表 1核桃殼過濾器撬塊內管線內的工況參數
Table 1.The working parameters of the pipeline in walnut shell filter skid
中東某油田的核桃殼過濾器撬塊內管線,從2014年至今,腐蝕穿孔頻繁,盡管更換核桃殼過濾器塊橇內管線的費用并不高,但給油田的正常計劃生產造成了諸多不便。
核桃殼過濾器位于中央處理站水處理系統,位于緩沖罐與注水罐之間,主要用于清除油田采出水的懸浮物、結垢物等雜質,達到凈化水質的目的。核桃殼過濾器撬塊內由2″-12″的管線、三通及彎頭構成,其中管線材料均為L245鋼,其特點是空間緊湊、管線復雜,相鄰管線間最短距離僅為25.6 cm。此外,在管線上多處安裝有儀表引壓管、排污管等小分支管。核桃殼過濾器撬塊內管線的運行溫度為55~60 ℃,運行壓力較低,約為0.5 MPa,日處理量為5 520 m2(詳細工況參數如表1所示)。由于采出水礦化度高,且總硫含量較高(詳細離子含量如表2所示),管線存在垢下腐蝕的風險。
表 2核桃殼過濾器撬塊內管線中的水介質成分及pH
Table 2.Composition and pH of water medium of the pipeline in walnut shell filter skid
為徹底解決核桃殼過濾器撬塊內管線的腐蝕問題,筆者從調研、試驗、施工與經濟性評價等方面,優選出耐蝕性好、易加工且經濟性較好的管材,保障核桃殼過濾器順利運行。
1. 管材的篩選
通過文獻調研了國內油氣田水處理系統在用管材的應用情況,初步篩選出了四種適用于核桃殼過濾器撬塊內管線的管材。其中,金屬管材的篩選依據為類似工況下的耐蝕性,非金屬管材的篩選依據為耐溫性及其與水介質的相容性。具體調研結果如下。
陜北某天然氣處理廠回注水系統中主要采用L245鋼,少數設施采用316L不銹鋼。現場回注水(礦化度29 794.94 mg/L)中腐蝕掛片結果表明,L245鋼掛片的腐蝕速率為0.149 3 mm/a,316L不銹鋼掛片的腐蝕速率為0.001 2 mm/a。總體來看,316L不銹鋼腐蝕較輕微[1]。針對長慶油田某區域油水混合采出液的腐蝕,孫銀娟等[2]采用腐蝕加速試驗,研究了55 ℃、10 000 mg/L Cl-、100 mg/L Ca2+下316L不銹鋼的耐蝕性。結果表明,316L不銹鋼的腐蝕速率低于0.003 7 mm/a,表現出良好的耐蝕性。
針對烏石區塊典型高礦化地層水的腐蝕,馬磊等[3]研究了含Cr低合金鋼(Cr質量分數為1%~5%)在高溫高壓高礦化度環境中的耐腐蝕性能。研究指出,Cr含量的升高使低合金鋼的均勻腐蝕和局部腐蝕速率均呈現下降趨勢。后續選取應用較廣泛的3Cr低合金鋼(以下簡稱3Cr鋼)進行評價。
抗菌不銹鋼具有良好的抗菌性,其中含Cu抗菌不銹鋼應用最為廣泛[4-5],對比了有無添加Cu元素的X80管線鋼的耐微生物腐蝕性能。結果表明,含Cu的X80管線鋼表面只產生少量的點蝕坑,且分布不均勻,不含Cu的X80鋼表面產生大量的點蝕坑。于浩波等[6]采用室內浸泡試驗和現場試驗研究了含Cu抗硫管線鋼和L245NCS管線鋼的微生物腐蝕行為。室內浸泡試驗結果表明,L245NCS鋼表面存在大量點蝕坑,生物膜內有微生物菌落聚集。而含Cu抗硫管線鋼表面微生物數量顯著減少,試樣表面大面積平整,可觀察到打磨痕跡,表明其具有良好的抗菌作用。現場服役6個月試驗結果顯示,L245NCS管線鋼的點蝕速率為16 mm/a,而含Cu抗硫鋼管道底部僅出現斑狀的局部腐蝕特征,斑下顯現輕微的局部腐蝕形貌,腐蝕速率僅為0.02 mm/a。
PE-RT II管材由高密度聚乙烯與其他烯烴共聚而成,具有可焊接性,可采用熱熔焊接與電熔焊接的方法進行施工。耐高溫聚乙烯(PE-RT II)管材耐高溫,適用溫度為-40~95 ℃,其缺點是不能長時間在高溫環境中使用,陽光照射會加速管材老化,影響管道的耐壓性能,縮短使用壽命[7-8]。因其造價低、易安裝、耐腐蝕等特點,在壓力小于1.6 MPa的冷熱水管線、熱力管網、工業輸送系統中均有較好的應用。
基于油氣田水處理系統在用管材調研分析結果,初步篩選出了可用作核桃殼過濾器撬塊內管線的四種管材：金屬材料選用耐蝕性較好的316L不銹鋼、3Cr鋼及抗菌鋼；非金屬管材選用具有良好耐溫性能及與水介質相容性較好的PE-RT II管材。在此基礎上,分別對上述管材進行適用性評價、施工及維護評價以及經濟性評價。
2. 評價方法
2.1 適用性評價
對于PE-RT II非金屬管材來說,決定其適用性的是理化性能及其與服役介質的相容性。參照標準ISO 22391-2-2009Plastics Piping Systems for Hot and Cold Water Installations-Polyethylene of Raised Temperature Resistance(PE-RT)Part2:Pipes,對其理化性能進行測試,測試項目包括管材基礎屬性(密度)、管材熱學性能(熔體流動速率、氧化誘導時間)、力學性能(抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率、拉伸模量、彎曲模量),測試標準、試驗設備及型號、試驗方法如表3所示。
表 3PE-RT II管材理化性能測試項目依據標準
Table 3.Reference standards for physical and chemical property test items of PE-RT II pipe
相容性評價試驗依據標準ISO/DIS 23936-1:2022(EN)Oil and Gas Industries Including Lower Carbon Energy-Non-Metallic Materials in Contact with Media Related to Oil and Gas Production-Part1:Thermoplastics中推薦的全浸試驗法。PE-RT II管的生產廠家為蘇州市萬年通管業有限公司,管線尺寸為?110 mm×15 mm,設計壓力為1.25 MPa。將管材切割為長20 cm的管段,取三個平行樣,沿軸向剖開,觀察記錄試驗前試樣宏觀形貌。試驗前,用刻字筆在試樣側面進行編號,依次用去離子水和無水乙醇超聲波清洗表面粉塵,冷風吹干。試驗參數取核桃殼過濾器撬塊典型的工況參數(見表1與表2),試驗周期為720 h。將準備好的三個平行樣安裝在特制的試驗架上,放入反應釜內的腐蝕介質中,試驗裝置見圖1。通入高純氮氣除氧至0.05 mg/L,然后通入高純氮氣升壓升溫到試驗要求,開始試驗。試驗結束后,觀察管材內壁和外壁的宏觀形貌,拍照記錄。對試驗后的試樣進行理化性能測試,通過對比相容性評價試驗前后試樣的理化性能,明確其在核桃殼過濾器撬塊服役環境中的相容性。
圖 1相容性評價試驗裝置示意圖
Figure 1.Sechematic of compatibility evaluation test device
對316L不銹鋼、3Cr鋼及抗菌鋼來說,依據標準ISO 11845-2020Corrosion of Metals and Alloys-General Principles for Corrosion Testing開展適用性評價試驗,試驗周期為720 h。316L不銹鋼試樣為揚州科力環保設備有限公司提供的成品掛片,尺寸為50 mm×25 mm×2 mm,抗菌鋼與3Cr鋼試樣均為寶鋼提供的掛片,尺寸均為50 mm×13 mm×3 mm,三種材料的化學成分詳見表4,每組設置3個平行試樣,試樣表面粗糙度≤1.6 μm。試驗前,使用刻字筆編號,并依次用丙酮除油,去離子水和無水乙醇超聲波清洗表面粉塵,冷風吹干后,測量每組試樣尺寸(精確到0.01 mm)及質量(精確到0.1 mg)。將準備好的試樣相互絕緣安裝在特制的試驗架上,放入反應釜內的腐蝕介質。試驗裝置如圖1所示,通入高純氮氣除氧至0.05 mg/L,然后,通入高純氮氣升壓升溫到試驗要求。試驗結束后,觀察試樣的宏觀腐蝕形貌,并拍照記錄,然后根據ISO/FDIS 8407-2020Corrosion of Metals and Alloys-Removal of Corrosion Products from Corrosion Test Specimens推薦的方法去除試樣表面腐蝕產物,無水酒精除水后烘干。利用失重法計算腐蝕速率,見式(1)。以腐蝕形態與腐蝕速率為判據,參照NACE RP 0775-2018Preparation,Installation,Analysis,And Interpretation of Corrosion Coupons In Oilfield Operations對碳鋼腐蝕程度進行劃分,腐蝕分類標準詳見表5所示。評價三種材料在核桃殼過濾器撬塊服役環境中的耐蝕性,優選出適用核桃殼過濾器撬塊服役環境的材料。
式中：vcorr為均勻腐蝕速率,mm/a；m1為試驗前試樣質量,g；m2為試驗后試樣質量,g；S為試樣表面積,cm2；t為試驗周期,h；D為試樣密度,kg/m3。
表 4316L不銹鋼、3Cr鋼和抗菌鋼的化學成分
Table 4.Chemical composition of 316L stainless steel, 3Cr steel and antibacterial steel
表 5NACE RP 0775-2018標準中關于碳鋼腐蝕程度的規定
Table 5.Provisions on corrosion degree of carbon steel in NACE RP 0775-2018 standard
2.2 施工及維護評價
針對調研優選的四種管材,在滿足核桃殼過濾器撬塊內施工條件下,從管線現場組裝連接方法、注意事項以及后期維護角度進行評價,分析其現場施工與維護的可行性。
2.3 經濟性評價
在適用性評價與施工及維護評價基礎上,重點對調研優選的四種管材的材料費、現場施工設備費、人員費等進行綜合分析,最終優選出適用性、施工及維護可行性、經濟性均較好的管材。
3. 結果與討論
3.1 適用性評價
相容性評價試驗前后PE-RT II管材宏觀形貌分別如圖2和圖3所示。結果表明,相容性試驗前PE-RT II管材外壁和內壁均無明顯缺陷及損傷,試溶解、氣泡、開裂及變形的現象。
圖 2相容性評價試驗前PE-RT II管材試樣的宏觀形貌
Figure 2.Macroscopic morphology of PE-RT II pipe sample before compatibility evaluation test: (a) inner wall of 1#sample; (b) outer wall of 1#sample; (c) inner wall of 2#sample; (d) outer wall of 2#sample; (e) inner wall of 3#sample; (f) outer wall of 3#sample
圖 3相容性評價試驗后PE-RT II管材試樣的宏觀形貌
Figure 3.Macroscopic morphology of PE-RT II pipe sample after compatibility evaluation test: (a) inner wall of 1#sample; (b) outer wall of 1#sample; (c) inner wall of 2#sample; (d) outer wall of 2#sample; (e) inner wall of 3#sample; (f) outer wall of 3#sample驗后PE-RT II管材內外壁未見
由表6可見：相容性試驗后PE-RT II管材的材料屬性、熱學性能、力學性能等均未出現顯著變化,且均滿足ISO 22391-2-2009標準的要求,在核桃殼過濾器撬塊內服役工況下具有良好的適用性。
表 6PE-RT II管材在相容性評價試驗前后的理化性能
Table 6.Physical and chemical performanceof PE-RT II pipe before and after compatibility evaluation test
根據標準ISO 22391-2-2009,在80 ℃工作環境中,對于設計壓力1.25 MPa的PE-RT II管(規格為4″,外徑110 mm,壁厚10 mm),假設試驗開始時管內壓為1.15 MPa,通過公式(2)計算靜液壓強度與管內壓。試驗開始時靜液壓強度為5.8 MPa。通過PE-RT II管材預測靜液壓強度參照曲線外推,可以看出當使用年限為20 a左右時,PE-RT II管材的靜液壓強度為4.6 MPa,根據式(2)可以計算出此時管內壓為0.92 MPa,即設計壓力1.25 MPa的PE-RT II管(4″)在80 ℃、0.92 MPa內壓條件下可使用20 a不滲漏。由于核桃殼過濾器撬塊內管線工作壓力為0.5 MPa,使用溫度為55~60 ℃,可以預測使用設計壓力為1.25 MPa的PE-RT II管的使用年限超過20 a。因此,PE-RT II管在核桃殼過濾器撬塊內管線服役環境中具有良好的適用性,可滿足在核桃殼過濾器中長期服役的要求。
式中：σ為靜液壓強度,MPa；P為管線內壓,MPa；dem為管材平均外徑,mm；emin為管材最小壁厚,mm。
從圖4中可以看出：抗菌鋼、3Cr鋼表面有均勻腐蝕痕跡,未見明顯局部腐蝕；316L不銹鋼試樣表面金屬光澤仍清晰可見,腐蝕輕微。從圖5中可以看出：模擬工況下抗菌鋼和3Cr鋼的均勻腐蝕速率均遠小于0.125 mm/a,為NACE RP 0775-2018標準中規定的中度腐蝕；316L不銹鋼均勻腐蝕輕微,腐蝕速率僅為0.001 1 mm/a。上述結果表明,316L不銹鋼、3Cr鋼、抗菌鋼在核桃殼過濾器撬塊內工況下的耐腐蝕性能均較好。
圖 4耐蝕性試驗后316L不銹鋼、3Cr鋼和抗菌鋼試樣的宏觀形貌(酸洗后)
Figure 4.Macroscopic morphology of 316L stainless steel (a), 3Cr steel (b) and antibacterial steel (c) samples after corrosion resistance test (after pickling)
圖 5316L不銹鋼、抗菌鋼、3Cr鋼試樣在模擬環境中的均勻腐蝕速率
Figure 5.Uniform corrosion rate of 316L stainless stee, 3Cr steel and antibacterial steel samples in simulated environment
2″管設計壓力為1.6 MPa,壁厚為5.54 mm,依據標準ISO 559-1991中推薦的方法,計算管內壓,如式(3)所示。參照圖5所示的腐蝕速率,在嚴格控制溶解氧質量分數<50 μg/L的情況下,僅考慮腐蝕因素,核桃殼過濾器撬塊內管線使用316L不銹鋼、3Cr鋼、抗菌鋼的預計使用年限均超過25 a。
式中：P為管線內壓力,MPa；S為鋼管的壁厚,mm；D為鋼管的外徑,mm；R為允許應力,為鋼管材質的下屈服強度的60%,MPa。
3.2 施工及維護評價
對于PE-RT II管材,通常使用熱熔焊接與電熔焊接的方式進行施工[9]。其中,對于滿足熱熔焊接設備尺寸要求的管線,優先選用熱熔焊接；對于相鄰管線間距小于26 cm的管線,使用電熔焊接。考慮到主管線上儀表引壓管、排污等小分支開孔情況,為避免在工作壓力下開孔位置發生滲漏,可在確定儀表引壓管或排污孔的小分支開孔位置后,準備異徑三通與連接儀表的內絲管件,通過熱熔焊接或者電熔焊接的方式與PE-RT II管連接,最后將內絲管件與儀表連接。需要注意的是,當PE-RT II管受陽光紫外線照射時,容易產生老化等情況,在PE-RT II管材后期維護中,需要對PE-RT II管及配件增加外防護,比如鐵皮或鋁皮防護等,避免PE-RT II管件及配件受到紫外線的直射[10]。同時,需要對外防護金屬的腐蝕情況進行定期檢查,確保其對紫外線起到完全隔離的作用。
對于三種金屬管材,均可通過電焊的方式進行施工,在后期維護中需要定期對管線壁厚進行檢測,當管線壁厚接近臨界使用壁厚時,需要及時對管線進行更換。
基于上述分析,將核桃殼過濾器撬塊內管線更換為PE-RT II管材、316L不銹鋼、3Cr鋼、抗菌鋼,從施工及維護的角度來看,具備可行性。
3.3 經濟性評價
PE-RT II、316L不銹鋼、3Cr鋼、抗菌鋼管材的經濟性評價結果如圖6所示,其中各材質的費用均包含核桃殼過濾器撬塊內管線用全部管材費用、現場施工費用、焊接施工設備費用及稅費。從經濟性評價結果可以看出,PE-RT II管材的經濟性最佳,抗菌鋼比PE-RT II管材略高,3Cr鋼價格為PE-RT II管的2.3倍,316L不銹鋼價格約為PE-RT II管的6.8倍。
圖 6四種材質管材的經濟性評價結果
Figure 6.The economic evaluation results of four kinds of pipe material
4. 結論
(1)相容性評價試驗后,PE-RT II管材表面無溶解、氣泡、開裂及變形,316L不銹鋼、3Cr鋼和抗菌鋼表面呈均勻腐蝕形貌,四種管材在相應工況下服役周期均超過20 a。
(2) PE-RT II管材、316L不銹鋼、3Cr鋼價和抗菌鋼均能滿足在核桃殼撬塊內的安裝施工要求。
(3) PE-RT II管材經濟性最佳。
文章來源——材料與測試網