表 1 核桃殼過濾器撬塊內(nèi)管線內(nèi)的工況參數(shù)
Table 1. The working parameters of the pipeline in walnut shell filter skid
| 服役溫度/℃ | 服役壓力/MPa | 日處理量/m3 | 含氧量/(mg·L-1) | 含硫量/(mg·L-1) | pH |
|---|---|---|---|---|---|
| 55~60 | 0.5 | 5520 | 0.05 | ≤150 | 5.3~6.3 |
分享：某油田核桃殼過濾器撬塊內(nèi)管線選材評價
中東某油田的核桃殼過濾器撬塊內(nèi)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(nèi)管線的費用并不高,但給油田的正常計劃生產(chǎn)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(tǒng),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(jié)垢物等雜質(zhì),達到凈化水質(zhì)的目的。核桃殼過濾器撬塊內(nèi)由2″-12″的管線、三通及彎頭構(gòu)成,其中管線材料均為L245鋼,其特點是空間緊湊、管線復(fù)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(nèi)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(shù)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(fēng)險。
表 2 核桃殼過濾器撬塊內(nèi)管線中的水介質(zhì)成分及pH
Table 2. Composition and pH of water medium of the pipeline in walnut shell filter skid
| 質(zhì)量濃度/(mg·L-1) | pH | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ca2+ | Mg2+ |
|
|
Cl- | 總硫 | 溶解性總固體 | |
| 1 000~2 000 | 600~800 | ≤300 | ≤3 000 | ≤150 000 | ≤150 | 180 000~210 000 | 5.3~6.3 |
為徹底解決核桃殼過濾器撬塊內(nèi)管線的腐蝕問題,筆者從調(diào)研、試驗、施工與經(jīng)濟性評價等方面,優(yōu)選出耐蝕性好、易加工且經(jīng)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(diào)研了國內(nèi)油氣田水處理系統(tǒng)在用管材的應(yīng)用情況,初步篩選出了四種適用于核桃殼過濾器撬塊內(nèi)管線的管材。其中,金屬管材的篩選依據(jù)為類似工況下的耐蝕性,非金屬管材的篩選依據(jù)為耐溫性及其與水介質(zhì)的相容性。具體調(diào)研結(jié)果如下。
陜北某天然氣處理廠回注水系統(tǒng)中主要采用L245鋼,少數(shù)設(shè)施采用316L不銹鋼?，F(xiàn)場回注水(礦化度29 794.94 mg/L)中腐蝕掛片結(jié)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?？傮w來看,316L不銹鋼腐蝕較輕微[1]。針對長慶油田某區(qū)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(jié)果表明,316L不銹鋼的腐蝕速率低于0.003 7 mm/a,表現(xiàn)出良好的耐蝕性。
針對烏石區(qū)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(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%~5%)在高溫高壓高礦化度環(huán)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(xiàn)下降趨勢。后續(xù)選取應(yīng)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(yīng)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(jié)果表明,含Cu的X80管線鋼表面只產(chǎn)生少量的點蝕坑,且分布不均勻,不含Cu的X80鋼表面產(chǎn)生大量的點蝕坑。于浩波等[6]采用室內(nèi)浸泡試驗和現(xiàn)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(nèi)浸泡試驗結(jié)果表明,L245NCS鋼表面存在大量點蝕坑,生物膜內(nèi)有微生物菌落聚集。而含Cu抗硫管線鋼表面微生物數(shù)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?，F(xiàn)場服役6個月試驗結(jié)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(xiàn)斑狀的局部腐蝕特征,斑下顯現(xiàn)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(huán)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(wǎng)、工業(yè)輸送系統(tǒng)中均有較好的應(yīng)用。
基于油氣田水處理系統(tǒng)在用管材調(diào)研分析結(jié)果,初步篩選出了可用作核桃殼過濾器撬塊內(nèi)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(zhì)相容性較好的PE-RT II管材。在此基礎(chǔ)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(jīng)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(zhì)的相容性。參照標(biāo)準(zhǔn)ISO 22391-2-2009 Plastics Piping Systems for Hot and Cold Water Installations-Polyethylene of Raised Temperature Resistance (PE-RT) Part 2: Pipes,對其理化性能進行測試,測試項目包括管材基礎(chǔ)屬性(密度)、管材熱學(xué)性能(熔體流動速率、氧化誘導(dǎo)時間)、力學(xué)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(biāo)準(zhǔn)、試驗設(shè)備及型號、試驗方法如表3所示。
表 3 PE-RT II管材理化性能測試項目依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)
Table 3. Reference standards for physical and chemical property test items of PE-RT II pipe
| 測試項目 | 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn) | 試驗設(shè)備及型號 | 試驗方法 |
|---|---|---|---|
| 密度 | ISO 1183-1:2019 | 密度天平HZY-A120型 | 稱取不少于1 g的樣品,使用浸漬法(方法A),測試取3個平行樣 |
| 熔體流動速率 | ISO 1133-1:2011 | 熔體流動速率測定儀QJRZ-45型 | 稱取3~8 g研磨后的樣品,按照溫度190 ℃、載荷5 kg,取3個平行樣 |
| 氧化誘導(dǎo)時間 | ISO 11357-6-2008 | 差示掃描量熱儀ZX-DSC-300C型 | 氮氣氣氛中以20 ℃/min的速率從室溫開始升溫至210 ℃,取3個平行樣 |
|
抗拉強度 屈服強度 斷后伸長率 |
ISO 527-2:2012 | 伺服控制拉力試驗機TY8000型 | 拉伸速率為5 mm/min,取5個平行樣 |
| 拉伸模量 | 拉伸速率為1 mm/min,取5個平行樣 | ||
| 彎曲模量 | ISO 178:2019 | 加載速率為2 mm/min,取5個平行樣 |
相容性評價試驗依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)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中推薦的全浸試驗法。PE-RT II管的生產(chǎn)廠家為蘇州市萬年通管業(yè)有限公司,管線尺寸為?110 mm×15 mm,設(shè)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(cè)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(fēng)吹干。試驗參數(shù)取核桃殼過濾器撬塊典型的工況參數(shù)(見表1與表2),試驗周期為720 h。將準(zhǔn)備好的三個平行樣安裝在特制的試驗架上,放入反應(yīng)釜內(nèi)的腐蝕介質(zhì)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(jié)束后,觀察管材內(nèi)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(huán)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(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 11845-2020 Corrosion 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(huán)保設(shè)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(xué)成分詳見表4,每組設(shè)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(fēng)吹干后,測量每組試樣尺寸(精確到0.01 mm)及質(zhì)量(精確到0.1 mg)。將準(zhǔn)備好的試樣相互絕緣安裝在特制的試驗架上,放入反應(yīng)釜內(nèi)的腐蝕介質(zhì)。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(jié)束后,觀察試樣的宏觀腐蝕形貌,并拍照記錄,然后根據(jù)ISO/FDIS 8407-2020 Corrosion 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(chǎn)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(tài)與腐蝕速率為判據(jù),參照NACE RP 0775-2018 Preparation,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(biāo)準(zhǔn)詳見表5所示。評價三種材料在核桃殼過濾器撬塊服役環(huán)境中的耐蝕性,優(yōu)選出適用核桃殼過濾器撬塊服役環(huán)境的材料。
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(1) |
式中：vcorr為均勻腐蝕速率,mm/a；m1為試驗前試樣質(zhì)量,g；m2為試驗后試樣質(zhì)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 4 316L不銹鋼、3Cr鋼和抗菌鋼的化學(xué)成分
Table 4. Chemical composition of 316L stainless steel, 3Cr steel and antibacterial steel
| 試樣 | 質(zhì)量分?jǐn)?shù)/% | |||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | S | P | Cr | Mo | Ni | V | Ti | Cu | Fe | |
| 316L | 0.016 | 0.220 | 1.320 | 0.003 | 0.030 | 16.790 | 2.200 | 12.560 | - | - | - | 余量 |
| 3Cr | 0.190 | 0.320 | 0.470 | 0.008 | 0.089 | 2.930 | 0.390 | 0.170 | 0.010 | 0.020 | 0.330 | 余量 |
| 抗菌鋼 | 0.220 | 0.240 | 0.810 | 0.011 | 0.010 | - | - | - | - | - | 0.610 | 余量 |
表 5 NACE RP 0775-2018標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于碳鋼腐蝕程度的規(guī)定
Table 5. Provisions on corrosion degree of carbon steel in NACE RP 0775-2018 standard
| 腐蝕程度 | 均勻腐蝕速率/(mm·a-1) |
|---|---|
| 輕度腐蝕 | <0.025 |
| 中度腐蝕 | 0.025~0.125 |
| 嚴(yán)重腐蝕 | 0.13~0.25 |
| 極嚴(yán)重腐蝕 | >0.25 |
2.2 施工及維護評價
針對調(diào)研優(yōu)選的四種管材,在滿足核桃殼過濾器撬塊內(nèi)施工條件下,從管線現(xiàn)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(xiàn)場施工與維護的可行性。
2.3 經(jīng)濟性評價
在適用性評價與施工及維護評價基礎(chǔ)上,重點對調(diào)研優(yōu)選的四種管材的材料費、現(xiàn)場施工設(shè)備費、人員費等進行綜合分析,最終優(yōu)選出適用性、施工及維護可行性、經(jīng)濟性均較好的管材。
3. 結(jié)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(jié)果表明,相容性試驗前PE-RT II管材外壁和內(nèi)壁均無明顯缺陷及損傷,試溶解、氣泡、開裂及變形的現(xiàn)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(nèi)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(xué)性能、力學(xué)性能等均未出現(xiàn)顯著變化,且均滿足ISO 22391-2-2009標(biāo)準(zhǔn)的要求,在核桃殼過濾器撬塊內(nèi)服役工況下具有良好的適用性。
表 6 PE-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
| 項目 | 實測值 | 標(biāo)準(zhǔn)值 | |
|---|---|---|---|
| 相容性試驗前 | 相容性試驗后 | ||
| 密度(23 ℃)/(g·cm-3) | 0.934 | 0.945 | - |
| 熔體流動速率(190 ℃,5 kg)/(g/10min) | 1.03 | 0.91 | - |
| 氧化誘導(dǎo)時間(210 ℃)/min | 43.3 | 45.9 | ≥30 |
| 抗拉強度/MPa | 20 | 20.5 | ≥15 |
| 屈服強度/MPa | 19.5 | 20 | ≥15 |
| 斷后伸長率/% | 651 | 570 | ≥350 |
| 拉伸模量/MPa | 599 | 483 | - |
| 彎曲模量/MPa | 648 | 598 | - |
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 22391-2-2009,在80 ℃工作環(huán)境中,對于設(shè)計壓力1.25 MPa的PE-RT II管(規(guī)格為4″,外徑110 mm,壁厚10 mm),假設(shè)試驗開始時管內(nèi)壓為1.15 MPa,通過公式(2)計算靜液壓強度與管內(nèi)壓。試驗開始時靜液壓強度為5.8 MPa。通過PE-RT II管材預(yù)測靜液壓強度參照曲線外推,可以看出當(dāng)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(jù)式(2)可以計算出此時管內(nèi)壓為0.92 MPa,即設(shè)計壓力1.25 MPa的PE-RT II管(4″)在80 ℃、0.92 MPa內(nèi)壓條件下可使用20 a不滲漏。由于核桃殼過濾器撬塊內(nèi)管線工作壓力為0.5 MPa,使用溫度為55~60 ℃,可以預(yù)測使用設(shè)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(nèi)管線服役環(huán)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。
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(2) |
式中：σ為靜液壓強度,MPa；P為管線內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)中規(guī)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(jié)果表明,316L不銹鋼、3Cr鋼、抗菌鋼在核桃殼過濾器撬塊內(nèi)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 5 316L不銹鋼、抗菌鋼、3Cr鋼試樣在模擬環(huán)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(shè)計壓力為1.6 MPa,壁厚為5.54 mm,依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 559-1991中推薦的方法,計算管內(nèi)壓,如式(3)所示。參照圖5所示的腐蝕速率,在嚴(yán)格控制溶解氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)<50 μg/L的情況下,僅考慮腐蝕因素,核桃殼過濾器撬塊內(nèi)管線使用316L不銹鋼、3Cr鋼、抗菌鋼的預(yù)計使用年限均超過25 a。
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(3) |
式中：P為管線內(nèi)壓力,MPa；S為鋼管的壁厚,mm；D為鋼管的外徑,mm；R為允許應(yīng)力,為鋼管材質(zhì)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(shè)備尺寸要求的管線,優(yōu)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?？紤]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(fā)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(zhǔn)備異徑三通與連接儀表的內(nèi)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(nèi)絲管件與儀表連接。需要注意的是,當(dāng)PE-RT II管受陽光紫外線照射時,容易產(chǎn)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(dāng)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(nèi)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(jīng)濟性評價
PE-RT II、316L不銹鋼、3Cr鋼、抗菌鋼管材的經(jīng)濟性評價結(jié)果如圖6所示,其中各材質(zhì)的費用均包含核桃殼過濾器撬塊內(nèi)管線用全部管材費用、現(xiàn)場施工費用、焊接施工設(shè)備費用及稅費。從經(jīng)濟性評價結(jié)果可以看出,PE-RT II管材的經(jīng)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(zhì)管材的經(jīng)濟性評價結(jié)果
Figure 6. The economic evaluation results of four kinds of pipe material
4. 結(jié)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(yīng)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(nèi)的安裝施工要求。
(3) PE-RT II管材經(jīng)濟性最佳。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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