分布（圖9b））。

圖9 注水管道的腐蝕時(shí)鐘分布

5 海管壁厚監(jiān)測(cè)位置方案

受含水率較高影響，新建混輸管道油水界面較高，結(jié)合內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，擬在混輸管道平臺(tái)段彎頭附近0、2、6 點(diǎn)鐘位置和注水管道平臺(tái)段彎頭附近0、4、6 點(diǎn)鐘位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)位（圖10）。

圖10 管道監(jiān)測(cè)位置

6 結(jié)論

本文對(duì)在役混輸、注水管道內(nèi)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究、比對(duì)、分析，并提出新建相似運(yùn)行條件海底管道的腐蝕檢測(cè)方案，在工程建設(shè)階段于管壁外安裝在線超聲監(jiān)測(cè)設(shè)備，以監(jiān)測(cè)運(yùn)行階段管道完整性情況。研究發(fā)現(xiàn)：

（1）平臺(tái)收發(fā)球端管段、立管段是腐蝕缺陷數(shù)量集中的區(qū)域，該區(qū)域腐蝕點(diǎn)位時(shí)鐘分布趨勢(shì)、深度發(fā)展趨勢(shì)與管道全程基本一致，因此對(duì)平臺(tái)端管段進(jìn)行腐蝕監(jiān)測(cè)可以在一定程度上掌握海底管道內(nèi)的腐蝕狀態(tài)、情況。

（2）對(duì)于同一管截面，管底附近、油水交界面附近、油氣交界面附近是腐蝕發(fā)展較快區(qū)域，應(yīng)針對(duì)這些區(qū)域加強(qiáng)局部腐蝕監(jiān)測(cè)。

（3）在生產(chǎn)運(yùn)行階段，油、氣、水等介質(zhì)流量及占比情況對(duì)局部腐蝕分布有較大影響。