塔里木油田某含硫化氢区块20G管材应用研究

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李洪鹏1

（中油（新疆）石油工程有限公司）

摘要

为研究原油伴生气中硫化氢的腐蚀问题，根据腐蚀机理，结合南疆某含硫化氢区块原油伴生气组分的腐蚀特性，开展腐蚀试验，优选20G NACE涂层无缝钢管从管道设计、施工技术等方面进行探究，结合现场实际应用情况，研究NACE涂层20G无缝钢管耐腐蚀性和抗氢致开裂、硫化物应力腐蚀开裂性能。


关键词

20G无缝钢管 NACE涂层 硫化氢腐蚀 渗氢

正文


Research on the Application of 20G Pipe Materials in a Hydrogen Sulfide Containing Block in Tarim Oilfield

Li HongPeng1

（Xinjiang Petroleum Engineering Co.,Ltd Design Branch）

Abstract:In order to study the corrosion problem of hydrogen sulfide in crude oil associated gas, based on the corrosion mechanism and the corrosion characteristics of the components of crude oil associated gas in a hydrogen sulfide containing block in southern Xinjiang, corrosion tests were conducted to select 20G NACE coated seamless steel pipes. From the aspects of pipeline design, construction technology, and other aspects, combined with the actual application situation on site, the corrosion resistance, hydrogen induced cracking resistance, and sulfide stress corrosion cracking performance of 20G NACE coated seamless steel pipes were studied.

Key words:20G seamless steel pipe; NACE coating; hydrogen sulfide corrosion; hydrogenation；Crude oil containing hydrogen sulfide; Associated gas containing hydrogen sulfide

随着含硫原油伴生气加工量的增加，硫化氢对管道的腐蚀破坏已成为石油行业较为突出的问题，特别是湿 H2S 应力腐蚀开裂，一旦发生事故往往灾难性的。因此，开展防 H2S 腐蚀的相关研究对于确保石油管道安全运行具有重大意义。结合塔里木油田某含硫化氢区块原油伴生气组分的腐蚀特性，开展场站管道内腐蚀防治应用研究。

1 腐蚀防治

目前介质管道常见内腐蚀防治方法有[1][2]：管道表面处理（电镀或涂层）、缓蚀剂连续加注、缓蚀剂预膜处理、增加清管次数、脱水、采用耐蚀合金复合材料、控制溶液PH值、阴极保护或综合采用这些措施。

2 腐蚀性分析

塔里木油田某含硫化氢区块管道主要腐蚀介质为硫化氢。原油平均含硫量为0.121%。伴生气硫化氢含量为1900~38000mg/m3，摩尔分数为0.43mol%。介质6.0Mpa压力下硫化氢最高分压达0.15Mpa，采油采气期携带地层水造成管道内腐蚀。

硫化氢腐蚀受到众多因素的影响，概括分为两大类。一是介质环境因素[3]：包括硫化氢分压、温度、流速、二氧化碳、氯化物、水和水质、PH值等。二是管道材料因素[4]：包括显微组织、强度和硬度、合金元素及热处理、冷加工、管道表面处理表面膜等。

3 腐蚀机理

在 H2S+H20 腐蚀环境中，碳钢设备发生两种腐蚀:均匀腐蚀和湿硫化氢应力腐蚀开裂。湿硫化氢应力腐蚀开裂的形式包括氢鼓泡、氢致开裂、硫化物应力腐蚀开裂和应力导向氢致开裂。

均匀腐蚀[5]是H2S腐蚀过程阳极铁溶解的结果，主要表现为局部壁厚减薄、坑蚀或穿孔。

氢鼓泡[6]是由于含硫化合物腐蚀过程析出的氢原子向钢中渗透，在钢中的裂纹、夹杂、缺陷等处聚集并形成分子，从而形成很大的膨胀力。随着氢分子数量的增加，对晶格界面的压力不断增高，最后导致界面开裂，形成氢鼓泡，其分布平行于钢板表面。氢鼓泡的发生并不需要外加应力,与材料中的夹杂物等缺陷密切相关。

氢致开裂[7]（HIC）是由于在钢的内部发生氢鼓泡区域，当氢的压力继续增高时，小的鼓泡裂纹趋向于相互连接，形成阶梯状特征的氢致开裂。钢中MnS夹杂的带状分布会增加氢致开裂的敏感性。氢致开裂的发生也无需外加应力。

硫化物应力腐蚀开裂[7]（SSC）是湿硫化氢环境中产生的氢原子渗透到钢的内部，溶解于晶格中，导致氢脆，在外加应力或残余应力作用下形成开裂。在硫化物存在时，会促进氢的吸收。原子氢能扩散进金展，降低金属的韧性，增加裂纹的敏感性。它通常发生在焊道与热影响区等高硬度区。

应力导向氢致开裂[7]是在应力引导下,在夹杂物与缺陷处因氢聚集而形成成排的小裂纹沿着垂直于应力的方向发展。它通常发生在焊接接头的热影响区及高应力集中区，如接管处、几何突变处、裂纹状缺陷处或应力腐蚀开裂处等。

腐蚀机理化学反应式为：

电离反应：H2S→H＋＋HS－

HS－→H＋＋S2－

阳极反应：Fe→Fe2+＋2e－

Fe2+ +HS－→FeS+H＋

Fe2++S2－→FeS（均匀腐蚀）

阴极反应：H＋+e－→H（渗入金属内部）

H+H→H2↑（金属内表面富集）

总反应：Fe+H2S→FeS+2H（渗入金属内部）

H+H→H2↑（金属内表面富集）

4 腐蚀试验

4.1试验环境和介质条件

试验环境和介质条件详见下表：

表4.1-1 试验环境参数表

总压（MPa）

试验温度（℃）

试验时间（a）

6.0

21

4

表4.1-2 原油物性表

取值

原油密度

（g/cm3）（20℃）

粘度

（mPa·s）（50℃）

凝固点

（℃）

含蜡量

（%）

含硫量

（%）

胶质+沥青质（%）

范围

0.778~0.809

0.892~1.911

-26~-2

7.6~13.8

0.068~0.302

0.07~0.86

平均

0.794

1.399

-11.8

10.64

0.121

0.23

表4.1-3 伴生气组分分析表

组分名称

组分含量

(摩尔分数)/%

组分名称

组分含量

(摩尔分数)/%

甲  烷

76.51

庚  烷

0.0161

乙  烷

12.08

辛烷及更重组分

0.0000

丙  烷

1.7

氮  气

4.05

异丁烷

0.7316

氧  气

0.2320

正丁烷

1.057

二氧化碳

2.43

异戊烷

0.2337

硫化氢

0.43

正戊烷

0.0046

取样含空气

/

己  烷

0.1131



相对密度=0.6726～0.8883。

 

4.2 管道设计与施工技术要求

结合介质条件，塔里木油田某含硫化氢区块场站管道选用GB/T 5310 《高压锅炉用无缝钢管》中抗HIC 20G无缝钢管，钢管带NACE防腐涂层。管道设计压力6.0MPa，管道母材成分含镍量低于1%，硬度小于22 HRC，正火回火热处理，管材符合SY/T 0599 《天然气地面设施抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂金属材料技术规范》 SSC3区的要求。管道依据《工业金属管道设计规范》GB 50316 计算壁厚，腐蚀余量取3mm，管道加工壁厚偏差取12.5%。壁厚规格如下：

表4.2-1 管道壁厚表

公称直径DN(mm)

80

100

150

外径（mm）

89

114

168

壁厚（mm）

6.0

7.0

9.0

管道进行焊后热处理以降低焊缝残余应力和热影响区硬度，热处理后进行硬度检查，焊缝和热影响区硬度均小于22 HRC。管道无损探伤采用双百检测（100%RT+100%UT）。

4.3 检测分析

2020年7月管道投产至今，已安全平稳运行4年。为了验证硫化氢介质条件下20G NACE涂层钢管是否存在介质腐蚀引起壁厚减薄以及氢致开裂、硫化物应力腐蚀开裂，特对运行管道开展了壁厚和裂纹检测。由于管道不具备切割检验条件，现场采用超声测厚仪对10处管道进行壁厚检测（见表4.3-1），并抽检管段前后环焊缝质量（见表4.3-2），检测结论均未见异常。

表4.3-1 壁厚检测汇总表

序号

外径(mm)

公称壁厚(mm)

检测位置

检测值（mm）

API Spec 5L标准壁厚偏差

标准偏差对应壁厚

1

89

6

变形前端

变形处

变形后端

最大值：6.2

最小值：5.7

[-12.5%t，+15%t]

[-0.75mm，+0.9mm]

[5.25mm，6.9mm]

2

114

7

变形前端

变形处

变形后端

最大值：7.5

最小值：6.6

[-12.5%t，+15%t]

[-0.875mm，+1.05mm]

[6.125mm，8.05mm]

3

168

9

变形前端

变形处

变形后端

最大值：9.5

最小值：8.3

[-12.5%t，+15%t]

[-1.125mm，+1.35mm]

[7.875mm，10.35mm]

表4.3-2 焊缝检测结果汇总表

序号

检测方法

检测结果

参照标准

评定等级

1

磁粉检测

未见表面裂纹

NB/T47013.4-2015

Ⅰ级

2

射线检测

未见超标缺陷

NB/T47013.2-2015

Ⅱ级

3

超声波探伤检测

未见超标缺陷

NB/T47013.3-2015

Ⅰ级

4

相控阵检测

未见超标缺陷

GB/T32563-2016

合格

检测结论证明带NACE涂层的20G无缝钢管具有良好的耐腐蚀性和抗氢致开裂、硫化物应力腐蚀开裂性能。也充分证明硫化氢介质条件场站管道采用NACE涂层20G无缝钢管其整体质量满足工程要求。

5 结论

塔里木油田某含硫化氢区块场站管道经过连续4年安全运行，NACE涂层20G无缝钢管耐蚀抗氢效果满足工程要求，能够为后续同类工程提供经验和支持。

 


参考文献

[1] 张哲.新疆呼图壁储气库埋地管道防腐对策研究[J].石油管材与仪器，2019，5(2):59-61.

[2] SY/T 0611-2018.《高含硫化氢气田集输系统内腐蚀控制规范》[S]

[3] 艾志久.H2S对油气管材的腐蚀及保护研究综述[J].表面技术，2015，44(9):108-115.

[4] 硫化氢腐蚀的影响因素[Z]．百度文库.2015

[5] 黄辉.硫化氢对天然气管线内腐蚀的影响分析[J]．管道技术与设备.2015，34（3）：34-36.

[6] 陈虎.低分气分液罐表面氢鼓泡机理分析及预防措施研究[J]．安全分析.2015，31（4）：40-42.

[7] SY/T 0599-2018.《天然气地面设施抗硫化物应力开裂和应力腐蚀开裂金属材料技术规范》[S]

 


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