分享：某油田核桃壳过滤器撬块内管线选材评价

中东某油田的核桃壳过滤器撬块内管线,从2014年至今,腐蚀穿孔频繁,尽管更换核桃壳过滤器块橇内管线的费用并不高,但给油田的正常计划生产造成了诸多不便。 

核桃壳过滤器位于中央处理站水处理系统,位于缓冲罐与注水罐之间,主要用于清除油田采出水的悬浮物、结垢物等杂质,达到净化水质的目的。核桃壳过滤器撬块内由2″-12″的管线、三通及弯头构成,其中管线材料均为L245钢,其特点是空间紧凑、管线复杂,相邻管线间最短距离仅为25.6 cm。此外,在管线上多处安装有仪表引压管、排污管等小分支管。核桃壳过滤器撬块内管线的运行温度为55~60 ℃,运行压力较低,约为0.5 MPa,日处理量为5 520 m2(详细工况参数如表1所示)。由于采出水矿化度高,且总硫含量较高(详细离子含量如表2所示),管线存在垢下腐蚀的风险。 

表  2  核桃壳过滤器撬块内管线中的水介质成分及pH

Table  2.  Composition and pH of water medium of the pipeline in walnut shell filter skid

质量浓度/(mg·L-1)							pH
Ca2+	Mg2+			Cl-	总硫	溶解性总固体
1 000~2 000	600~800	≤300	≤3 000	≤150 000	≤150	180 000~210 000	5.3~6.3

为彻底解决核桃壳过滤器撬块内管线的腐蚀问题,笔者从调研、试验、施工与经济性评价等方面,优选出耐蚀性好、易加工且经济性较好的管材,保障核桃壳过滤器顺利运行。 

1.   管材的筛选

通过文献调研了国内油气田水处理系统在用管材的应用情况,初步筛选出了四种适用于核桃壳过滤器撬块内管线的管材。其中,金属管材的筛选依据为类似工况下的耐蚀性,非金属管材的筛选依据为耐温性及其与水介质的相容性。具体调研结果如下。 

陕北某天然气处理厂回注水系统中主要采用L245钢,少数设施采用316L不锈钢。现场回注水(矿化度29 794.94 mg/L)中腐蚀挂片结果表明,L245钢挂片的腐蚀速率为0.149 3 mm/a,316L不锈钢挂片的腐蚀速率为0.001 2 mm/a。总体来看,316L不锈钢腐蚀较轻微[1]。针对长庆油田某区域油水混合采出液的腐蚀,孙银娟等[2]采用腐蚀加速试验,研究了55 ℃、10 000 mg/L Cl-、100 mg/L Ca2+下316L不锈钢的耐蚀性。结果表明,316L不锈钢的腐蚀速率低于0.003 7 mm/a,表现出良好的耐蚀性。 

针对乌石区块典型高矿化地层水的腐蚀,马磊等[3]研究了含Cr低合金钢(Cr质量分数为1%~5%)在高温高压高矿化度环境中的耐腐蚀性能。研究指出,Cr含量的升高使低合金钢的均匀腐蚀和局部腐蚀速率均呈现下降趋势。后续选取应用较广泛的3Cr低合金钢(以下简称3Cr钢)进行评价。 

抗菌不锈钢具有良好的抗菌性,其中含Cu抗菌不锈钢应用最为广泛[4-5],对比了有无添加Cu元素的X80管线钢的耐微生物腐蚀性能。结果表明,含Cu的X80管线钢表面只产生少量的点蚀坑,且分布不均匀,不含Cu的X80钢表面产生大量的点蚀坑。于浩波等[6]采用室内浸泡试验和现场试验研究了含Cu抗硫管线钢和L245NCS管线钢的微生物腐蚀行为。室内浸泡试验结果表明,L245NCS钢表面存在大量点蚀坑,生物膜内有微生物菌落聚集。而含Cu抗硫管线钢表面微生物数量显著减少,试样表面大面积平整,可观察到打磨痕迹,表明其具有良好的抗菌作用。现场服役6个月试验结果显示,L245NCS管线钢的点蚀速率为16 mm/a,而含Cu抗硫钢管道底部仅出现斑状的局部腐蚀特征,斑下显现轻微的局部腐蚀形貌,腐蚀速率仅为0.02 mm/a。 

PE-RT II管材由高密度聚乙烯与其他烯烃共聚而成,具有可焊接性,可采用热熔焊接与电熔焊接的方法进行施工。耐高温聚乙烯(PE-RT II)管材耐高温,适用温度为-40~95 ℃,其缺点是不能长时间在高温环境中使用,阳光照射会加速管材老化,影响管道的耐压性能,缩短使用寿命[7-8]。因其造价低、易安装、耐腐蚀等特点,在压力小于1.6 MPa的冷热水管线、热力管网、工业输送系统中均有较好的应用。 

基于油气田水处理系统在用管材调研分析结果,初步筛选出了可用作核桃壳过滤器撬块内管线的四种管材：金属材料选用耐蚀性较好的316L不锈钢、3Cr钢及抗菌钢；非金属管材选用具有良好耐温性能及与水介质相容性较好的PE-RT II管材。在此基础上,分别对上述管材进行适用性评价、施工及维护评价以及经济性评价。 

2.   评价方法

2.1   适用性评价

对于PE-RT II非金属管材来说,决定其适用性的是理化性能及其与服役介质的相容性。参照标准ISO 22391-2-2009 Plastics Piping Systems for Hot and Cold Water Installations-Polyethylene of Raised Temperature Resistance (PE-RT) Part 2: Pipes,对其理化性能进行测试,测试项目包括管材基础属性(密度)、管材热学性能(熔体流动速率、氧化诱导时间)、力学性能(抗拉强度、屈服强度、断后伸长率、拉伸模量、弯曲模量),测试标准、试验设备及型号、试验方法如表3所示。 

相容性评价试验依据标准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-Part 1: Thermoplastics中推荐的全浸试验法。PE-RT II管的生产厂家为苏州市万年通管业有限公司,管线尺寸为?110 mm×15 mm,设计压力为1.25 MPa。将管材切割为长20 cm的管段,取三个平行样,沿轴向剖开,观察记录试验前试样宏观形貌。试验前,用刻字笔在试样侧面进行编号,依次用去离子水和无水乙醇超声波清洗表面粉尘,冷风吹干。试验参数取核桃壳过滤器撬块典型的工况参数(见表1与表2),试验周期为720 h。将准备好的三个平行样安装在特制的试验架上,放入反应釜内的腐蚀介质中,试验装置见图1。通入高纯氮气除氧至0.05 mg/L,然后通入高纯氮气升压升温到试验要求,开始试验。试验结束后,观察管材内壁和外壁的宏观形貌,拍照记录。对试验后的试样进行理化性能测试,通过对比相容性评价试验前后试样的理化性能,明确其在核桃壳过滤器撬块服役环境中的相容性。 

图  1  相容性评价试验装置示意图

Figure  1.  Sechematic of compatibility evaluation test device

对316L不锈钢、3Cr钢及抗菌钢来说,依据标准ISO 11845-2020 Corrosion of Metals and Alloys-General Principles for Corrosion Testing开展适用性评价试验,试验周期为720 h。316L不锈钢试样为扬州科力环保设备有限公司提供的成品挂片,尺寸为50 mm×25 mm×2 mm,抗菌钢与3Cr钢试样均为宝钢提供的挂片,尺寸均为50 mm×13 mm×3 mm,三种材料的化学成分详见表4,每组设置3个平行试样,试样表面粗糙度≤1.6 μm。试验前,使用刻字笔编号,并依次用丙酮除油,去离子水和无水乙醇超声波清洗表面粉尘,冷风吹干后,测量每组试样尺寸(精确到0.01 mm)及质量(精确到0.1 mg)。将准备好的试样相互绝缘安装在特制的试验架上,放入反应釜内的腐蚀介质。试验装置如图1所示,通入高纯氮气除氧至0.05 mg/L,然后,通入高纯氮气升压升温到试验要求。试验结束后,观察试样的宏观腐蚀形貌,并拍照记录,然后根据ISO/FDIS 8407-2020 Corrosion of Metals and Alloys-Removal of Corrosion Products from Corrosion Test Specimens推荐的方法去除试样表面腐蚀产物,无水酒精除水后烘干。利用失重法计算腐蚀速率,见式(1)。以腐蚀形态与腐蚀速率为判据,参照NACE RP 0775-2018 Preparation,Installation,Analysis,And Interpretation of Corrosion Coupons In Oilfield Operations对碳钢腐蚀程度进行划分,腐蚀分类标准详见表5所示。评价三种材料在核桃壳过滤器撬块服役环境中的耐蚀性,优选出适用核桃壳过滤器撬块服役环境的材料。 

式中：vcorr为均匀腐蚀速率,mm/a；m1为试验前试样质量,g；m2为试验后试样质量,g；S为试样表面积,cm2；t为试验周期,h；D为试样密度,kg/m3。 

2.2   施工及维护评价

针对调研优选的四种管材,在满足核桃壳过滤器撬块内施工条件下,从管线现场组装连接方法、注意事项以及后期维护角度进行评价,分析其现场施工与维护的可行性。 

2.3   经济性评价

在适用性评价与施工及维护评价基础上,重点对调研优选的四种管材的材料费、现场施工设备费、人员费等进行综合分析,最终优选出适用性、施工及维护可行性、经济性均较好的管材。 

3.   结果与讨论

3.1   适用性评价

相容性评价试验前后PE-RT II管材宏观形貌分别如图2和图3所示。结果表明,相容性试验前PE-RT II管材外壁和内壁均无明显缺陷及损伤,试溶解、气泡、开裂及变形的现象。 

图  2  相容性评价试验前PE-RT II管材试样的宏观形貌

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

图  3  相容性评价试验后PE-RT II管材试样的宏观形貌

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验后PE-RT II管材内外壁未见

由表6可见：相容性试验后PE-RT II管材的材料属性、热学性能、力学性能等均未出现显著变化,且均满足ISO 22391-2-2009标准的要求,在核桃壳过滤器撬块内服役工况下具有良好的适用性。 

根据标准ISO 22391-2-2009,在80 ℃工作环境中,对于设计压力1.25 MPa的PE-RT II管(规格为4″,外径110 mm,壁厚10 mm),假设试验开始时管内压为1.15 MPa,通过公式(2)计算静液压强度与管内压。试验开始时静液压强度为5.8 MPa。通过PE-RT II管材预测静液压强度参照曲线外推,可以看出当使用年限为20 a左右时,PE-RT II管材的静液压强度为4.6 MPa,根据式(2)可以计算出此时管内压为0.92 MPa,即设计压力1.25 MPa的PE-RT II管(4″)在80 ℃、0.92 MPa内压条件下可使用20 a不渗漏。由于核桃壳过滤器撬块内管线工作压力为0.5 MPa,使用温度为55~60 ℃,可以预测使用设计压力为1.25 MPa的PE-RT II管的使用年限超过20 a。因此,PE-RT II管在核桃壳过滤器撬块内管线服役环境中具有良好的适用性,可满足在核桃壳过滤器中长期服役的要求。 

式中：σ为静液压强度,MPa；P为管线内压,MPa；dem为管材平均外径,mm；emin为管材最小壁厚,mm。 

从图4中可以看出：抗菌钢、3Cr钢表面有均匀腐蚀痕迹,未见明显局部腐蚀；316L不锈钢试样表面金属光泽仍清晰可见,腐蚀轻微。从图5中可以看出：模拟工况下抗菌钢和3Cr钢的均匀腐蚀速率均远小于0.125 mm/a,为NACE RP 0775-2018标准中规定的中度腐蚀；316L不锈钢均匀腐蚀轻微,腐蚀速率仅为0.001 1 mm/a。上述结果表明,316L不锈钢、3Cr钢、抗菌钢在核桃壳过滤器撬块内工况下的耐腐蚀性能均较好。 

图  4  耐蚀性试验后316L不锈钢、3Cr钢和抗菌钢试样的宏观形貌(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)

图  5  316L不锈钢、抗菌钢、3Cr钢试样在模拟环境中的均匀腐蚀速率

Figure  5.  Uniform corrosion rate of 316L stainless stee, 3Cr steel and antibacterial steel samples in simulated environment

2″管设计压力为1.6 MPa,壁厚为5.54 mm,依据标准ISO 559-1991中推荐的方法,计算管内压,如式(3)所示。参照图5所示的腐蚀速率,在严格控制溶解氧质量分数<50 μg/L的情况下,仅考虑腐蚀因素,核桃壳过滤器撬块内管线使用316L不锈钢、3Cr钢、抗菌钢的预计使用年限均超过25 a。 

式中：P为管线内压力,MPa；S为钢管的壁厚,mm；D为钢管的外径,mm；R为允许应力,为钢管材质的下屈服强度的60%,MPa。 

3.2   施工及维护评价

对于PE-RT II管材,通常使用热熔焊接与电熔焊接的方式进行施工[9]。其中,对于满足热熔焊接设备尺寸要求的管线,优先选用热熔焊接；对于相邻管线间距小于26 cm的管线,使用电熔焊接。考虑到主管线上仪表引压管、排污等小分支开孔情况,为避免在工作压力下开孔位置发生渗漏,可在确定仪表引压管或排污孔的小分支开孔位置后,准备异径三通与连接仪表的内丝管件,通过热熔焊接或者电熔焊接的方式与PE-RT II管连接,最后将内丝管件与仪表连接。需要注意的是,当PE-RT II管受阳光紫外线照射时,容易产生老化等情况,在PE-RT II管材后期维护中,需要对PE-RT II管及配件增加外防护,比如铁皮或铝皮防护等,避免PE-RT II管件及配件受到紫外线的直射[10]。同时,需要对外防护金属的腐蚀情况进行定期检查,确保其对紫外线起到完全隔离的作用。 

对于三种金属管材,均可通过电焊的方式进行施工,在后期维护中需要定期对管线壁厚进行检测,当管线壁厚接近临界使用壁厚时,需要及时对管线进行更换。 

基于上述分析,将核桃壳过滤器撬块内管线更换为PE-RT II管材、316L不锈钢、3Cr钢、抗菌钢,从施工及维护的角度来看,具备可行性。 

3.3   经济性评价

PE-RT II、316L不锈钢、3Cr钢、抗菌钢管材的经济性评价结果如图6所示,其中各材质的费用均包含核桃壳过滤器撬块内管线用全部管材费用、现场施工费用、焊接施工设备费用及税费。从经济性评价结果可以看出,PE-RT II管材的经济性最佳,抗菌钢比PE-RT II管材略高,3Cr钢价格为PE-RT II管的2.3倍,316L不锈钢价格约为PE-RT II管的6.8倍。 

图  6  四种材质管材的经济性评价结果

Figure  6.  The economic evaluation results of four kinds of pipe material

4.   结论

(1)相容性评价试验后,PE-RT II管材表面无溶解、气泡、开裂及变形,316L不锈钢、3Cr钢和抗菌钢表面呈均匀腐蚀形貌,四种管材在相应工况下服役周期均超过20 a。 

(2) PE-RT II管材、316L不锈钢、3Cr钢价和抗菌钢均能满足在核桃壳撬块内的安装施工要求。 

(3) PE-RT II管材经济性最佳。

文章来源——材料与测试网