煤层气采气平台埋地弯管腐蚀行为及应对措施_魏长吉.pdf

32检测与完整性|Inspection&Integrity2023 年 1 月第 42 卷 第 1 期网络出版时间：2022-10-20T09:30:28网络出版地址：http:/ 7，表 4，参 30）关键词：煤层气田；采气平台；埋地弯管；腐蚀控制中图分类号：TE832文献标识码：A文章编号：1000-8241（2023）01-0032-08DOI：10.6047/j.issn.1000-8241.2023.01.005Corrosion behavior and countermeasures of buried elbows of gas production platform in coalbed methane fieldWEI Changji1,CAI Shaohui1,ZHAO Xuefen2,QIU Zhengyang21.Sinopec Linfen Coalbed Methane Branch;2.College of Petroleum and Natural Gas Engineering,Chongqing University of Science and TechnologyAbstract:In view of the leakage of buried elbow in a gas production platform of coalbed methane field in South Yanchuan due to corrosion perforation,analysis was carried out to the transmission medium,soil environment,corrosion products,and the metallographic structure of elbows and straight section of the buried pipeline.Meanwhile,the corrosion trend of the elbows and straight pipeline section was studied with electrochemical technology.The results show that the overflow of produced water from the coalbed methane wellhead leads to the increase of water content and chloride ion content in the soil,resulting in the increase of the buried environment corrosivity of pipeline and accelerating the failure of the anti-corrosion coating of the buried pipeline.Besides,the coarse material grains of elbows result in the higher electrochemical reactivity than that of the straight pipeline section,which leads to the serious local corrosion in the elbow areas.Therefore,comprehensive corrosion control countermeasures that combine the rectification of coalbed methane surface drainage pipeline with the enhanced repair of anti-corrosion coating and the cathodic protection of buried pipelines were put forward.Generally,the relevant results could provide reference for the safety management of gas production platform in coalbed methane field.(7 Figures,4 Tables,30 References)Key words:coalbed methane field,gas production platform,buried elbow,corrosion control引文：魏长吉，蔡少辉，赵学芬，等.煤层气采气平台埋地弯管腐蚀行为及应对措施J.油气储运，2023，42（1）：32-39.WEI Changji,CAI Shaohui,ZHAO Xuefen,et al.Corrosion behavior and countermeasures of buried elbows of gas production platform in coalbed methane fieldJ.Oil&Gas Storage and Transportation,2023,42(1):32-39.煤层气采气平台与天然气站场类似，其埋地管道敷设情况复杂，外防腐层保护效果、管体腐蚀状况难以掌握，给正常生产带来严重的安全隐患1。近年来，延川南煤层气工区多个排水采气平台的井口至管汇埋地管道出现腐蚀穿孔导致煤层气泄漏问题。现场调查发现，腐蚀穿孔位置往往处于井口采出水集液箱的采出水溢出处，且集中处于井口至汇管之间的埋地弯管段，管道外壁局部腐蚀明显，内壁仅有轻微的均匀腐蚀。弯管作为油气输送管道的关键组成部分，在内部输送介质、外部敷设环境以及管材缺陷等多种因素的影响下2-3，失效事故时有发生。因此，国内外学者针33Inspection&Integrity|检测与完整性1.2采出水渗入地层对土壤环境的影响平台采出水 pH 值约为 6.0，氯离子质量浓度高达59 100 mg/L，为验证其渗入地层对土壤腐蚀性的影响，对 W2 平台管道埋设处的土壤、同等深度非管道埋设处的土壤以及采出水样进行检测，发现管道埋设处土壤的含水量由 10增至 15，土壤含氯量由36 mg/kg 增至 8 000 mg/kg，pH 值由 8.52 降至 7.79，管地电位为-607-641 mV(vsCu/CuSO4)。Wasim等14总结多个学者关于土壤 pH 值与埋地管道腐蚀间关系的研究结果，认为二者之间没有相关性。但由 W2 平台含水量、氯离子含量以及管地电位等土壤腐蚀性指标可见，该处土壤的腐蚀性非常强15-18，埋地管道基材表面一旦与土壤直接接触，点蚀将迅速发生，一段时间后管体将发生大面积的局部腐蚀19。W2 采气平台埋地管道运行 5 年后，更换带有弯管和直管区的管段，发现换下管段的外防腐层存在严重的缺陷、老化、剥离、脱落等现象，无法对管体起到保护作用20。弯管区壁厚显著减薄，局部腐蚀严重，而与弯管相连的直管段腐蚀相对轻微。分别在弯管、直管段腐蚀最严重的 10 个位置切取试样，用游标卡尺测量各试样厚度（表 1），可见弯管剩余壁厚显著低于直管段，直管处腐蚀深度为0.090.36 mm，弯管腐蚀深度为 1.543.11 mm，差距约为 1 个数量级。根据 SY/T 0087.12018 钢质管道及储罐腐蚀评价标准 中的金属腐蚀性评价指标，直管区腐蚀速率最大为 0.072 mm/a,腐蚀轻微，可暂不处理；弯管区腐蚀速率最大达 0.622 mm/a，腐蚀严重，需要采取防护措施。对弯管腐蚀开展了大量的研究。Garca-Martnez 等4从宏观、微观检测以及化学成分、金相组织等角度出发，确定井口钢制弯管穿孔泄漏失效是 CO2腐蚀与空蚀造成的。朱丽娟等5采用类似研究方法，提出 20 钢45 热煨弯管局部爆裂是 H2S、CO2腐蚀与冲蚀交互作用造成的。Tandon 等6-8在弯管失效案例研究中提出，输送流体中所含介质（H2S、CO2、Cl-等）造成的腐蚀与流动诱发的冲蚀是弯管失效的主要原因。仝珂等9-10通过对油气管道失效弯管的组织、成分、腐蚀形貌进行综合分析，发现弯管服役环境引起的表面腐蚀与冲蚀、管材缺陷、热煨工艺不当造成弯管组织异常等是造成弯管失效的主要原因。徐学旭等11通过组织和腐蚀特征分析，推断 16Mn 钢直角弯头组织劣化和CO2环境下的冲蚀是导致直角弯头区局部腐蚀严重的原因，还发现对于组织、成分相同的钢管，晶粒越粗大，腐蚀越严重。综上，目前针对弯管腐蚀研究主要考虑内腐蚀的影响，对于实际工程的弯管外腐蚀情况尚鲜有报道。为深入分析弯管发生严重局部外腐蚀的原因，降低采气平台埋地管道的腐蚀风险，对煤层气采气平台埋地管道的环境进行分析，观察弯管和直管区的显微组织形貌，再结合腐蚀电化学行为测试，明确其腐蚀原因和腐蚀机理，并提出有效的防腐控制措施。研究结果可为煤层气田井场埋地管道的腐蚀防护提供技术支持，促进管道的完整性管理，保障生产的正常进行。1煤层气采气平台埋地管道腐蚀现象 1.1煤层气采气平台埋地管道现状延川南煤层气田各采气平台工艺流程中包括排水管道、采气工艺管道、井口管道分液装置、阀组管汇等装置。以 W2 平台为例，采气管道为 60 mm4 mm 的20 钢无缝钢管，埋深 0.8 m，其采用除锈后+防锈漆两道+玻纤布+聚氯乙烯工业薄膜+玻纤布+灰漆作为防腐手段，防腐层结构较为单一，容易出现腐蚀现象12。相关研究发现，若管道防腐层失效，且未采取了阴极保护保护措施，一旦发生局部腐蚀，将很快造成管道穿孔13。根据现场开挖埋地管道（图 1），可见管体表面完全被含有铁锈的潮湿土层所覆盖，防腐层几乎完全失效，现有埋地管道防腐层材料不能满足现场潮湿环境的服役要求。图 1现场开挖埋地管道照片Fig.1Pipeline buried by field excavation魏长吉，等：煤层气采气平台埋地弯管腐蚀行为及应对措施34检测与完整性|Inspection&I2023 年 1 月第 42 卷 第 1 期中 SiO2、Al2O3、CaCO3等化合物的成分，Fe、O 含量最高，是 20 钢发生腐蚀反应生成的铁的氧化物，环境中的 Cl 参与腐蚀反应过程并以氯化物的形式存在于腐蚀产物中。利用 DX2700 型 X 射线衍射仪（XRD）对腐蚀产物进行测试，并应用 Jade 5.0 分析腐蚀产物的主要物质组成（图 3，其中 2 为衍射角）。结果表明，管道外腐蚀产物中存在 Fe2O3H2O，是 20 钢在中、碱性土壤中发生氧化反应生成的 Fe（OH）2，在氧气存在时继续氧化生成Fe（OH）3，而后在干燥环境下失去部分结晶水形成的；SiO2、CaCO3为土壤成分21。2弯管局部腐蚀机理分析 2.1腐蚀产物通过 S-3700N 扫描电子显微镜（SEM）观察从现场取回的埋地管段腐蚀产物的微观形貌，并通过 EDAX-AMeTEK-Applo-能谱仪（EDX）测定腐蚀产物的化学组成（图 2）。可见，腐蚀产物成片状堆积、不致密，且有开裂迹象，对钢基体缺乏保护性。腐蚀产物由 Fe、Cr、Mn、Cu、Ca、Al、O、Si、Cl 及 C 元素组成（表 2），其中Cr、Mn、Cu 等为 20 钢的成分，Ca、Al、Si、Cl 等是土壤表 1W2 采气平台埋地管道某管段服役 5 年后剩余壁厚统计表Table 1Statistics on residual wall thickness of a buried pipeline section of W2 gas production platform after 5 years of service管段类型剩余壁厚/mm位置 1位置 2位置 3位置 4位置 5位置 6位置 7位置 8位置 9位置 10直管3.873.743.643.913.893.653.833