油气田的腐蚀特征及控制技术.ppt

白真权中国石油天然气集团公司管材研究所2023年8月19日,向参加培训的各位学员问好大家辛苦了！,2023/8/19,2,油气田的腐蚀特征及控制技术,2023/8/19,3,提 纲,第一部分：油气田腐蚀类型、特征及研究热点油气田腐蚀类型与特征几种典型的油气输送管道腐蚀类型及其关注点腐蚀与防护国内外发展趋势第二部分：油气田腐蚀控制技术油气管道的腐蚀控制途径油气田常用防腐蚀技术及及经济性分析油气田腐蚀检测与监测油气田腐蚀控制的长远目标塔里木和新疆油田在用腐蚀控制措施及效果,2023/8/19,4,第一部分：油气田腐蚀类型、特征及研究热点,油气田腐蚀类型与特征腐蚀的定义腐蚀类型与特点几种典型的油气输送管道腐蚀类型及其关注点CO2腐蚀H2S腐蚀冲刷腐蚀腐蚀与防护国内外发展趋势,2023/8/19,5,1.1 油气田腐蚀类型与特征腐蚀定义,材料由于同周围介质发生化学或电化学的作用而引起的破坏和变质材料使用过程中在环境介质的作用下性能下降、状态改变，直至损坏变质即为“腐蚀”或“老化”。随着近代科学技术的发展，现已发现几乎所有材料在环境作用下都存在腐蚀或老化问题退化是必然的，如人的衰老一样是不可避免的。从物理化学理论上讲，腐蚀的本质：遵循热力学第二定律，是一个自由能减少，墒增加的自发过程,自由能最低达到最稳定状态,欲望得到满足达到最舒适程度,2023/8/19,6,1.1 油气田腐蚀类型与特征油气田腐蚀四大危害,造成巨大的经济损失，包括能源和材料的损失腐蚀导致设备损坏，油气漏失，人员伤亡，停工停产，污染环境，这些后果都会造成巨大的直接和间接经济损失。1971年5月四川威成线天然气管线腐蚀爆裂，造成爆炸和燃烧，导致直接经济损失7000万元新疆油田公司每年投入大量资金对管线、容器进行维修或更换，据统计，每年更新改造的资金约2亿元左右腐蚀导致人员伤亡1971年5月至1986年2月，四川天然气管网腐蚀导致爆炸和燃烧事故83次，其中第一次事故就伤亡24人。1991年1月25日川东油田H2S腐蚀造成井喷，造成两人死亡，七人受伤,2023/8/19,7,1.1 油气田腐蚀类型与特征油气田腐蚀四大危害,腐蚀造成停工停产，影响正常生产如1983年川南窝深一井，腐蚀疲劳造成钻杆失效，导致停钻127天；又如中原油田胡状油田1988年11月投产至1993年2月间穿孔780余次，被迫停井50多次腐蚀造成环境污染如地下水资源破坏，生态环境破坏，以及天然资源浪费等腐蚀是高新技术产业发展的限制性因素,2023/8/19,8,油气管道腐蚀危害,原油漏失,污染良田,2023/8/19,9,环境因素：H2S，CO2，Cl-，温度、压力、pH、含水量、气油比等材料因素：材料类型（碳钢、不锈钢、耐蚀合金、非金属），金相组织，化学成分、强度、夹杂缺陷等力学因素：工作应力，残余应力（制造，焊接，外力破坏，表面处理），流体冲刷应力,1.1 油气田腐蚀类型与特征腐蚀因素,2023/8/19,10,1.1 油气田腐蚀类型与特征腐蚀类型,按照腐蚀机制，可以分为三大类型：常规电化学腐蚀失重腐蚀、电偶腐蚀、缝隙腐蚀、孔蚀等流体力学化学腐蚀冲刷腐蚀、冲蚀腐蚀、空泡腐蚀固体力学化学腐蚀腐蚀疲劳、应力腐蚀、硫化物应力开裂、氢致开裂等按腐蚀破坏特征：全面腐蚀：分布整个表面，可是均匀的，也可是不均匀的局部腐蚀：小孔腐蚀、电偶腐蚀、氢脆、应力腐蚀破裂、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、选择性腐蚀、细菌腐蚀、其它腐蚀（如沉积腐蚀、浓差电池腐蚀、冲刷腐蚀等）,2023/8/19,11,1.1 油气田腐蚀类型与特征腐蚀类型,按腐蚀发生部位分为两类外腐蚀主要是管体外部遭受的土壤腐蚀和地下水腐蚀，以及杂散电流腐蚀和宏观电池腐蚀等内腐蚀主要是管体内部由于内部介质所导致的腐蚀，是目前的研究难点和热点按照腐蚀介质分：常见六大主要腐蚀类型 H2S腐蚀 CO2腐蚀H2S和CO2共存条件下腐蚀O2腐蚀细菌腐蚀土壤腐蚀（外腐蚀）过去关于高温高压CO2腐蚀和多相流冲刷腐蚀研究不多，而实践证明这两种腐蚀，越来越成为油气田的主要危害,2023/8/19,12,1.1 油气田腐蚀类型与特征腐蚀类型,2023/8/19,13,1.2 几种典型的腐蚀类型及其关注点,CO2腐蚀H2S腐蚀 多相流冲刷腐蚀,2023/8/19,14,“CO2 腐蚀”术语1925年被API采用，Texas 油田的气井1943年首次出现国外20世纪60年代，我国起步晚(80年代)美国国家腐蚀工程师协会(NACE)成立T-IC小组，专门从事CO2 腐蚀研究国外公司-Shell、Exxon-Mobile、BP等研究机构-Ohio大学、Tulsa大学、挪威能源研究院（IFE）、英国利兹大学、加拿大CANMET、德国Iserlohn应用科学大学、美国西南研究院等,1.2.1 CO2 腐蚀,2023/8/19,15,CO2 溶于水:,溶解的CO2水合过程:,碳酸水解:,碳酸氢根进一步水解:,水电解:,1.2.1 CO2 腐蚀,2023/8/19,16,CO2局部腐蚀机理,CO2局部腐蚀有以下三种典型机理台地状腐蚀蜗旋状腐蚀点状腐蚀我们研究发现，腐蚀后试样表面呈现为图所示的蜂窝状和 底大口小的烧瓶型点状腐蚀这种腐蚀形状由于口小，闭塞电池效应很强：孔外大阴极，孔内小阳极，促进腐蚀向深度方向发展,2023/8/19,17,CO2腐蚀的影响因素,2023/8/19,18,CO2腐蚀影响因素,CO2腐蚀的影响因素,研究的重点,研究的重点,2023/8/19,19,关注点之一：CO2腐蚀产物膜研究,CO2腐蚀产物膜对CO2腐蚀至关重要CO2多相流腐蚀研究关键在于腐蚀产物膜,膜好坏决定了CO2腐蚀的严重程度在多数情况下，金属表面都会形成具有不同保护性的腐蚀产物膜膜的性能，尤其是膜的力学性能决定了膜耐受破坏的能力腐蚀速率与膜的保护性强弱和抗外力损伤能力密切相关流体流动是导致腐蚀产物膜的破坏关键因素之一,2023/8/19,20,关注点之二：CO2腐蚀速率预测模型,预测模型经验型对腐蚀机理的认识要求不高，模型比较简洁受实验室数据以及现场数据的影响较大半经验型对腐蚀数据的要求相对较少，理论模型与实验数据都会影响到半经验模型的精度机制型机制模型的物理意义比较明确 机制模型对腐蚀数据的要求不高机制模型的建立需要对腐蚀机理、关键性的控制因素有一个清楚的认识,2023/8/19,21,以挪威的Norsok模型为代表,挪威的CorrOcean公司的Corpos模型在Norsok模型基础上又加入了流体模块和油的润湿性,OHIO大学的Jepson多相流条件下模型：,经验型腐蚀速率预测模型,2023/8/19,22,挪威的Norsok模型,2023/8/19,23,半经验腐蚀速率预测模型,多数模型选择建立的方式 其中以Shell公司的De waard模型最为著名 BP公司开发的Cassandra模型 Intercorr公司开发的Predict模型 Intetech公司的ECE模型 IFE模型考虑基本的电化学动力学过程以及离子传质过程 腐蚀数据确定模型中的系数大小,2023/8/19,24,De Waard模型,2023/8/19,25,De Waard 95模型CO2腐蚀速率预测结果,2023/8/19,26,单相水介质,油水两相,E/CRC模型预测的CO2腐蚀速率,2023/8/19,27,3,Jepson的多相流条件下的机制模型,逐渐成为预测模型的发展方向,Nesic机制模型,电极表面的电化学反应,膜对离子的传质过程影响,电极表面的电化学反应,段塞流对离子的传质过程影响,机制模型,2023/8/19,28,CO2腐蚀速率预测模型的局限,目前的预测模型都需要进一步的完善 腐蚀数据的局限 所研究的现场环境的局限 对CO2腐蚀认识的局限模型对原油考虑的都很简单对腐蚀产物膜的考虑也不太完善局部腐蚀考虑的很少,2023/8/19,29,CO2腐蚀速率预测模型的局限,原油的影响认识还不充分,2023/8/19,30,CO2腐蚀速率预测模型的局限,腐蚀产物膜的影响形成腐蚀产物膜以后，腐蚀速率会下降12个数量级,2023/8/19,31,De Waard模型中的腐蚀产物膜因子与温度的关系,Norsok预测模型中考虑的腐蚀产物膜的影响,Nesic机制模型，腐蚀产物膜的孔隙度,腐蚀产物膜的影响,2023/8/19,32,不同的软件预测渤南油田的腐蚀速率,2023/8/19,33,CO2腐蚀预测模型,2023/8/19,34,关注点之三：CO2腐蚀防护措施,脱水处理脱除二氧化碳碳钢+缓蚀剂CRACRA与碳钢相结合pH稳定剂内涂层或衬里管道定期进行清管监测、定期检测、腐蚀评估及管道完整性评估合理的方案需从技术、经济等多方面综合考虑。在防腐措施选用时，必须结合实际情况，综合考虑安全性和经济性。进行经济性分析时，不仅要考虑材料本身的费用，而且要考虑操作费用，添加缓蚀剂、停产检修等发生的费用往往很大，生产周期越长，操作费用也越高,2023/8/19,35,1.2.2 H2S腐蚀,H2S腐蚀类型及特征H2S腐蚀类型除电化学腐蚀外，其最具危害的还是固体力学化学腐蚀，即硫化物应力腐蚀开裂、氢致开裂等H2S可以导致五种开裂损伤，硫化物应力腐蚀开裂（SSC）氢鼓泡（HB）氢致开裂（HIC）应力导向氢致开裂（SOHIC）碱性应力腐蚀开裂（ASCC）。最近研究发现，还有其它类型的H2S致开裂,2023/8/19,36,H2S腐蚀,H2S腐蚀类型及特征硫化氢溶于水显弱酸性，腐蚀反应为：硫化铁膜溶解度非常低，是良导体，作为阴极，促进点蚀硫化物离子会减慢氢原子复合速率，造成氢分子积累，为氢原子进入金属提供动力，所以不仅造成点蚀，还经常导致金属开裂,2023/8/19,37,H2S腐蚀机理,Mackinawite formation:,D.W.Shoesmith,P.Taylor,J.Electro.Soc.1980,Vol.127,No.5,2023/8/19,38,H2S腐蚀主要影响因素,环境因素H2S浓度；PH值；温度；压力、电位以及其它杂质；材料因素强度（硬度）的提高将会使腐蚀倾向加重；显微组织中具有细小球化碳化物的金相组织有利于管线管的抗HIC/SSC能力，而带状组织结构特别是是非常有害的S的作用是非常有害的，必须降低其含量才能避免片状MnS夹杂管线管表面状态和残余应力是影响管线管抗HIC/SSC能力的重要影响因素,2023/8/19,39,H2S腐蚀控制的8项关键要素,遵循标准选材设计施工脱水、脱硫、除去腐蚀介质 管道中加注缓蚀剂进行保护 管道内壁涂层保护，提高输气能力 定期清管排污 建立腐蚀监测系统，把握输气管线腐蚀动态 加强腐蚀预测建立防腐专业机构和制度，提高管理水平,2023/8/19,40,关注点之一：H2S开裂评价,在ISO 15156/NACE M0175中，按照两大种类来规定需要进行腐蚀评价的试验类型：Part 2：碳钢和低合金钢；part 3:耐蚀合金（CRA）和其它合金对于碳钢和低合金钢，不仅应该进行SSC（硫化物应力腐蚀开裂）评价试验，HIC 氢致开裂而且必要时，还要进行如下评价试验SOHIC 硫化物定向氢致开裂（容易发生在母材板中SZC 软化区开裂试验（容易发生在焊缝热影响区）,2023/8/19,41,关注点之一：H2S开裂评价,对于耐蚀合金和其它合金，要进行如下评价试验SSC 硫化物应力腐蚀开裂SCC 应力腐蚀开裂GHSC 电偶致氢应力开裂这里应当注意：电偶致氢应力开裂与电偶腐蚀 过程正好相反：,2023/8/19,42,电偶腐蚀：是一个电位较负的金属（阳极）连接到一个电位较正的金属上（阴极），导致电位较负金属的阳极溶解加速，腐蚀过程加剧电偶致氢应力开裂：是一个电位较正的金属（阴极），连接到一个电位较负的金属上（阳极）导致电位较正金属表面的阴极析氢加剧，氢渗入总量加大，开裂概率增加过去关于软化区开裂（SZC）和电偶致氢应力开裂（GHSC）人们在工程中间较少注意，事实上，这种开裂形式往往也会造成灾难性的破坏,关注点之一：H2S开裂评价,2023/8/19,43,关注点之二：H2S与CO2腐蚀共存下的腐蚀,H2S腐蚀与CO2腐蚀的交互作用H2S与CO2往往共存，二者的腐蚀机理存在竞争与协同效应H2S不仅造成应力腐蚀开裂，而且对电化学减薄腐蚀也有很大影响虽然对减薄腐蚀，CO2的腐蚀性比H2S强，但是一旦H2S出现，又往往起控制作用Pots等认为，H2S 与CO2含量的比值对腐蚀状态的影响符合右图所示的规律,2023/8/19,44,关注点之二：H2S与CO2腐蚀共存下的腐蚀,H2S与CO2共存腐蚀环境中的选材规则H2S含量小于0.3kPa时，用一般碳钢和低合金钢；大于0.3kPa，可以使用抗硫钢当H2S和CO2共存且含量较高时，需用不锈钢或其它耐蚀合金为了抗CO2，最早开发使用API 13Cr；为了既抗CO2又抗H2S，加入Ni和Mo，开发出Super 13Cr但当腐蚀环境太苛刻时，Super13Cr抗蚀性也不足，此时需要双相不锈钢或镍基合金等。ISO 15156 Part3将耐蚀合金归为11个类型,2023/8/19,45,油,固,工业生产需用管道结构来输送水、气、油、固多相流体，往往导致多相流腐蚀,煤炭液化,石 油,石 化,化 工,制 药,海 洋,冶 金,管道结构的多相流腐蚀,气,水,背景情况,工程材料结构多相流环境损伤,1.2.3 多相流冲刷腐蚀,2023/8/19,46,1.2.3 多相流冲刷腐蚀,多相流损伤：材料（电）化学流体力学（流速、流态、攻角和颗粒性质）的交叉 多因素耦合多相流中材料的损伤形式:腐蚀、冲蚀（冲刷磨损）、空蚀（气蚀）冲刷与腐蚀交互作用WT=WC+WE WT=WC WE WSWS=WEC WCE=(WC WC)+(WE-WE),2023/8/19,47,定义,定义1：冲刷腐蚀(Erosion-corrosion)：“由于腐蚀流体和金属表面间的相对运动引起金属的加速破坏或腐蚀”。定义2：冲刷腐蚀(Erosion-corrosion)：“有腐蚀性物质存在时腐蚀和冲刷的联合作用”。将冲刷(Erosion)作了进一步的解释:固体表面和流体、多组元流体相互机械作用或是受液体或固体粒子冲击的机械作用所造成的材料的固体表面逐渐流失的过程。,2023/8/19,48,相关术语,2023/8/19,49,形貌特征,冲蚀往往表现出明显的与流动方向相关的方向性，冲蚀轻微时呈现出光滑或浅波纹状，中等或以上程度时为鱼鳞坑状，严重时则为锋利的沟槽、局部深孔等；空蚀轻微时呈现出麻点、针孔，严重时为蜂窝或海绵状。,2023/8/19,50,关注点之一：冲刷腐蚀的极限流速,油气生产过程中产出流体有一个流动极限速率，超出这个速率，就会出现严重腐蚀，这个速率就是冲刷腐蚀极限速率VlimitAPI RP 14E 规定，冲刷腐蚀极限速率为式中：Vlimit=极限速率（ft/sec）=流动密度（lbs/cu3ft）C=常数,2023/8/19,51,关注点之一：冲刷腐蚀的极限流速,流动密度由下述参数计算所得气体/冷凝液/水流动压力流动温度 通常取井口参数计算常数取决于油气井的条件C 100 对于一般情况C 150-200 对于不腐蚀或加缓蚀剂的情况C 100 如果有固体颗粒存在时,2023/8/19,52,尽管API RP 14E极限速率在生产中得到应用，但人们发现，API RP 14E判据存在缺陷下图示出API RP 14E判据与现场实测结果对比，由图对比可见API RP 14E有时偏于保守有时偏于危险不能很好地满足油气生产的需要,关注点之一：冲刷腐蚀的极限流速,2023/8/19,53,API RP 14E判据与现场结果对比,2023/8/19,54,美国壳牌（Shell）海上公司SHELL模型,2023/8/19,55,美国壳牌（Shell）海上公司SHELL模型,SHELL模型还考虑 固体颗粒尺寸沙粒产出速率管道尺寸冲刷腐蚀裕量 下面三图分别示出三种因素对多相流冲刷腐蚀极限的影响沙粒尺寸沙粒产出率和冲刷腐蚀裕量管道尺寸,2023/8/19,56,沙粒尺寸对多相流冲刷腐蚀极限的影响,2023/8/19,57,沙粒产出率和冲蚀裕度对多相流冲刷腐蚀极限的影响,2023/8/19,58,管子直径对多相流冲刷腐蚀极限的影响,2023/8/19,59,诸多工业领域的技术难题,学科跨度大，影响因素多,成为国内外腐蚀学科研究热点、难点领域,关注点之二：冲刷腐蚀试验研究设备,2023/8/19,60,关注点之二：冲刷腐蚀试验研究设备,人们尚未在多相流环境损伤与介质、工艺、材料和几何参数之间建立起可靠的相关关系，很难对多相流腐蚀进行失效控制、寿命预测和安全评估主要原因之一：缺乏系列管径试验环路试验及其有效的测试设备，导致许多关键的“尺度域”、“环境域”和“时间域”的科学问题研究尚未有效开展创造急需而必要的试验条件，使我国科学家直接针对多相流腐蚀的许多急需而重大的核心科学问题进行研究，消除由于没有试验设备而接触不到多相流腐蚀核心问题的研究现状尽早取得对我国诸多重要工业领域生产实践具有重大指导作用的研究成果，为多相流腐蚀失效事故预测预防和安全评价奠定坚实的科学基础提高我国多相流腐蚀研究在国际上的核心竞争力，为保障我国的科技安全和经济安全做出贡献,2023/8/19,61,国内外现状、发展趋势与水平,国际上较为大型和复杂的多相流腐蚀试验环路建设主要是上世纪90年代以后发展起来的有代表性的是美国Ohio大学、Tulsa大学以及挪威能源技术中心（IFE）这些环路试验装置：各有特色，但相对行业背景较重，试验设备通用性较差，难以满足工业领域所面临的多相流腐蚀的共性问题研究多数以单相和两相流腐蚀试验为主，有少数的三相流腐蚀试验环路，但还没有能够进行水、气、油、固四相流腐蚀的试验环路,2023/8/19,62,研究材料多相流损伤的试验装置,核心在于如何造成介质与研究试样间的相对运动研究试样旋转 研究试样固定不动旋转式 管流式 喷射式 振动式,2023/8/19,63,关注点之二：冲刷腐蚀试验研究设备,管道结构在水、气、油、固四相中的两相、三相或四相典型组合的流速流态分布、各相流体动力学及相间动力学耦合行为等，对腐蚀速率、腐蚀形态和腐蚀电化学行为影响的本征机制和相关性研究。以“环境域”的科学思想为指导，谋求建立不同相组成和流态环境之间腐蚀行为和腐蚀参量的相关性,管道几何尺寸（管径大小）、几何形状（弯头和孔径突变）和几何取向（垂直、水平或倾斜）变化、管道壁面粗糙化等对多相流流速流态分布、边界层流体特性、腐蚀速率、腐蚀形态和腐蚀电化学行为的影响机制。结合其他材料腐蚀模拟试验，谋求在“尺度域”方面，建立材料试验、小管径环路和大管径环路之间典型腐蚀行为和腐蚀参量之间的相关性,几何条件对多相流腐蚀行为影响研究,流速流态对多相流腐蚀行为影响研究,2023/8/19,64,关注点之二：冲刷腐蚀试验研究设备,复杂间歇多相流中壁面剪切力的脉动和循环变化规律、漩涡、气泡和固体颗粒的密度和能量分布，及其对腐蚀产物膜和金属基体的力学、化学和力学化学损伤作用机制、各种力学和化学因素对腐蚀速率、腐蚀形态和腐蚀电化学行为影响的相关性研究,复杂流态多相流损伤机制研究,与高温高压旋转圆盘电极试验、射流冲击试验、叶片搅拌试验、以及小尺寸单相环路试验相结合，研究几种试验方法之间材料和管道结构腐蚀损伤机理、腐蚀速率、腐蚀形态的差异和同一，探索各种试验方法之间的相关性和相关规律,多相流腐蚀试验方法之间的相关性研究,2023/8/19,65,关注点之二：冲刷腐蚀试验研究设备,在研究各种多相流腐蚀损伤动力学规律的基础上，结合管道结构的强度评价，建立多相流腐蚀速率、腐蚀形态和腐蚀寿命预测模型和方法，为建立多相流动管道结构的安全评估规范奠定基础,多相流腐蚀失效预测研究,2023/8/19,66,1.3 腐蚀与防护国外发展趋势,美国：最早发现使用环境对材料服役性能和使用寿命的影响通过系统的试验与研究，发展各种“腐蚀与防护技术”大力发展耐蚀材料，品种多，质量高重视传统材料、新材料服役性能提高欧盟：1976年成立欧洲腐蚀联盟，联合研究、相互协作，推动材料腐蚀与防护科学技术的发展首先提出防护系统工程，成立防护系统工程工作部，推动能源、石油、航空等行业大型工程的综合系统防护工作的发展腐蚀与防护的标准、规范齐全,2023/8/19,67,1.3 腐蚀与防护国外发展趋势,日本：从保护资源与节约能源出发，注重材料的实用性，特别是传统材料服役性能的提高建立环境腐蚀试验站网，进行系统的大气暴露试验和室内模拟加速试验，提高了材料的竞争力,2023/8/19,68,1.3 腐蚀与防护国外发展趋势,我国与国外的差距目前材料常规的腐蚀与防护技术基本能满足国家建设和生产发展的要求但特殊环境使用的耐蚀材料，高性能长寿命环保型防腐涂料，以及要求高的表面处理和表面防护技术等防护新产品、新技术很少我国已基本掌握了国际上常用的腐蚀与防护技术，并在化工、石油、铁路交通、造船等重点行业中推广使用，保证了生产和建设的发展，但缺乏竞争力，缺乏有知识产权的防护技术对无机非金属材料的腐蚀与防护、高分子材料的老化与防老化方面，还落后于金属，缺乏竞争力，远远不能满足国家经济建设发展的需要腐蚀与防护的产业还没有真正形成，距国际水平还相差甚远,2023/8/19,69,1.3 腐蚀与防护研究发展目标,提高材料的服役性能和使用寿命。使目前我国常用主要结构材料的服役性能能基本满足使用要求，材料及制品的使用寿命，在现有的基础上到2010年提高1020，到2020年提高40发展“环保型、无公害、长寿命”的涂层防护技术。使长寿命、环保型涂料生产到2010年提高10%，到2020年再提高10%，初步形成产业为提高我国材料在市场中的竞争力作贡献。使目前进口的耐蚀金属材料到2010年下降20%，2020年再下降30%降低材料腐蚀对国家造成的经济损失。争取到2010年每年降低34百亿，到2020年每年降低1千亿左右（建议国家与相关行业、企业增加对腐蚀与防护的投入，并有措施保证）,2023/8/19,70,第二部分 油气田的腐蚀控制,2.1 腐蚀与防护研究的学科特点2.2 油气田安全服役的主要工作内容2.3 油气田的腐蚀控制途径2.4 油气田常用防腐蚀技术2.5 油气田常用防腐蚀技术特点与经济性分析2.6 油气田腐蚀检测与监测2.7 油气田腐蚀控制的长远目标2.8 油气管道腐蚀控制技术和管理措施2.9 塔里木和新疆油田在用腐蚀控制措施及效果,2023/8/19,71,第二部分 油气田的腐蚀控制,腐蚀控制的目的和作用腐蚀防护是采取技术措施尽可能使腐蚀破坏的速度减小腐蚀控制是为降低或延缓材料或构件在环境作用下因腐蚀失效而采取的技术工艺措施，其追求的目标是使社会为腐蚀付出的代价为最小，也就是设法使腐蚀损失与花费的防护费用的总和为最小,2023/8/19,72,2.1 腐蚀与防护研究的学科特点,2023/8/19,73,2.1 腐蚀与防护研究的学科特点,油气田的腐蚀及其防治是一项系统工程所有腐蚀研究的目的是为了防止和减缓腐蚀的发生，通过采用经济、适用、可行的防护措施，使腐蚀损失降低到最低程度，最大限度提高系统的安全可靠性油气田腐蚀与防护研究领域油气田腐蚀失效原因、机理分析及评价腐蚀防护措施的评选、开发及应用腐蚀评估、寿命预测及风险分析腐蚀监控技术的开发及应用,2023/8/19,74,2.1 腐蚀与防护研究的学科特点,腐蚀与防护研究的各个环节是相辅相成、互为促进的只有针对油气田腐蚀与防护研究的特点，开展系列研究，并最终形成从腐蚀原因分析到采取合适有效的腐蚀防护措施抑制和减缓腐蚀，直至腐蚀寿命预测和腐蚀实时监控及信息反馈等一整套理论、技术和手段，才能真正较好地解决油气田的腐蚀问题，最大限度的减少因腐蚀而造成的各类损失,2023/8/19,75,2.2 油气管道安全服役的主要工作内容,2023/8/19,76,2.2 石油管安全服役的主要工作内容,设计阶段材料控制材料种类选择：腐蚀预测、模拟试验筛选材料制造质量控制：订货技术条件、驻厂监造、验收标准腐蚀控制措施：防腐蚀措施筛选防腐蚀设计风险与经济性分析,2023/8/19,77,2.2 石油管安全服役的主要工作内容,后续生产开发阶段基础研究腐蚀机理与规律影响因素腐蚀失效分析防护措施耐蚀材料缓蚀剂涂镀层阴极保护安全可靠性评定腐蚀监检测HSE管理体系,2023/8/19,78,2.3 油气田的腐蚀控制途径,2023/8/19,79,2.3 油气田的腐蚀控制途径,从油气田防腐工程师，到油田管理的决策者，都应该知道，迄今还没有一种包治油气田腐蚀百病的良药需要将多种方法综合利用，才能有效控制油气田的腐蚀腐蚀预测和腐蚀控制是两个主要目的，腐蚀预测是有限腐蚀寿命设计和防止腐蚀灾害的基础腐蚀机理和规律研究，是建立腐蚀预测和开发腐蚀控制措施的必要基础腐蚀监测与检测和腐蚀模拟试验是建立和校正腐蚀预测模型的两个支柱,2023/8/19,80,2.3 油气田的腐蚀控制途径,腐蚀决策应注意下述几点：腐蚀控制需要经济投入，进行腐蚀风险分析和腐蚀经济分析，进行综合平衡找到最佳腐蚀控制措施和方案才是明智之举跨学科研究，CO2腐蚀与流体力学结合，H2S腐蚀与固体力学结合，寿命预测与强度评价相结合腐蚀控制的工程性相当强，应当与油藏、采油、工艺、地面等方面工程师密切结合，才能得到有效措施,2023/8/19,81,腐蚀问题防治工作实施步骤首先弄清目前的腐蚀状况、及其主要症结所在，为提出合理的控制措施奠定基础，真正解决油田安全生产开发中令人头痛的问题制定适合管道腐蚀问题防护的总体防治方案，以规范腐蚀问题的治理工作从最基本的腐蚀问题普查、不同腐蚀问题采用何种防护措施的确定，到有针对性地选用哪个厂家的技术和产品，如何实施，防治效果的跟踪监测等，涵盖一整套科学地综合防治腐蚀问题的步骤,2.3 油气管道的腐蚀控制途径,2023/8/19,82,2.3 油气田的腐蚀控制途径,腐蚀综合治理思路 根据管道服役环境特征，研究分三步走：针对开发过程中所涉及到的管线腐蚀环境，研究管网材料的基本腐蚀行为，包括主要的影响因素的筛选及腐蚀机理与发展规律的确定在腐蚀行为研究的基础上，筛选并确定出一种或几种有效的腐蚀防护措施并在现场试验对现场腐蚀状况的监测及防护措施效果的评估与改进,2023/8/19,83,具体含四部分内容通过开展腐蚀原因、机理的研究，为防护措施的选用提供理论指导通过开展防护措施的筛选、开发和应用研究，选出最具应用价值的防护方法通过开展腐蚀状态和剩余寿命预测，做到对油气田腐蚀状况心中有数通过开展腐蚀监测，及时了解油气田现场腐蚀状况和防护措施应用效果，机理与规律研究、防护措施应用及腐蚀评估与预测提供数据信息,腐蚀控制途径,基于选材研究和效果评价，形成油田防腐的技术体系和规范体系重在研究,基于防腐研究成果，编制相应油气田的防腐方案重在方案,跟踪监测和检测数据，分析腐蚀趋势，评价缓蚀效果，提出预警机制重在现场,防腐体系框架,2023/8/19,85,2.4 油气田常用防腐蚀技术,2023/8/19,86,2.4.1 主要的防护措施耐蚀材料,1）耐蚀金属材料种类2205双相不锈钢13Cr、HP13Cr镍基合金028、825、G3、C276等耐蚀材料的局限22Cr价格昂贵使用范围温度-450FH2S 0.3 PP-psiaCO2 No LimitCl-120,000 ppm,13CrpH 3.5Temperature-300FH2S 1.5 PP-psiaCO2 1000 PP-psiCl-60,000 ppm,2023/8/19,87,2.4.1 主要的防护措施耐蚀材料,2）耐腐蚀非金属复合材料种类复合材料（PVC）改性复合材料(mod.PVC)玻璃钢（FRP)局限性使用温度受限：最大温度=200F(93C)压力受限：一般最高压力=850 psi(60bar)73F(23C),覆盖层普通/特种不锈钢、钛/铝/铜合金及其它耐蚀合金材料,基材碳钢无缝/焊接钢管、合金钢无缝钢管,特点,优点：保证了原基管的各项机械性能，降低成本缺点：接头部位难处理，基管与衬层结合力难保证,3)内衬复合管耐蚀材料,2023/8/19,89,内衬复合管内衬管材类型,合金元素含量增加，价格升高，耐蚀性提高,注：高 中 低,不锈钢内衬复合管的综合性能,内衬复合管适用范围,2023/8/19,91,内衬复合管性能要求,耐腐蚀根据腐蚀工况选择衬管材料与性能指标其它要求力学性能热处理状态金相组织壁厚：衬管材料可以是13mm,衬管壁厚越薄，焊接施工难度越大，越厚，成本越高，建议选择2mm衬管壁厚为宜,2023/8/19,92,内衬复合管生产工艺（11种）,2023/8/19,93,2.4.2 主要的防护措施缓蚀剂,缓蚀剂也是一种常用的管道腐蚀控制措施缓蚀剂使用要求抗CO2、H2S、Cl-离子腐蚀具有一定的气体挥发性具有一定的水溶性缓蚀剂的应用有较大的盲目性常温下缓蚀效果好，高温高压下缓蚀效果不知道有时不能严格按使用要求进行使用，不仅达不到预期使用效果，而且造成巨大让费缓蚀剂的选择与加注技术是制约该技术应用的关键,2023/8/19,94,油气田最常用的一些抗H2S腐蚀的缓蚀剂,2023/8/19,95,缓蚀剂应用流程,优选缓蚀剂类型，确定现场加注工艺根据研究成果确定缓蚀剂类型确定缓蚀剂现场加注工艺，泵入法，平衡罐加注法缓蚀剂加注浓度和周期的确定预膜处理的缓蚀剂用量：V=2.4DL缓蚀剂日加注量可按下式计算：Qd=Q+G确定缓蚀剂有效保护周期及效果定期监测，测试缓蚀剂浓度、腐蚀速率，用现场挂片或腐蚀探针测试，推荐监测方案,2023/8/19,96,缓蚀剂应用流程,缓蚀剂平衡罐加注示意图,2023/8/19,97,2.4.2 主要的防护措施缓蚀剂,缓蚀剂的评价与筛选不同缓蚀剂在模拟环境中动态高温高压下的评价结果:TG200对地面管线的保护效果优于CT2-17和VS-4,腐蚀速率随缓蚀剂浓度变化曲线,2023/8/19,98,2.4.3 主要的防护措施涂镀层,内镀涂层作用：对油田的安全生产及节能降耗有着重要的意义防止和减缓内壁腐蚀提高使用寿命，降低管线运行成本减轻内壁结垢和结蜡涂镀层使用中存在的问题涂层易磨损结合力不够涂层缺陷涂层接头部位的防腐未很好解决,2023/8/19,99,涂层选择,介质环境压力温度pH值腐蚀类型流速设计参数,2023/8/19,100,涂镀层评价与筛选,涂镀层评价与筛选,CO2+产出水的高温高压试验后检测结果,2023/8/19,101,管道内涂敷及补口工艺与施工机具研究,控制面板,CCTV内窥镜,视频定位器 除锈车 喷涂车,2023/8/19,102,涂层应用焊接补口技术（UB Sleeve),制造、安装快捷，周期短无压力损失可根据用户需求设计制造 不影响管道内检测,2023/8/19,103,2.4.4 主要的防护措施阴极保护,传统直流阴极保护技术的优缺点优点：保护机理明确，理论成熟应用技术成熟，规范有大量的实际经验积累已广泛应用，保护效果得到普遍认同缺点：电流、电位分布不均匀易出现过保护和欠保护现象干扰大，能耗高保护距离和范围受到限制：如深井套管保护深度无法延长,2023/8/19,104,脉冲电流阴极保护技术的优缺点优点：电流分布非常均匀电流具有更强的穿透性，可以发送得更深、更远电流需求显著减小，节省能源干扰小，易于维护缺点：保护机理尚未完全清楚应用起步较晚，缺乏实践经验,2.4.4 主要的防护措施阴极保护,2023/8/19,105,脉冲电流阴极保护技术目前应用现状及效果对长输管线近阳极端的过保护现象显著改善，远端电位明显变负，电位分布更加均匀对管道防腐层破损和剥落处比直流好，阴极保护屏蔽现象显著改善对换热器与供热锅炉系统综合效果优于传统直流,2.4.4 主要的防护措施阴极保护,2023/8/19,106,2.5 几种主要管道内腐蚀控制措施的特点与经济性比较,加注缓蚀剂，工艺成熟，最常用但缓蚀剂种类繁多，各种缓蚀剂的使用范围和效果多不相同，选用时须十分谨慎，应在使用前，在模拟环境下进行评价和筛选 内涂层或衬里，成本增加较小，经济性好，一般投入增加量不足钢管成本50%，且基本为一次性投资但在接头部位的腐蚀问题很难解决，而且涂层易产生针孔等缺陷，而一旦有针孔存在，将加速管道的穿孔泄漏内衬聚乙烯是近几年兴起的一种防护方法，但也存在接头部位的腐蚀问题，且衬层与钢管结合力不太好，一旦剥离，腐蚀则更严重耐蚀合金管抗腐蚀性能最好，使用最安全方便但由于其材料成本过高，一次性投入很大，且在机械及焊接性能方面有所欠缺，其可靠性会受到影响,2023/8/19,107,2.5 主要的防护措施几种措施的技术经济性比较,地面管线腐蚀控制措施类型及费用分析目前所用几种管线腐蚀控制措施，均有其不同的特点每种措施成本投入的方式存在较大差异有的措施起始成本较高，但为一次性投入，后需补充费用很少，从长远看经济效益良好，如采用耐蚀合金材料等有的措施初期投入较少，短期效益好，但追加投入不断，导致累积成本很高比如加注缓蚀剂方法，开始投入较少，但在后续生产过程中会不断发生修井作业费、缓蚀剂购置费以及其它的附加费用等因此选用时应综合考虑其成本和性能比，以及长期和短期效益等因素,2023/8/19,108,2.5 主要的防护措施几种措施的技术经济性比较(国内）,上图中普通碳钢管按0.8万元/吨计缓蚀剂单价按1万元/吨计加药量按1.5吨/月涂层按钢管成本18%计13铬价格按普通钢管的2.5倍，即2万元/吨计超级13铬按4.5万元/吨计22铬按6.5万元/吨计抗腐蚀低铬经济型钢较普通碳钢管价格高出约20%，按1万元/吨计 玻璃钢管按48万元/公里（输油）、108万元/公里（注水）计钢塑复合管按50万元/公里（输油）、113万元/公里（注水）计,2023/8/19,109,2.5 主要的防护措施几种措施的技术经济性比较,几防护措施综合经济技术分析初期投入以采用耐蚀合金材料为最高，采用碳钢缓蚀剂进行防护花钱最少，其次是采用涂层，再次是采用经济型钢缓蚀剂；而采用耐蚀合金材料（包括13Cr、超级13Cr、22Cr）初期投入均较高随着时间的延长，缓蚀剂累计成本不断增加，而涂层累计成本增加较少在使用约2年后，采用内涂层方法的累计成本即低于采用普通碳钢缓蚀剂的防护措施玻璃钢及钢塑复合管在全寿命期内始终较涂层方法高，比采用耐蚀合金低,2023/8/19,110,2.6 油气管道的腐蚀监测,腐蚀监测体系建立的目的和范围 腐蚀监测的目的在于掌握腐蚀过程，了解腐蚀控制的应用情况和效果。通过腐蚀监测，可以获得腐蚀过程和操作参数之间的相互联系等有关信息，可对腐蚀问题进行评估，改善腐蚀控制方案，起到“防患于未然”的效果。监测体系将对生产系统的腐蚀性进行有效地监控并将结果数据与施加防腐措施的管道系统的监测数据进行比较。监测技术必须是正确和可复现的。TGRC建议必须使用几项监测技术来确定其他方法的结果是否具有科学性和较好的再现性。,2023/8/19,111,2.6 油气管道的腐蚀监测,建立腐蚀监测系统的原因诊断-我们知道腐蚀正在发生和系统是否正在承受超过设计规格的腐蚀速率是必要的。过快的腐蚀速率将最终导致设备的损坏，对安全、费用和环境具有剧烈的影响防腐措施控制用来控制腐蚀的一种方式是使用化学腐蚀抑制剂。如果使用了一种防腐措施那么腐蚀速率必须得到监控从而保证它是有效的，并且保证应用的缓蚀剂不多也不少。腐蚀及评价-正如上面所示，必须对选择的防腐措施的效果进行监测来保证它是有效的。监测系统确定几种防腐措施中的哪一种是最节省成本的经常也是必要的。维修计划 监测将帮助确定如管线大规模维修这样的作业的所需频率。,2023/8/19,112,2.6 油气管道的腐蚀监测,腐蚀监测跟踪情况,2023/8/19,113,阴极保护状况监测,使用阴极保护探针来确定埋地管道外壁真实的腐蚀速率，这种方法能帮助确定高阻抗土壤环境中的阴极保护（CP）的效果。当接点在贫瘠的土壤上时可能会导致错误的CP电位测量，或者在复杂的、相互关联的管道系统上不能真正地进