高含硫天然气管道腐蚀机理分析

2022-09-10

天然气进行开采时, 常常会伴随一部分的伴生气体。这些气体有硫化氢、二氧化碳等。这些气体不但减少了天然气的热值, 而且对生产过程中的设备有腐蚀作用。这种腐蚀对生产设备具有严重的伤害, 如可以使天然气井油 (套) 管的断裂、集输管线爆破等, 使正常的供气过程受到迫害, 能够直接影响用户的生活。由此可见, 生产设备的腐蚀不仅造成了国家的经济损失, 而且对工作人员的生命安全造成严重的伤害。因此, 为了科学的进行生产, 采取适合的方法解决腐蚀的问题进行研究是非常有必要的。

一、腐蚀类型及机理

根据部分实际的调查显示, 管道的腐蚀受到很多因素的影响, 如受到管材质量、输送介质以及管道防腐水平的影响。管道内发生腐蚀存在很多的类型, 主要有均匀腐蚀、坑蚀、应力腐蚀、冲刷腐蚀等几类:

1. 均匀腐蚀

主要因为生产中的天然气中含有一定的水汽, 在一定的环境下, 天然气中的水汽可以再传输管壁上形成水膜, 硫化氢和二氧化碳等酸性气体可以溶于水膜中, 使管道发生腐蚀。

2. 坑蚀

管道钢发生坑蚀的条件在气相和液相环境中都可以发生。常常发生坑蚀的条件如管壁腐蚀物不均匀、硫及多硫化物的沉积、腐蚀产物保护膜出现结晶剥裂等。

3. 应力腐蚀

在含湿硫化氢的天然气介质中应力腐蚀主要是硫化物应力腐蚀开裂, 硫化氢水解后吸附在钢表面的HS-会加速阴极放氢, 从而导致材料韧性下降、脆性增加, 在应力远低于材料屈服强度的情况下发生滞后断裂。

4. 冲刷腐蚀

在气体流速较高时, 管道钢遭受冲刷腐蚀也比较严重, 由于腐蚀产物被直接冲击的气流带走, 新的金属面不断裸露, 从而加速了腐蚀, 曾发生多次的弯头处气流冲击面壁厚减薄而引起的泄漏事故。硫化氢在水中的溶解度较高, 引起的主要腐蚀类型有电化学失重腐蚀、氢鼓泡和氢脆、硫化物应力腐蚀破裂等, 硫化氢对管道钢的腐蚀受到硫化氢浓度、PH值、温度、压力等的影响。

二氧化碳对钢材的腐蚀主要是天然气中的二氧化碳溶于水生成碳酸而引起电化学腐蚀所致, 同硫化氢一样, 只有与水共存时, 二氧化碳才会腐蚀钢材, 二氧化碳水溶液对钢材的腐蚀存在多种不同的形式, 其腐蚀速度也不相同。

二、高含硫化氢气田腐蚀采取的主要防护措施

普光气田集输系统采用“抗硫管材+缓蚀剂+防腐涂层+阴极保护”的联合防腐工艺, “腐蚀监测+智能清管+介质分析”的综合监测技术, 主要包括抗酸管材选用、化学药剂加注、阴极保护等抗腐蚀措施和介入式、非接介入式监测系统, 挂片监测, 智能检测等检测手段综合运用。

1. 选用抗硫材料, 实现本质安全

普光气田集气站采气树井口至加热炉管线为镍基合金825管材 (UNS N08825) ;加热炉至出站工艺管道及外输管道为抗硫碳钢管材;火炬放空系统为抗硫低温碳钢管材 (ASTM A333Gr.6) ;药剂加注管道为不锈钢管材 (316L) 。

2. 实施化学药剂加注, 加强材料腐蚀防护

根据普光气田高含硫及二氧化碳的实际情况, 参考国外高酸气田开发缓蚀剂使用的经验和标准, 分别通过实验室条件和模拟工况条件下的多次筛选试验, 最终选用物理、化学性能均符合普光气田地面集输实际工况的高效缓蚀剂, 并采用连续加注和批处理方式分别实施药剂加注。

(1) 缓蚀剂连续加注工艺

基于普光气田的特殊工况, 缓蚀剂的品种选择、用量选择、使用方式等都与常规气田有较大差异。普光气田根据实际工况采用科研院所选型后最适合现场管材的水溶性缓蚀剂[6], 主要采用专用加注撬块实现。

(2) 缓蚀剂预涂膜和批处理工艺

预涂膜和批处理工艺, 主要是针对集输管网新管材投用前和管道运行期间实施的一种缓蚀剂防护工艺, 这种工艺可以是缓蚀剂在管线上形成一层粘性极强的薄膜[7], 从而有效防止采出流体中硫化氢、二氧化碳以及腐蚀性盐水造成的腐蚀。根据工艺条件预涂膜和批处理一般选用了稳定性强的阳离子薄膜胺类缓蚀剂油溶性缓蚀剂。

批处理工艺主要包括清管作业和批处理作业两个阶段, 清管就是先利用清管技术将管道内杂质清除, 保持管道内壁清洁, 为下步批处理质量提供基础。在清管合格后, 采用两个批处理工艺球夹缓蚀剂段塞的方法进行批处理作业, 利用酸性天然气作为动力推动段塞, 控制好气量保证缓蚀剂批处理球移动速度, 达到涂膜均匀的目的, 对管道内腐蚀进行控制。

结语

天然气在现代社会经济结构中, 起着重要作用, 由于其环境的复杂性, 在天然气输送过程中, 备受腐蚀问题的困惑, 据调查, 我国东部九个油气田各类管道因腐蚀穿孔达2万次/年, 更换管道数量达400km/年, 因腐蚀造成的年直接经济损失约为数亿元, 因此, 加强对腐蚀及防腐问题的研究, 具有重要的经济意义。

摘要:普光气田是迄今为止国内规模最大的整装海相气田, 也是全面开发的高含硫化氢气田, 自2009年正式投入运行以来, 累计生产天然气超百亿立方米, 为高含硫化氢气田安全开发提供了经验。在天然气集输过程中, 一些伴生气体的产生, 会对集气管道有腐蚀作用, 严重的会造成集气管道的破裂、破坏正常平稳供气、影响用户的生活。本文中主要介绍了, 管道内的不同腐蚀类型, 还有各种腐蚀产生的条件。主要介绍了硫化氢和二氧化碳的具体腐蚀的情况。还有工程实施中经常使用的防腐措施。常用的有加缓蚀剂抑制腐蚀、利用涂层保护隔离管道与腐蚀介质、选用具有良好耐蚀性能的合金钢、采用清管作用清除管内水等。而且对缓蚀剂的使用条件进行具体的介绍。各种条件说明现阶段, 研究适合的防止天然气管道腐蚀措施的重要性和必要性。

关键词:硫化氢,腐蚀,机理,防腐,缓蚀剂

参考文献

[1] 石油工人技术培训系列丛书油气管道保护技术石油工业出版社茹慧灵主编2008.

[2] 严大凡主编、输油管道设计与管理、石油工业出版社1998.

[3] 肖纪美编著中国腐蚀与防护学会主编腐蚀总论化学工业出版社1994.

[4] 杨文治编著电化学基础北京出版社1982.

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