隨著國(guó)家對(duì)安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)要求的提高,油田公司加強(qiáng)了對(duì)天然氣管道的完整性管理,以降低管道泄漏發(fā)生率[1]。在所有失效的管道中,由內(nèi)腐蝕引起的失效高達(dá)50%[2]。未詳細(xì)進(jìn)行內(nèi)腐蝕檢測(cè)或未使用正確的內(nèi)腐蝕評(píng)估方法是管道發(fā)生內(nèi)腐蝕失效事故的主要原因[3]。天然氣管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)是一種重要的管道內(nèi)腐蝕評(píng)估手段[4]。國(guó)內(nèi)外專家針對(duì)內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)進(jìn)行了大量的研究。美國(guó)腐蝕工程師協(xié)會(huì)(NACE)在大量研究基礎(chǔ)上建立了一系列針對(duì)天然氣管道的內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)(ICDA)標(biāo)準(zhǔn)[5]。汪江斌等[6]選擇適用于海管的多相流模型和腐蝕速率預(yù)測(cè)模型進(jìn)行管道內(nèi)腐蝕評(píng)價(jià),同時(shí)采用室內(nèi)模擬試驗(yàn)驗(yàn)證評(píng)價(jià)結(jié)果的可靠性。ZHAO等[7]修正了CO2腐蝕速率預(yù)測(cè)模型,提出了一種適用于含CO2段塞流海底管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法。LIAO等[8]將遺傳算法、粒子群算法、反向傳播與管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法相結(jié)合,得到了一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的管道內(nèi)腐蝕速率預(yù)測(cè)方法。ICDA的核心內(nèi)容是多相流模型和腐蝕速率預(yù)測(cè)模型,針對(duì)單一的CO2工況,已經(jīng)有大量的腐蝕預(yù)測(cè)模型[9-11],當(dāng)管道輸送介質(zhì)中含有H2S時(shí),若仍采用CO2腐蝕速率預(yù)測(cè)模型,則預(yù)測(cè)的腐蝕速率會(huì)與實(shí)際腐蝕速率相差較大,無(wú)法得到管內(nèi)的真實(shí)情況。因此,亟需在ICDA中改進(jìn)腐蝕速率預(yù)測(cè)模型,提高腐蝕速率預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率,為直接評(píng)價(jià)推薦準(zhǔn)確數(shù)據(jù),提升內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)效率。作者以NACE在2010年發(fā)布的NACE SP0110-2010Wet Gas Internal Corrosion Direct Assessment Methodology for Pipelines(WG-ICDA)標(biāo)準(zhǔn)為指導(dǎo),在WG-ICDA的間接評(píng)價(jià)環(huán)節(jié)引入CO2-H2S腐蝕速率預(yù)測(cè)模型和積水概率參數(shù),形成了改進(jìn)的含H2S天然氣管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法,并對(duì)某含H2S天然氣管道進(jìn)行了預(yù)測(cè),以期為含H2S多相流管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

1. WG-ICDA流程

WG-ICDA方法不僅可以評(píng)估濕天然氣管道內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生或可能發(fā)生的腐蝕情況,確定每個(gè)區(qū)域內(nèi)腐蝕可能性,而且可以將評(píng)估結(jié)果納入濕天然氣管道內(nèi)腐蝕完整性管理和風(fēng)險(xiǎn)管理計(jì)劃,從而提高含H2S管道系統(tǒng)的完整性。

WG-ICDA主要包括預(yù)評(píng)價(jià)(收集資料)、間接評(píng)價(jià)(多相流腐蝕模擬計(jì)算)、直接評(píng)價(jià)(現(xiàn)場(chǎng)開挖)、后評(píng)價(jià)(確定再次評(píng)價(jià)時(shí)間)四個(gè)環(huán)節(jié),如圖1所示。

圖 1WG-ICDA流程

Figure 1.WG-ICDA process

2. 實(shí)例演示

以某含H2S天然氣管道(以下稱管道)為例,參考NACE SP0110-2010標(biāo)準(zhǔn),確定天然氣管道的完整性。

2.1 預(yù)評(píng)價(jià)

該管道于2009年投運(yùn),設(shè)計(jì)使用壽命25 a,全長(zhǎng)3.4 km,管材為L(zhǎng)245NB管線鋼,管徑為108 mm,壁厚為5 mm,無(wú)內(nèi)涂層和保溫層,設(shè)計(jì)壓力為9 MPa,入口壓力為8.10 MPa,出口壓力為7.50 MPa,入口溫度為29 ℃,輸送氣量為9.773 6×104m3/d,產(chǎn)水量為1 m3/d。輸送氣中H2S體積分?jǐn)?shù)為0.11%, CO2體積分?jǐn)?shù)為1.52%。查詢管道運(yùn)行記錄得知,全線無(wú)雙向流動(dòng)歷史、無(wú)增壓、加熱等導(dǎo)致管道運(yùn)行狀態(tài)發(fā)生變化的設(shè)備；對(duì)化學(xué)抑制劑注入點(diǎn)及閥門位置進(jìn)行了確認(rèn),發(fā)現(xiàn)目標(biāo)管道無(wú)上述分區(qū),因此將整條管道作為一個(gè)ICDA評(píng)價(jià)區(qū)域進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 間接評(píng)價(jià)

WG-ICDA中間接評(píng)價(jià)的目的是確定每個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)域中易于腐蝕或處于內(nèi)部腐蝕的子段,并確定其與管道長(zhǎng)度和高程的關(guān)系。為此,需要采用OLGA軟件進(jìn)行多相流模擬,以確定每個(gè)子段的流量參數(shù),并使用CO2-H2S腐蝕速率預(yù)測(cè)模型和積水概率來(lái)確定腐蝕敏感點(diǎn)。

OLGA軟件是世界公認(rèn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)多相流分析軟件,由ScandPower(SPT)集團(tuán)(挪威)[12]開發(fā)。在該模型中,多相流模擬基于由三個(gè)連續(xù)性方程、兩個(gè)動(dòng)量方程和一個(gè)混合能量方程[13]組成的雙流體物理模型。OLGA軟件的模型不僅包括氣相和液相[14],還包括液滴場(chǎng)[15],這是一個(gè)擴(kuò)展的兩相流體模型。

三個(gè)連續(xù)性方程為質(zhì)量守恒方程,見式(1)~(3)。

氣相：

液相：

液滴：

式中：V為各相的體積分?jǐn)?shù),%；G為各相的可能質(zhì)量源,g；ρ為密度,g/cm3；v為各相的流速,m/s；A為管道的橫截面積,m2；ψg為氣液傳質(zhì)速率(液體蒸發(fā)轉(zhuǎn)化為氣體為正), m/s；ψe為液滴夾帶率,%；ψd為液滴沉積速率,m/s。下標(biāo)g、L和D分別代表氣相、液膜和液滴。

兩個(gè)動(dòng)量方程為動(dòng)量守恒方程,見式(4)~(5)。

氣液兩相流：

液體：

式中：α為管道與垂直方向之間的傾角,°；P為壓力,105Pa；vr為相對(duì)速度,m/s；S為各相界面的潤(rùn)濕周長(zhǎng),m；g是重力加速度,m/s2。下標(biāo)g、L和i分別表示氣相、液相和氣液相之間的界面。

一個(gè)混合能量方程見式(6)。

式中：E為每單位質(zhì)量流體的內(nèi)能,J；h為標(biāo)高,m；HS為質(zhì)量源的焓,J；U為管壁傳熱系數(shù),W/(m2·K)。

上述物理模型生成了一系列系數(shù)相當(dāng)復(fù)雜的耦合一階非線性一維偏微分方程。這兩種流體模型大多采用有限差分交錯(cuò)網(wǎng)格貢獻(xiàn)元法求解。

OLGA根據(jù)“最小滑移準(zhǔn)則”判斷兩種流型。“最小滑移準(zhǔn)則”是指在給定壓降下,選擇氣液線速度差最小或氣體速度最高的流型(以最小化持液率)。

常用的CO2-H2S腐蝕速率預(yù)測(cè)模型是LI等[16]研究的腐蝕速率預(yù)測(cè)模型,見式(7)。

式中：C,a,b,c,m為常數(shù)；Ea、E為活化能,J/mol；R為氣體常數(shù),J/(K·mol)；T為溫度,K；v為液體流速,m/s；為H2S分壓,MPa；為CO2分壓,MPa。

基于管道的基礎(chǔ)信息,利用計(jì)算流體力學(xué)方法,建立管道的里程-高程模型,將管道劃分為1 100個(gè)節(jié)點(diǎn),對(duì)管道內(nèi)部流動(dòng)狀態(tài)和流動(dòng)參數(shù)進(jìn)行模擬,得到管道沿線溫度、壓力、流速、持液率等流動(dòng)參數(shù)的變化規(guī)律,如圖2所示。

圖 2管道沿線流動(dòng)參數(shù)的預(yù)測(cè)結(jié)果

Figure 2.Predicted results of flow parameters along the pipeline: (a) temperature and pressure; (b) partial pressure of CO2and H2S; (c) flow rate; (d) liquid holdup

通過(guò)多相流計(jì)算得到管道的起點(diǎn)壓力為8.05 MPa,終點(diǎn)壓力為7.45 MPa,起點(diǎn)溫度為29 ℃,與實(shí)際值的誤差分別為0.55%、0.55%和0%,誤差均小于1%,這說(shuō)明模擬結(jié)果具有較好的準(zhǔn)確性。隨著管線里程的增加,壓力呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢(shì),溫度波動(dòng)變化較大,但整體呈逐漸降低的趨勢(shì),這符合熱力學(xué)規(guī)律。管道沿線CO2和H2S分壓的變化規(guī)律與壓力的變化規(guī)律一致。由于高程的波動(dòng),流體流速波動(dòng)較大,同一里程時(shí),氣體流速與液體流速的變化規(guī)律相反。持液率隨管線高程變化而起伏,持液率最高可達(dá)0.2。

根據(jù)多相流計(jì)算得到的流動(dòng)參數(shù),結(jié)合LI等提出的CO2-H2S腐蝕速率預(yù)測(cè)模型,計(jì)算得到管道沿線的腐蝕速率,結(jié)果如圖3所示。根據(jù)GB/T 23258-2020《鋼質(zhì)管道內(nèi)腐蝕控制規(guī)范》,將管道腐蝕分為了四個(gè)區(qū)域。由圖3可知,管道腐蝕速率的變化范圍為0.008 ~0.389 mm/a,隨著里程的增加腐蝕速率整體趨勢(shì)是逐漸降低的,極嚴(yán)重腐蝕區(qū)域集中在管道前500 m,這也是開挖著重關(guān)注的區(qū)域。

圖 3管道沿線腐蝕速率的預(yù)測(cè)結(jié)果

Figure 3.Predicted results of corrosion rates along the pipeline

通過(guò)管道沿線實(shí)際傾角和臨界傾角相對(duì)大小計(jì)算得到積水概率,結(jié)果如圖4所示。從圖4可知,23%管段積水概率為1,在直接評(píng)價(jià)時(shí),應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注。

圖 4管道沿線積水概率的預(yù)測(cè)結(jié)果

Figure 4.Predicted results of ponding probability along the pipeline

根據(jù)預(yù)測(cè)的腐蝕速率和積水概率,推薦了5個(gè)開挖點(diǎn),如表1所示。

2.3 直接評(píng)價(jià)

采用超聲波測(cè)厚的方法對(duì)5個(gè)開挖點(diǎn)進(jìn)行直接評(píng)價(jià),并與預(yù)測(cè)的腐蝕速率進(jìn)行對(duì)比。超聲波測(cè)厚的結(jié)果如表2所示。

從表2可知,在5個(gè)開挖點(diǎn)管道的最大壁厚損失率都超過(guò)了60%,屬于極嚴(yán)重腐蝕,最大腐蝕速率為0.337 mm/a。通過(guò)對(duì)比分析開挖點(diǎn)的腐蝕速率與預(yù)測(cè)的腐蝕速率可知,管道屬于極嚴(yán)重腐蝕管道,應(yīng)立即開展防護(hù)措施。

2.4 后評(píng)價(jià)

本次評(píng)價(jià)建立在含H2S天然氣管道的資料收集分析基礎(chǔ)上,推斷管道內(nèi)腐蝕類型為H2S和CO2共同腐蝕,內(nèi)腐蝕程度為極嚴(yán)重腐蝕。

在多相流模擬、CO2-H2S腐蝕速率預(yù)測(cè)模型和積水概率分析基礎(chǔ)上,確定了管道的內(nèi)腐蝕敏感段。通過(guò)超聲波測(cè)厚檢測(cè)證實(shí),該管線屬于極嚴(yán)重腐蝕,符合推斷,因此本次評(píng)價(jià)是有效的。

根據(jù)NACE SP0110-2010標(biāo)準(zhǔn),再評(píng)價(jià)時(shí)間間隔應(yīng)為剩余使用壽命的一半。而根據(jù)API 570Piping Inspection Code:Inspection,Repair,Alteration and Rerating of In-Service Piping Systems,在管道輸送條件(腐蝕介質(zhì)含量、壓力、溫度)沒有大波動(dòng)的情況下,管道系統(tǒng)的剩余壽命按式(8)計(jì)算。

式中：Nf為管道剩余壽命；δ為管道經(jīng)腐蝕后實(shí)際壁厚；δ'為滿足管道設(shè)計(jì)壓力條件下的最小壁厚。

由此計(jì)算得到各開挖點(diǎn)處管道剩余壽命和再評(píng)價(jià)時(shí)間間隔見表3。管道再評(píng)價(jià)時(shí)間為各開挖點(diǎn)處再評(píng)價(jià)時(shí)間間隔最小值即1 a。

3. 結(jié)論

基于改進(jìn)后的內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)方法,確定了含H2S天然氣管道的主要腐蝕影響因素與腐蝕風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),主要評(píng)估結(jié)論包括：

（1）含H2S天然氣管道入口壓力約為8.1 MPa,入口溫度約為29 ℃,出口壓力約7.50 MPa,設(shè)計(jì)壓力為9 MPa,運(yùn)行相對(duì)穩(wěn)定,未出現(xiàn)超溫超壓運(yùn)行工況；

（2）基于多相流模擬結(jié)果、CO2-H2S腐蝕速率預(yù)測(cè)模型和積水概率,并結(jié)合NACE SP 0110-2010腐蝕評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和GB/T 27512-2011埋地鋼質(zhì)管道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,確定了目標(biāo)管線的腐蝕速率與腐蝕程度,并推薦了5個(gè)開挖點(diǎn)；

（3）通過(guò)超聲波測(cè)厚的結(jié)果可知,現(xiàn)場(chǎng)開挖5個(gè)點(diǎn)均屬于極嚴(yán)重腐蝕,最大腐蝕速率為0.337 mm/a；

（4）含H2S天然氣管道再評(píng)價(jià)時(shí)間間隔為1 a。

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