油田注水抗腐蚀管道材质的选择

2018-11-08桑元龙胡力耀王文灿

石油工程建设 2018年5期

桑元龙，胡力耀，王文灿，孙海

中国石油工程建设有限公司中东地区公司，北京 100011

油田注水管道输送的是处理后的油田产出水，产出水往往具有高压、高温、高氯离子含量等特性，因此产出水的腐蚀性往往很强，这就导致了不少油田注水管道出现腐蚀穿孔，从而引起污水泄漏等问题，给油田的正常生产造成困扰，同时泄漏的污水也会污染环境。如何正确地选择油田注水管道的材质，是油田正常生产、安全运行以及满足环境保护等要求的保证。本文在实际工作经验的基础上，总结归纳了油田注水管道材质选择和腐蚀控制方法。

1 油田注水管道腐蚀原因分析

油田产出水之所以腐蚀性较强，是油田产出水自身的特性决定的，主要特性有以下几点。

1.1 矿化度

油田产出水的腐蚀性通常也以矿化度来描述，依据造成腐蚀的程度，一般把污水分为三个等级。

（1）轻腐蚀污水：矿化度小于12 000 mg/L。

（2）中腐蚀污水：矿化度为12000～20000mg/L。

（3）重腐蚀污水：矿化度大于20 000 mg/L。

根据目前接触到的项目，油田产出水的矿化度基本都大于20 000 mg/L，属于重腐蚀污水。矿化度越高，产出水越容易在管道中结垢，形成垢下腐蚀，而产出水含有的氯离子和细菌，也加速了垢下腐蚀的速度。

1.2 氯离子含量

油田产出水中往往氯离子含量比较高，一般产出水中氯离子质量浓度均超过100 000 mg/L。氯离子的危害会造成金属管道点蚀，造成管道局部腐蚀穿孔，见图1。

1.3 氧含量

氧本身具有较大的电负性和较高的电极电位，具有较强的氧化势和阴极去极化能力。在油田产出水系统中溶解氧与金属发生如下电化学反应：

阳极：Fe→Fe2++2e

图1 油田注水管道腐蚀穿孔现场照片

阴极：O2+2 H2O+4e→4OH-

生成的Fe（OH）2极易被氧化成胶体颗粒Fe（OH）3，使水中不溶解固体颗粒含量上升，引起管道的堵塞。同时，水中H2S或CO2的存在，对氧腐蚀又有很大的促进作用。

1.4 硫化氢含量

产出水中的H2S具有腐蚀性，可生成FeS沉淀，FeS易和原油粘结在一起堵塞油管；同时，在粘结部位由于形成电位差原因还能引起局部腐蚀。H2S还引起污水pH值变化，加速腐蚀，当H2S含量高时还可向钢铁内部渗透形成氢脆，引起钢铁晶格变异性破坏。

溶解于产出水中的H2S来源：一是从油层中带来的，二是水中硫酸盐还原菌将有机物分解（异化作用）所产生的，三是水中硫酸盐（CaSO4）和原油中烃还原产生的，四是硫酸盐还原菌对硫酸盐的还原。

1.5 细菌

产出水中可能存在硫酸盐还原菌（SRB），SRB是油田污水中危害最大的细菌，在44～55℃、pH值为7.0～8.0条件下最适宜生长繁殖。SRB细菌会引起管道点蚀并最终腐蚀穿孔。

1.6 其他因素

其他因素如悬浮物、含油量、设计因素（流速低、配管转弯多、间歇操作）、材质因素、焊缝缺陷因素等，这些都是引起腐蚀的重要原因。

2 油田注水管道材质的选择

油田注水管道材质选择可以考虑以下几种类型。

2.1 碳钢管道（考虑腐蚀余量+化学药剂注入）

油田注水管道采用碳钢材质是一种比较经济的选择，但也是风险最大的一种选择，如果在设计阶段不给予特殊的考虑，往往容易造成碳钢注水管道腐蚀穿孔，因此如果选择碳钢材质的注水管道，需要给予如下考虑。

（1）考虑一定的腐蚀裕量：如管道考虑6 mm腐蚀裕量。

（2）严格控制产出水中溶解氧含量：溶解氧含量最好控制在10～20 μg/L[1]，水处理设施中需要增设真空脱氧塔和/或加注除氧剂。

（3）加注化学药剂：加注缓蚀剂（建议使用钝化膜型缓蚀剂，如钼酸盐）、加注除氧剂（如加注饱和亚硫酸钠溶液）、加注杀菌剂、加注pH值调和药剂（调和后pH值为7±0.5）。

（4）其他需要考虑的条件：尽量保证产出水的流速＞1.5 m/s，水处理设施采用氮气隔离防止曝氧。

2.2 碳钢管道+等径压缩HDPE内衬

等径压缩HDPE管技术是在主管道内插入一条高密度聚乙烯管（HDPE）的方法，这项技术既适用于新建注水管道，也适用于旧管道改造。由于HDPE管造价低廉，且耐腐蚀性和耐磨性都非常好，也不容易结垢，因此使用该项技术是比较经济的一种选择。

该技术原理是：将外径比主管道内径稍大一点的HDPE管，经过多级径向均匀压缩装置暂时减小HDPE管的外径，此压缩是采用滚轮滚动压缩的；而后由牵引机牵引，将缩径的HDPE管插入主管道中，经过不小于24 h后，HDPE管自然恢复到原来的直径，也可采用辅助压力、温度措施使其恢复，这样穿插入的HDPE管就与主管道结合在一起了，达到增强和内防腐的目的。该项技术的施工原理如图2所示。

该项技术适用于工作压力≤35 MPa、DN100～DN1200管道的内衬操作，且施工距离长（一次性穿管能达到1.5 km）。缺点是：每隔1.5 km需要有一处法兰连接点。法兰属于异形结构，法兰的外防腐不容易施工，推荐使用Denso矿脂带或者STOPAQ黏弹体加外保护带的防腐处理方法对法兰进行防腐。同时，管道弯头最好也采用法兰连接，否则在拖拽HDPE管时，钢丝缆绳有可能磨损弯头，导致弯头机械性破坏。该项技术需要由专利厂家现场配合完成，国内一些厂家（如柯林瑞尔）能够提供该项技术，并且成功地在一些国内和国外油田注水项目上得到应用。

图2 碳钢管道内衬HDPE管施工原理示意

2.3 采用非金属管道

非金属材质的管道，如玻璃钢管（GRE管）、HDPE管等，具有造价低廉、较低的水力摩阻、耐腐蚀性和耐磨性好等优点，近几年在油田注水项目中得到了大量的应用，在减缓钢制管道腐蚀、节省地面投资、降低维护成本等方面发挥了重要作用。但非金属管道普遍具有以下缺点：其一，耐压程度不高。比如：玻璃钢管的最大耐压能力只有25 MPa（≤DN100），而且其耐压能力随着水温的升高而降低，在设计时还需要考虑温度修正系数。其二，容易老化变脆，无法满足全周期使用寿命要求。尤其是地面上安装，受太阳紫外线辐射影响，非金属材质容易老化变脆，导致非金属管道损坏，因此最好埋地使用。其三，施工难度偏大。比如：玻璃钢管的连接依靠螺纹连接，现场施工难度增加，施工进度受到影响。

2.4 碳钢管道（考虑内涂层+焊口UB滑套技术）

该项技术采用的是美国国民油井公司NOV的技术，全称是Tuboscope Thru-Kote UB Sleeve技术，该项技术对碳钢管道采取涂覆内涂层（改性环氧酚醛、环氧酚醛等优质内涂层材料）保护、管道焊口处采用UB滑套隔离，UB滑套及UB滑套安装示意如图3所示。

图3 UB滑套及其安装示意

采用该项技术在管道建设的经济性方面，尤其是在高压注水管道的建设方面，有着很大的优势。而且由于施工简单，也便于施工现场快速地完成施工工作，且优异的内涂层质量以及焊接接口UB滑套技术，保证了注水管道的耐腐蚀性和耐磨性。UB滑套技术所保护的注水管道也可以实现顺利通球，但只能使用皮碗式清管球，防止清管球对内涂层剐蹭造成损伤或者破坏。

该项技术在国内是由河北华油一机图博涂层有限公司代理的，但在国内该项技术尚未得到大面积应用，也未见国家标准对该项技术给予支持。在国外尤其是在中东地区如沙特、科威特、巴林等国家开设有工厂，在中东地区该项技术得到了广泛的应用。

2.5 双金属复合管

双金属复合管（见图5～6）是在碳钢管道内部覆衬一定厚度的不锈钢、合金钢等耐腐蚀合金的复合管，分机械复合管和堆焊复合管。双金属复合管的设计原则是基材（碳钢）满足管道设计压力，复层（不锈钢或合金钢）耐腐蚀或磨损等。双金属复合管能有效降低成本，同时由于工作介质与合金层直接接触，双金属复合管又可以提高安全性和可靠性[2]。但需要注意的是：机械复合管现场不能切割，否则在切割部位无法焊接；而堆焊复合管可以现场切割和焊接，但造价相对要高。因此在选择复合管型式时，需要根据现场施工需要进行合理选择。

图4 双金属复合管的结构示意

油田注水管道系统也可以采取该项技术，比如可以在碳钢管道内部衬一层2～4 mm的825合金层，焊接时可以采用AWS 5.14 ERNiFeCr-1合金钢焊条进行焊接。825合金复合层可以有效防止产出水腐蚀，从而保证整个产出水系统的安全性。

2.6 不锈钢管道

油田产出水中氯离子含量往往很高，而氯离子对不锈钢点蚀是很严重的。油田注水管道常使用抗点蚀能力很强的双相不锈钢材质，双相不锈钢按类型又可以分为以下几类。

（1）贫双相不锈钢：如 S32101、S32202、S32304、S32003、S82011和S82441，有资料显示其中S32003耐氯离子点蚀能力很强[3]，且经济性也很好，因此推荐可以在油田注水管道上使用。

（2）标准双相不锈钢：如S31803、S32205，其中S31803在油田注水系统中使用很多，但其价格比较昂贵。

（3）超级双相不锈钢：如S32520、S32550、S32750、S32760和S32906。超级双相不锈钢可以满足油田注水管道材质要求，但其价格昂贵，不太适用于长距离输送注水管道。

由于油田注水管道往往都要埋地敷设，因此如果使用不锈钢管道，往往会出现不锈钢管道外表面防腐处理困难的问题，因此建议油田注水地上管道可以考虑使用上述不锈钢材质。

3 油田注水管道材质选择实例

某国外油田产出水处理后需要回注到地下。油田产出水的参数为：氯离子含量158 000 mg/L，水温70～85℃，pH值6.5～7，油含量约6 mg/L。

由于产出水中氯离子质量分数达到了15.8%，且水温较高，产出水的腐蚀性很强，但在设计过程中严格控制了产出水中溶解氧的含量，于是选择了较低等级的管道材质。经充分的考虑和设计，该油田注水系统管道材质选择如图5所示。

图5 国外某油田产出水注水系统材质选择

从图5中可以看出：其一，地上管道材质选取双相不锈钢31803，这是考虑到地上管道死液点比较多，容易在死液点位置发生点蚀，所以地上管道按照较高等级材质选取；其二，站内地下管道选取玻璃钢管，这是考虑到站内地下管道压力较低，适宜选用非金属材质的管道，而且还可以节省一定的费用；其三，站外地下管道选取碳钢加6 mm腐蚀余量，这是考虑到站外埋地管道操作压力很高（21 MPa），水中含氧量比较低，而且在注水泵入口已加注了缓蚀剂、杀菌剂和除氧剂，这些药剂也能够减小碳钢管道腐蚀速度。

按照以上原则选取的油田注水管道已投入生产使用近三年，目前运行良好，未发现腐蚀穿孔等严重问题，证明该国外油田注水管道的材质选择是正确合理的，这对其他项目注水管道的材质选取也有一定的借鉴意义。