油田注汽管道适用性问题分析

摘要 注蒸汽开采是稠油油田普遍采用的有效开采方式。稠油热采注汽管道由于长期运行在高温、高压和介质高腐蚀的工况下而极易发生失效。开展油田注汽管道的适用性评价,可降低事故发生率,保障油田生产安全。

关键词 注汽管道;稠油开采;管道腐蚀;适用性评价

中图分类号TE8 文献标识码A文章编号 1674-6708(2010)21-0037-01

0 引言

稠油热采注蒸汽系统主要包括:蒸汽锅炉、地面注汽管道、井下管柱等部分。由于油田地面注汽管道在内部受到输送水质和蒸汽品质、交变的高低温环境等的影响,在外部可能受到土壤和大气的腐蚀作用,使得注汽管道的工作状况十分恶劣,包括氢腐蚀、冲刷腐蚀、局部腐蚀等诸多类型的腐蚀作用可能同时发生;在高温和非稳定高压的工作状况下,注汽管道的材料退化速度、裂纹扩展速度也可能大大加快,这些因素都会导致注汽管道承压强度大大的下降,极有可能引发各种事故,对油田生命财产安全危害极大,如果不及时进行管道系统适用性评估,一旦发生失效事故,将造成停工停产等巨大经济损失,甚至人员伤亡等恶性事故。本文主要就油田注汽管道适用性问题进行探讨[1,2]。

1含缺陷管道适用性评价技术

含缺陷管道适用性评价包括含缺陷管道剩余强度评价和剩余寿命预测两个方面。含缺陷管道剩余强度评价是在管道缺陷检测基础上,通过严格的理论分析、试验测试和力学计算,确定管道的最大允许工作压力(MAOP)和当前工作压力下的临界缺陷尺寸,为管道的维修和更换,以及升降压操作提供依据。其目的主要是确定服役中的管道能否安全运行、是否需要更换等问题。

含缺陷管道剩余寿命预测是在研究缺陷的动力学发展规律和材料性能退化规律的基础上,给出管道的剩余安全服役时间。剩余寿命预测结果可以为管道检测周期的制定提供科学依据。

剩余寿命的方法大体包括两种:一是基于现场检测和监测积累的数据进行预测。腐蚀检测是利用内外腐蚀检测技术定期进行管道的缺陷检测,从而获得缺陷的动力学发展规律。监测技术包括现场挂片试验、腐蚀探针等技术,通过监测可以实时得到缺陷的动力学发展规律;二是在实验室内模拟管道服役环境进行缺陷增长规律试验,通过模拟试验获得缺陷的动力学发展规律,然后对管道剩余寿命进行预测。但应当注意,这里主要论述的是管材本身的剩余寿命预测,实际上,对于具体管线的剩余寿命,还应当考虑管线防腐层的有效保护寿命和缓蚀剂的有效保护寿命问题。有关这方面的研究虽有报道,但总的来说难度很大,研究极不成熟。

2 注汽管道腐蚀损伤原因分析

2.1 氢腐蚀

注汽管道内壁在高温高压氢环境中服役一定时间后,氢与钢中的碳反应生成甲烷即,使钢基体平均含碳量降低。这一反应一般从钢的表面开始,逐渐向内部推进,当脱碳严重,生成的甲烷气体无法外逸时,就只能积聚在晶界或其它杂物周围,造成局部压力升高而导致产生显微裂纹,使钢的机械强度、延伸性和韧性下降和劣化。因此,不仅钢的里层脱碳脆化,严重时发展为氢裂纹、氢鼓泡开裂。这种脆化现象是发生化学反应的结果,具有不可逆转性,也称永久脆化现象。

注汽管道中发生的氢腐蚀跟化工生产中的临氢设备不同。注汽管道中的氢腐蚀,氢无直接来源,氨是由于其它反应问接产生的。根据以往的经验,凡是发生氢腐蚀的部位必是局部腐蚀的部位。解决了局部腐蚀问题,堵住了氢的来源,氢腐蚀的问题就解决了。

2.2 氧腐蚀

注汽管道的金属氧腐蚀属于电化学腐蚀,铁和氧形成两个电极,组成腐蚀电池,在腐蚀电池中铁的电位总是比氧的电位低,所以铁是电池的阳极,而遭到腐蚀,其原理是:注汽管道内壁和钢管内壁的氧化铁保护膜因水质恶化和热力等原因部分被破坏,在漏出的钢表面水和保护膜表面之间形成局部电池;铁从阳极析出。

溶解析出的铁离子Fe2+在存在溶解氧的情况下,进一步氧化成氢氧化铁。腐蚀产物呈沉淀物状堆积在阳极上,在沉淀物内的氧浓度和覆盖在阴极表面上水的氧浓度之间有一个浓度差,产生氧浓差电池。作为阳极部位的铁被逐步溶解,加剧了金属表面的腐蚀,降低了注汽管道的使用寿命。铁是一种中等活泼的金属,而氧单质的化学活性很强。由以上各式子中可以看出,在酸性条件下02H20的电极电位(1.229V)大于FeFe2+的电极电位(0.44V);所以在酸性条件下02氧化Fe的反应很容易发生。

2.3停用腐蚀

由于停用时氧的浓度大,腐蚀面积广,并且氧可以扩散到各个部位,因此,停用腐蚀的部位与上文所提的运行氧腐蚀有显著差别。上文所提到的氧腐蚀是热力设备常见的一种腐蚀。热力设备在安装、运行和停运期间都可能发生氧腐蚀。注汽管道停用腐蚀的决定条件就是氧气与水汽,它们的存在就会导致在管壁表面产生腐蚀。由于这种腐蚀是在常温或非高温的条件下都可以发生。这种停用腐蚀的危害性反而比运行期间严重,因为在注汽管道停用以后,外界空气就会大量进入注汽管道的水汽系统内,此时在锅炉金属内表面上总是附着一层水膜,空气中的氧气便溶解在此水膜中,以致达到饱和状态,这就特别容易引起溶解氧腐蚀。而且在金属表面如果还有溶于水膜的盐垢的话,腐蚀将会更加强烈。停用腐蚀是在低温下发生的,腐蚀产物是高价氧化铁,其结构比较疏松,而且对金属表面的附着性差,在运行期间会起阴极去极化剂的作用。电极反应产物为亚铁化合物,不仅腐蚀了金属,而且二价化合物在下次停用期间,又被氧化成高价化合物,使腐蚀过程反复进行。所以,停用腐蚀主要的危害主要表现在两个方面:在短期内使注汽管道金属表面遭到大面积破坏和加剧注汽管道运行时的腐蚀。

3 结论

注蒸汽开采稠油是国内新疆、辽河、胜利等稠油油田普遍采用的有效开采方式,在美国、加拿大、委内瑞拉等主要稠油生产国,也是采用注蒸汽开采稠油。随着油田开发接近后期稠油油藏的动用,将建设大量的注汽管道。而油田注汽管道适用性问题显得尤为突出,本文通过注汽管道腐蚀损伤机理研究,发现注汽管道主要的腐蚀形式是氢腐蚀、氧腐蚀和停用腐蚀。

参考文献

[1]束青林,张本华,毛卫荣,等.孤岛油田特高含水期提高采收率技术措施及效果[J].油气地质与采收率,2009,16(5).

[2]徐明海,马景树,张健,等.稠油热采注蒸汽管网枝状布置优化设计[J].石油大学学报.自然科学版,2005,29(1).

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