海底管道内腐蚀管控策略的一些思考

2024-05-06 16:43:53 作者：夸克能源工程实验室来源：夸克能源工程实验室分享至：

海底管道是海洋油气能源开发和运输的最重要动脉，保障其安全平稳运行极其重要。目前，随着海洋油气开发的深入，海管面临“新旧并存，含水差异、物流交汇、并联众多、介质干扰”的显著特点，管理难度逐渐增大。其中，内腐蚀是造成海底管道失效的最重要因素。

因此，如何通过数据收集客观反应腐蚀环境变化，并利用统计方法及数据分析手段，清晰掌握风险管控技术逻辑，制定更具针对性和精确性的管控措施，是管理方亟待解决的重要研究议题和技术攻关突破方向。

图1 海底管道内腐蚀管理面临挑战示意图

本文基于对海底管道内腐蚀管理的一些浅薄认识，梳理总结海底管道面临的内腐蚀风险，并尝试性地提出内腐蚀管控策略的相关思考和建议。内容如下：

一、内腐蚀风险类型概述

如前文《海底管道面临的内腐蚀风险概述》所述，海管内腐蚀主要类型如下图所示：

图2 海底管道内腐蚀风险类型示意图

CO²腐蚀

油气田最常见的腐蚀之一，同样pH下，CO₂的总酸度比HCl高，会引起管道迅速的全面和局部腐蚀，最终造成失效。主要受到温度、压力、流速、pH值、介质组成、腐蚀产物膜等方面的影响。

H²S腐蚀

H₂S溶于水中呈酸性，会造成管壁减薄或局部点蚀穿孔。主要受到材料因素、环境因素（浓度、pH值、温度、流速、Cl^-）等方面的影响。研究表明微量H₂S存在，对CO₂腐蚀是有明显的抑制作用。

微生物腐蚀

油气田腐蚀管控难度较大的腐蚀类型，通过材料表面的生物膜中微生物的生命活动导致或促进材料腐蚀破坏多，多以布局点蚀为主。主要受到生物膜生产期、介质组分、砂垢形成的外部环境等方面的影响。

垢下腐蚀

一种金属表面沉积物形成的局部腐蚀，破坏性极大。当管道物流中携带淤泥、砂和固体颗粒形成沉积物。在与CO₂、H₂S、微生物等综合作用形成“大阴极、小阳极”的电偶效应，引发严重点蚀发生。主要受到固体颗粒、沉积速率和厚度、流速、环境因素等影响。

冲刷腐蚀

流体高速运动会破坏金属表面的保护膜或腐蚀产物膜，加速腐蚀过程。如果流体中含有固相颗粒，腐蚀会更为严重。主要受到材料本身性质、温度、pH、流态、流速、腐蚀产物膜值、过流部件形状等方面的影响。

顶部腐蚀

湿气输送过程中，当热传导使管壁温度低于水蒸气露点时，湿气中水蒸气在管道侧壁和顶部生成凝析水。含有酸性气体或可挥发腐蚀性物质，溶解于凝析水会对管道内壁造成严重的腐蚀。主要受到冷凝率、液态、流速、温度、挥发性腐蚀介质等方面的影响。

二、内腐蚀管控路线综述

基于完整性管理理念，海底管道腐蚀突出“全生命周期”的理念，从“设计、评估、措施、检测、监测、维修”形成管理循环，类似与PDCA循环提升思路。从生产运营阶段来看，内腐蚀管控可尝试划分为“感知端、决策段、执行端”，如图2所示：

图3 海底管道内腐蚀管控技术路线综述

感知端

数据具有代表性、持续性、及时性、可靠性及可追溯性，力求数据背后信息丰富详实，为内腐蚀的风险识别和评估提供最重要依据；

决策端

严格对标标准、规范、管理要求等，并汇总行业专家意见，形成可执行、能见效的防腐举措方案；

执行端

如现场采用高质量清管、高效能药剂加注，并配合工艺优化等手段，将腐蚀决策落地化、成果化，并积累执行经验。

三、感知端：准确、详实、可靠

生产工况数据感知

生产工况数据包括“正常状态下的工况运行”和“工况显著变化运行”两种情况，如图所示。

图4 生产工况感知组成示意图

a）正常状态下的工况运行

将在此工况基础上掌握数据波动基线，并依据制定常态化防腐方案和措施。类似于医院验血结果表，只要日常数据在波动范围内，可以认定腐蚀工况环境未发生，只要保持高质量防腐措施，腐蚀风险可控。

b) 工况显著变化运行

包括如产量增加、含水量、含气量变化、上游设施介入、药剂变更等，都属于“高速路偏移既定车道”，可能会造成现有防腐措施效果的降低或者失效。需要对这种情况做到先知先觉，尽可能预判并采取进一步的优化调整，确保腐蚀风险可控。一旦长期偏离，防腐措施未动态优化，会造成难以评价的腐蚀累积。

腐蚀监测数据感知

目前海洋油气田现场常用腐蚀数据或趋势获取途径如图5所示，当然还包括导波、内检测等技术，由于篇幅原因，暂未详细讨论。

图5 油气田常用腐蚀监检测技术综述

a) 腐蚀挂片

作为现场最为常用和关注的腐蚀监测手段，之前已开展过“浅谈油气田腐蚀挂片的拆装与分析”和“对挂片分析标准NACE SP0775-2023版修订内容的解读”等总结。需要说明的是，挂片的价值远大于所计算得出的平均腐蚀速率和点蚀深度，应严格按照标准对其安装状态、暴露环境、拆出形貌、附着物、微观形貌等进行全方位、多维度分析，从而更好反映出腐蚀趋势和可能风险。这也将作为将来腐蚀异常分析的最重要一手信息。

图6 基于标准规范要求的腐蚀挂片关注信息汇总图

b) 腐蚀探针

作为能连续反应现场腐蚀状态的监测装置，目前应用广泛和认可度高。探针数据结果能够和挂片信息进行良好对应，特别对特殊工况（钻完井返排、清罐排放、药剂调整、物流切换、产量变化等），能敏感观察到腐蚀环境的加剧性变化，并立即开展响应对应措施的调整。需要注意的是，现场探针的定期维护，对数据连续性和准确性非常重要。

图7 探针现场应用及管理要点示意

c) 旁路系统

作为和海底管道腐蚀状态形貌最为接近的监测手段，现场应用程度较高。在旁路上搭配各种监测设备，能够更为全面的获取旁路服役期间的腐蚀实时数据。在旁路拆除后，进行腐蚀产物、细菌分析、壁厚测试、点钟分析等，能够获得大周期和小时间段结合的腐蚀信息，数据量会更为丰富和立体。

图8 腐蚀旁路系统全周期监测分析示意图

d) 腐蚀因子

现场最为熟悉的CO₂、H₂S、铁离子、pH等都属于腐蚀因子监测范畴，由于其操作性强、数据结果快，在现场应用和认可度很高。之前已围绕这个话题，开展过“海洋油气管道介质组分检测综述”、“浅谈油气田腐蚀气体现场检测的影响因素”、“浅谈油气田腐蚀参数离线检测可靠性影响因素”等话题的讨论。

图9 基于标准NACE-SP0106腐蚀因子监测内容图

腐蚀因子数据的核心要点在于“三性”：准确性、时效性、细致性。

准确性：应严格按照标准规范，进行合理取样选点、标准化取样测试，实现数据尽可能少收到人为化干扰，确保数据的稳定性；

时效性：考虑到可能的液体变化，用最快捷的办法尽可能在现场就完成大部分测试内容，快速拿到数据后如有异常，可在现场立即开展筛查：

细致性：腐蚀因子数据的“背后”，还需要记录对应工况、生产波动数据、药剂变化等背后的信息，这对于接下来要开展的原因分析都可能是至关重要的信息。

四、决策端：科学、系统、升级

目前，海管内腐蚀管理是基于完整性管理的核心理念：全生命周期管理，即覆盖设计、施工、运营、废弃等阶段。理想的腐蚀管理决策端应包括三个阶段：从标准出发理解防腐设计，到高质量执行腐蚀管理规定，及针对性更强的现场“一管一策”落地。

腐蚀标准

国内外围绕内腐蚀管控的标准众多，其中国外以ISO、AMPP、DNV、ASTM、AMSE居多，也有SHELL、TOTAL、STATOIL等知名石油公司企标。国内以GB、SY/T、Q/HS居多，亦有各大石油公司的企标。如果有兴趣，可参考《敲黑板！100+篇外文腐蚀相关文献干货分享》。

如表1所示，整理了腐蚀管理、选材、监测、药剂、实验的常用标准以供参考。

表1 内腐蚀管理常用相关标准汇总

以《浅谈标准“NACE SP0106 - 钢管道和管线系统内腐蚀控制要点”》为例，如图1所示，该标准突出了系统化的腐蚀控制策略，内容既包含控制方向和路线，又指出技术控制要点，是作为纵览腐蚀管理的良好范本。

图1 NACE SP0106-2018标准内容体系构架

此外，与陆地管道相比，针对海管内腐蚀管理的国标、行标相对较少，未来也是行业努力的方向之一。

管理规定

第一层面：整体管理。

针对海管腐蚀的特殊性，作业管理方建立了体系完善、内容丰富的腐蚀控制作业指导文件，从完整性建立和完整性保持两个阶段进行管控提升，概要如图2所示。

图2 海管完整性管理之腐蚀管理路线概要

第二层面：属地深化。

围绕腐蚀管理执行中存在的共性问题和个性特征，开展针对性更强的基础、治理和专项提升工作。

如图3所示，区域特色化的腐蚀及管理方案，其核心要点是“基于总体腐蚀管理文件的指标性导向，并结合所辖海域出现过腐蚀的历史特征和关键要点，梳理并制定更精准的综合治理方案及配套技术规范，更加有利于现场作业的指导性和落地化”。

图3 针对性的海管内腐蚀治理特色化方案示意

一管一策

围绕管理规定并结合平台现场的生产、物流、工艺等特征，梳理总结出具有显著的差异性、针对性的“一管一策”方案，作为执行腐蚀管理再深化的核心文件。从而能够实现快速、有效、科学的隐患识别、异常筛查和治理，将防腐战线高效前移。

图4 油田现场特色化的“一管一策”管理概述

五、执行端：精准、落地、见效

经过多年管理经验的提炼总结，执行端应用技术逐步完善、有效性管理逐步精细化。现场落地化措施主要包括清管作业、化学药剂和工艺优化三个方面。

图5 海管内腐蚀执行端防腐措施及保障手段

高质量清管作业

目前，清管被认为是对付管道内腐蚀的最主动手段，加强高质量清管作业，建立内防腐第一道最坚固的防线。保护管道，其实跟保护我们人体的血管一样，通则不痛。一个高质量的清管作业构成要素如图6所示：

图6 海管高质量清管作业技术路线

关于清管全流程的管理，之前的文章已系统的梳理总结，如有兴趣，请参考如下：

● 清管作业方案和球形选择，请见《基于清管作业的海管内腐蚀控制之一：作业方案优化》、《清管器类型及选型参考简介》；

● 清管过程管理及效果监控：《基于清管作业的海管内腐蚀控制之一：作业效果监控》；《海管清出物附着态取样及细菌快速检测》；

● 高质量清管综述总结：《油气输送管道高质量清管的实践应用总结》；《基于清管作业的海管内腐蚀控制之一：管理优化提升》

全周期药剂管理

各种化学药剂的注入，为海管内部腐蚀管控提供最直接的保护作用。目前，油田药剂注入主要通过“日常作业、通球作业、新投产或停产后复产”三种加注形式实现，围绕油田现场关注的加注效果评价指标的延伸管理，实现“筛选、供货、抽检、效果评价、动态优化”全流程管理策略，旨在开展类似“工业工程”的高效全周期闭环化管理(图7)。