油气田气田腐蚀与防腐技术

油气田腐蚀与防护技术,张诚,中原油田采油工程技术研究院,中原油田采油院,汇报内容,第一部分腐蚀简介第二部分油气田腐蚀的现象、机理和分类第三部分材料选用与防腐蚀设计第四部分腐蚀的监测与检测,目录,中原油田采油院,一、腐蚀简介,腐蚀的损失：直接损失：腐蚀造成直接损失约为GDP的4%，石化行业中腐蚀损失一般高于6%。中国2008年GDP约为30万亿人民币，即腐蚀损失约1.2万亿人民币。汶川大地震直接经济损失为8451亿元。腐蚀损失约是汶川大地震损失的1.4倍。每年由于腐蚀而报废的金属设备和材料，约相当于金属年产量的1/3。全世界每年因金属腐蚀造成的直接经济损失超过了亿美元，是地震、水灾、台风等自然灾害造成损失总和的倍。间接损失：停工减产、产品质量下降、污染环境、危害人体健康、造成严重事故。,腐蚀的定义：材料在周围环境介质的作用下，逐步发生的物理化学变化而引起的性能降级。包括非金属，比如陶瓷材料等。,中原油田采油院,腐蚀是不可避免的对于绝大多数材料，在自然界存在时G=H-TS电化学腐蚀材料防腐缓蚀剂等其他手段腐蚀速率要求不得超过0.076mm/a，,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,3.2.1防腐材料选择程序、选材依据：列出对材质的要求利用经验找出可能使用的材质根据应考虑的因素进行适应性评价试验选择最经济的材料,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,3.2.2影响材料在腐蚀性环境开裂的主要因素1）冶金因素：化学成分、热处理、微观结构、屈服和拉伸强度/硬度、冷加工变形、制造流程2）应力状态残余应力、外部应力、应力加载方式3）硫化氢环境材料临界应力强度因子KISSC,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,3.2.3选用碳钢和低合金钢时需要考虑的因素化学成分、制造方法、成形方式、强度、材料的硬度和局部变化、冷加工量、热处理条件、材料微观结构、微观结构的均匀性、晶粒大小和材料的纯净度；H2S分压或在水相中的当量浓度；水相中的Cl-浓度；水相酸碱值；是否存在元素硫或其他氧化剂；非产层流体侵入或与非产层流体接触；温度；应力状态及总拉伸应力（外加应力和残余应力）；暴露时间。,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,3.2.4耐蚀合金选用时需要考虑的因素：（1）气相中CO2分压；（2）气相中H2S分压；（3）使用的温度；（4）水相的碱性（pH值）；（5）Cl-或其他卤化物的浓度；（6）是否有元素硫存在。,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,三、材料选用与防腐蚀设计,3.2.5材料初步选择,中原油田采油院,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,3.2.6材料服役安全性能评价（1）抗应力腐蚀性能测定方法NACETM0177-2005提供了四种测定应力腐蚀实验方法和判别标准。包括：(1)方法A（恒载荷拉伸实验）(2)方法B（弯梁实验）(3)方法C（C形环法）(4)方法D（双悬臂梁，DCB实验）另有慢拉伸速率应变法（SSRT法）等。,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,（2）材料耐氢脆能力测定方法：要求：裂纹面积比（CSR）2%，裂纹长度比（CLR）15%，裂纹厚度比（CTR）5%,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,（3）材料电化学腐蚀速率测定：模拟环境，油气井用材料经常采用高温高压反应釜进行挂片试验，测定腐蚀失重速率以及点蚀情况。经常需要测定电偶腐蚀的腐蚀速率。,三、材料选用与防腐蚀设计,缺陷在于：所得腐蚀数据是概率值大多数的腐蚀破坏以局部腐蚀为主腐蚀速率并非是不变的承受应力或氢侵入时腐蚀速率会增加需要研究所承受的应力、腐蚀产物膜的性能以及氢的渗透与破坏。,中原油田采油院,（4）耐蚀性评价中应注意的几个问题（1）任何时候，任何情况下都不要假定或推测材料的使用环境条件，不要在“可能”、“大概”的前提下去选择材料。（2）既要考虑材料的优点，更要注意材料的弱点和可能发生的腐蚀问题。（3）使用不同材料组合时，要考虑材料之间的相容性。（4）材料的性能不是恒定的，经过实际使用时由于应力作用下的形变和环境氢的渗入，材料性能本身可能发生改变。因此需要重视设备实际使用经验，积累腐蚀数据、案例，特别是设备腐蚀破坏事故的有关资料。,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,三、材料选用与防腐蚀设计,（1）系统中油、气、水的流动方向发生突变的位置。在这些部位往往容易产生湍流和流速的急剧变化。（2）系统中存在死角、缝隙、旁路支管、障碍物或其它呈突出状态的部位。这些部位容易腐蚀，原因有三：一是这些部位容易产生滞留区，沉积物或腐蚀产物的积聚容易引发形成闭塞电池；二是这些区域形状特点会造成这些部位的局部腐蚀气体的分压升高；三是这些部位容易发生湍流引起冲刷腐蚀。（3）设备装置的受应力区。如焊缝、铆接处、螺纹连接处，经受温度交替变化或应力循环变化的区域。这些部位易产生应力腐蚀、焊缝腐蚀、缝隙腐蚀和腐蚀疲劳等。（4）设备中两种金属接触部位，易发生电偶腐蚀。,3.3防腐蚀结构设计3.3.1易发生腐蚀的部位,中原油田采油院,三、材料选用与防腐蚀设计,3.3.2高酸性气田腐蚀控制对管柱及采气站场结构设计的一般要求：（1）注意材料的相容性和设备之间的相互腐蚀性影响。避免强电偶连接和大阴极小阳极的连接方式。（2）管柱和设备的结构应尽可能简单，减少腐蚀电池形成的机会。（3）管壁的表面状态应当均匀、平滑、清洁，上扣机具不应造成大的压痕（如普光采用的微压痕钳上扣）。(4)结构上应尽量避免缝隙、液体停滞、应力集中、局部过热等不均匀因素。（5）管柱和流体通道内应避免流速突然变化和发生湍流。（6）防止单质硫沉积和水合物的形成,中原油田采油院,尽量集中附件、简化主体设计,不良,良,入孔,安全阀,排出管,排出管,入孔,安全阀,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,表面;应简单、平滑、清洁，避免尖角和切痕。焊缝应整理和打磨，除去凹出物，填充孔隙，突出的紧固件愈少愈好,尖角粗糙雪痕,圆角平滑,不良,良,I不良（焊接缺陷）,良,良（磨去凸出物,良（填充孔隙）,最好,较好,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,3.3.3防腐蚀结构设计的若干细则,（1）排液防止液体停滞金属结构和设备的外形应避免积水，减少易积水的间隙，凹槽和坑洼；贮罐和容器的内部形状应有利于液体排放；管道系统内部要流线化，使流动顺畅；,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,不良（聚积沉淀）,不良（液体停滞）,良,良（卧式容器向出口倾斜）,贮罐和容器应有利于排液,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,（2）消除温度不均,避免局部过热：被焊组件的厚度不要相差很大；和高温气体接触的设备，要避免局部地区温度偏低。,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,不良（钢支柱散热）,良（避免形成冷凝液）,保温时避免形成“冷点“,热气体,冷凝液,隔热材料,热气体,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,（3）避免(或减少)电偶腐蚀影响,用绝缘材料把异金属部件隔离；降低异金属部件之间的电位差异；降低电偶对结合处环境的腐蚀性，保持干燥；增加异金属部件在溶液中的距离(不要靠得太近)使腐蚀电池溶液通路的电阻增加；,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,用绝缘的方法防止电偶腐蚀,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,（4）避免缝隙,选择适当的联接方式，对于不可拆卸联接，只要允许，应优先选用；当设计中缝隙不可以避免时，可以采取适当措施防止形成闭塞条件；固体悬浮物质的沉积以及SRB腐蚀是造成缝隙的另一个重要原因。,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,缝隙,用焊接代替铆接和螺纹联接,不良,不良,好,不良（螺纹联接）,良（钎焊）,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,（5）减少冲刷(磨损),改善流体的流动状态，减少湍流和涡旋的形成；流速要适当。避免流动方向突然改变，以减小流体的冲击作用。管道系统中流动截面积不要突然改变，以避免扰动流动状态。减少气体中夹带悬浮固体物质，除去气体和蒸气中的冷凝液滴，可以大大降低液流和气流对设备的磨损。,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,冲刷,避免流动方向突然变化,d,良,不良,最小3d,d,d,最小长度3d,最小半径3d,不良,良,良,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,消除残余应力影响的措施,（1）避免局部应力集中（2）考虑设备在运行中因热膨胀、震动、冲击等原因可能引起的变形。（3）用热处理、振动时效、超声波时效消除残余应力，如焊接残余应力。（4）用表面喷丸、喷砂、锤打等方法消除表面拉应力并引入压应力，可以增加合金材料抵抗应力腐蚀破裂的能力，也可以大幅度提高材料抗腐蚀疲劳的能力。,三、材料选用与防腐蚀设计,（6）消除应力,中原油田采油院,高镍合金,SM-2050C276,SM-2535、SM-2550、028、G3、825、718、925,H2S分压(atm),CO2分压(atm),3.4普光气田的防腐蚀设计实例,三、材料选用与防腐蚀设计,1）高含H2S与CO22）高温高压，流体在井筒内可能处于超临界状态3）地层水矿化度高，Cl-含量高4）不含凝析油，有元素硫析出,3.4.1材料选择,中原油田采油院,整套油管全部采用抗H2S和CO2的G3高镍基合金钢。套管下部采用825合金钢，上部采用高抗硫钢110SS，下永久式封隔器。环空加高浓度缓蚀剂保护液。套管和井口连接位置、套管下部高合金钢和抗硫碳钢连接位置是发生电偶腐蚀的敏感部位。,电偶腐蚀,电偶腐蚀,3.4.2管柱设计,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,微牙痕作业工具,大钳作业与微牙痕作业对油管损害对比,微牙痕作业,大钳作业,油管的机械损伤会大大降低油管的抗SSC能力，必须采用专用的下井工具，减少对油管的损伤，同时保证对油管丝扣的密封性能。,3.4.3专用工具,三、材料选用与防腐蚀设计,中原油田采油院,VAMTOP扣和套管组成连接后内部平滑，消除涡流密封面在端部，形成的缝隙非常狭小，降低缝隙腐蚀整体分散应力，避免与流体接触区域产生过大的应力集中,三、材料选用与防腐蚀设计,3.4.4扣型选择,中原油田采油院,4.1腐蚀监测和检测的意义,四、腐蚀的监测与检测,腐蚀监/检测就是利用各种手段对材料/设备的腐蚀速率以及腐蚀状况进行测量。分为离线检测和在线监测：离线检测：设备运行一段时间后，检查设备的腐蚀状况，如有无裂纹，剩余壁厚，剩余强度等。在线监测：设备处于运行状态，利用各种探头测量其腐蚀速率，以及能影响腐蚀速率的各种工艺参数，并据此调整工艺参数，控制腐蚀的发生与发展，使设备处于良好的可控运行状态。,中原油田采油院,4.2油气田的腐蚀检测与检测：4.2.1井筒的腐蚀监测：井下挂环、井径法、电磁探伤测井、井下超声电视测井等4.2.2地面设施的腐蚀监测全面腐蚀:电阻探针(ER)电感探针挂片法线性极化探针(LPR)电指纹法氢探针局部腐蚀:电化学噪声(仅仅定性的)智能清管耦合多电极矩阵传感器(定量的,0.02mpyor0.5m/yr),四、腐蚀的监测与检测,中原油田采油院,电感探针,电化学探针,电阻探针,电阻探针,耦合多电极,挂片,中原油田采油院,监测方法对比,四、腐蚀的监测与检测,中原油田采油院,监测方法对比,四、腐蚀的监测与检测,中原油田采油院,各种腐蚀测量方法都由其优越性和局限性。要实现准确的测量和迅速控制，单一的测量方法是不能满足要求的。需要多种技术的联合使用才能达到目的。,监测方法的选择,四、腐蚀的监测与检测,中原油田采油院,利用细小的金属丝来模拟金属腐蚀的微小阳极或阴极区域。通过测量电极间的电流大小及流动方向来得知不同金属丝的腐蚀程度。,CMAS原理:实物图,几种新兴的监测技术,四、腐蚀的监测与检测,耦合多电极法,中原油田采油院,CMAS原理,四、腐蚀的监测与检测,耦合多电极法,中原油田采油院,由美国西南研究院开发，基于磁致伸缩效应（MagnetostrictiveSensor，MsS）的长距离超声导波系统，在管道检测的精度对外宣称为2%-3%，据研究认为该技术可以发现管道发生的腐蚀缺陷，并较为准确地确定其长度方向上的位置，但不能确定缺陷的性质，需要通过其他检测手段进行确认。同时，该技术现场检测的有效长度受到焊缝、支架、弯管等因素的影响较大。,四、腐蚀的监测与检测,磁致伸缩导波检测,当传播中的导波遇到结构的突变(焊缝或者缺陷)，一部分导波就会被反射回原检测点产生微小的振动，这种振动将引起铁磁性材料的磁畴按照一定方向运动，引起材料的磁化状态发生变化(磁致伸缩效应的逆效应)而被传感器所检测到，以达到检测构件状况的目的。,中原油田采油院,四、腐蚀的监测与检测,氢通量法,管线应力腐蚀风险与渗入金属基体的原子氢浓度和材料自身临界阀值有关。研究材料的氢渗透行为，确定发生氢致开裂和应力腐蚀的门槛值，利用氢探针监测到的原子氢浓度与管材阀值比较可以得到材料应力腐蚀开裂趋势,中原油田采油院,普光现场监测方法,某站监测点分布示意图,四、腐蚀的监测与检测,中原油田采油院,普光现场监测方法,某站计量分离器液相出口监测点实物图,四、腐蚀的监测与检测,中原油田采油院,四、腐蚀的监测与检测,监测方法实例,某站生产流程腐蚀趋势,（1）挂片法,中原油田采油院,四、腐蚀的监测与检测,（2）电阻探针法,某站ER1202曲线2009.10.29-2009.12.24,中原油田采油院,某站LPR1401曲线2009.12.23-2010.1.6,线性极化探针数据更离散，相邻时间点所显示读数值相差十几倍，这与其基于的工作原理有一定关系，同时与环境和设备的稳定性有关。,（3）线性极化探针,四、腐蚀的监测与检测,中原油田采油院,2#阀室FSM监测数