基于肯尼亚Olkaria地区高温地热资源的地热电站管材优选

李雪宁 蔡正敏 高冬梅 郑 申 柴 武 李雷雷

中国石油集团长城钻探工程有限公司工程服务公司

基于肯尼亚Olkaria地区高温地热资源的地热电站管材优选

李雪宁 蔡正敏 高冬梅 郑 申 柴 武 李雷雷

中国石油集团长城钻探工程有限公司工程服务公司

李雪宁，中石油集团长城钻探工程有限公司，工程师；蔡正敏，博士后，高级工程师，副总工程师，该项目为中国石油集团“可再生能源技术开发与应用研究”科研项目，课题名称：“肯尼亚地热开发技术研究与现场试验”，项目号：2012A-4906。

本文给出了地热电站设计中主要管线的选材基本原则。根据典型的肯尼亚Olkaria地区高温地热蒸汽参数，对该地区的地热电站中管线材质进行了详细的设计，为在该地区地热电站设计和建设中管线材质的选择提供了理论依据。

由于地热电站的管材长期处在腐蚀和结垢的工作介质中，地下热水往往含有大量的腐蚀性气体，其中危害性最大的是硫化氢、二氧化碳、氧等，它们是导致腐蚀的主要因素，这些气体进入汽轮机、附属设备和管道，使其受到强烈的腐蚀。此外，地下热水中含有结垢的成分，如硅、钙、镁、铁等，以及对结垢有影响的气体，如二氧化碳、氧和硫化氢等，管线的结垢经常以碳酸钙、二氧化硅等化合物出现。因此在利用地下热水发电中要充分注意解决腐蚀和结垢问题，所以地热电站的热力系统方案中对管线材质的选择是非常重要的一个环节。地热电站的选材不仅仅要考虑材料与工艺流体的相容性、可靠性同时也要考虑到选材的经济性。这样才能保证地热电站的管线在腐蚀和结垢环境下能长期稳定运行。

工艺管线管材选择

（1）选材范围

地热电站管线的工作介质主要为：地热蒸汽、不凝结气体、卤水等，含有H2S、CO2、Cl-、SO42-等腐蚀性成分。

由于地热汽轮机前后工况不同，选材按照地热汽轮机前后两段进行划分，地热汽轮机前段设备与管道主要包括汽水分离器、集输管道、主蒸汽管道、疏水管道、回灌管道；地热汽轮机后段管道主要包括循环水管道、疏水管道、抽真空管道。

（2）选材原则

地热电站的选材原则主要考虑：材料与工艺流体的相容性（满足介质特性、压力、温度等）、可靠性（耐蚀性、安全性）、经济性（材料成本、制造成本）以及相互连接的管线选材同一性原则来进行考虑。

肯尼亚Olkaria地区地热资源蒸汽参数分析

肯尼亚多为平均海拔1000m左右的熔岩高原，地处是世界上三大断裂带之一，由于沿着断层带的地壳较薄，在地震引起的地壳弯曲条件下形成了受地幔岩浆加热的地下热水和蒸汽储层，因此拥有丰富的地热资源，其地热发电潜力估计为10000MW，目前发电容量约为255MW。本文对根据肯尼亚Olkaria地热田完钻的某蒸汽井蒸汽参数设计的地热电站中的管线材料进行优选研究。

该地热井下热储温度维持在308℃左右，井口蒸汽温度为160℃左右，压力约6bar，干度在70%左右。

地热电站管线的选择

（1）地热汽轮机前段设备与管道材质选材分析

从井口到地热汽轮机前段工况条件为：设计压力P=1.6MPa，工作温度t=163.8℃，介质为地热蒸汽、不凝性气体、卤水的混合物，介质组分见表1和表2。

表1　地热蒸汽中不凝性气体成分表

表2　地热卤水成分

通过表1和表2中介质成分可知，影响腐蚀的主要化学介质为H2S、CO2、Cl-以及一些氧化物。

按照NACE MR0175/ISO 15156计算，PH2S=PXH2S=1600KPa×0.0025%=0.04KPa；PCO2=PXCO2=1600 KPa×0.21%=3.36KPa。

（a）对于酸性环境的判别

按照NACE MR0176规定，介质中存在H2S，且PH2S≥0.35kPa，认定为酸性环境。在本工况环境下，PH2S＜0.35kPa，不属于含H2S的酸性环境。

又依据NACE MR0175/ISO15156中对碳钢和合金钢硫化物应力开裂（SSC）环境严重程度的区域划分原则，在此工况环境下，选择碳钢时，可以不考虑气相中H2S的腐蚀影响。

表2中给出的卤水中含有H2S最大量为0.7ppm，远小于NACE MR0103规定引起SSC的含H2S的最小含量50ppm。因此，在本工况环境下，气相与液相中含有的H2S含量对选材影响可以忽略。

（b）CO2对碳钢材料腐蚀速率的影响

规范IPS-E-TP-740规定，在较低温度下（＜60℃），材料表面不形成保护性腐蚀产物膜，随着CO2分压的增大，腐蚀速率增加，主要以均匀腐蚀为主；在中温区（60-100℃），CO2分压对腐蚀速率的影响类似于低温区，即随CO2分压增大，腐蚀速率加快，且在80-90℃，易于发生点蚀；在高温区（＞149℃），较高的CO2分压有利于保护膜的形成，因此随着CO2分压的增大，腐蚀速率反而降低，可以忽略CO2的腐蚀。

据SY/T0076-2008规定，根据CO2分压判断CO2对碳钢的腐蚀程度，当PCO2＜0.021MPa时，不发生CO2腐蚀；当0.021MPa≤PCO2≤0.21MPa时，发生中等腐蚀；当PCO2＞0.21MPa时，发生严重的腐蚀。

API Spec 12J附录B中指出，在天然盐水中，CO2含量低于600ppm时无腐蚀性，600-1200ppm的CO2需考虑腐蚀性，CO2含量超过1200ppm时具有腐蚀性。

由于该工况下的工作温度为168.3℃，温度高于149℃；PCO2为3.36KPa，小于0.021MPa；卤水中CO2含量为138.2ppm，小于600ppm，介质气相与液相中的CO2对碳钢材料腐蚀在选材时均可忽略。

（c）氯离子的影响

氯离子对碳钢的腐蚀主要是点蚀、局部和均匀腐蚀。根据NACE MRO175-3规定，由于蒸汽温度高于149℃时，因此在氯离子环境中奥氏体不锈钢不可选用。

（d）H2的影响

介质中H2的存在会对碳钢在低于65℃时产生氢致开裂，据IPS-E-TP-740中规定，在温度高于65℃时，H2对碳钢的影响可以忽略。由于蒸汽温度为168.3℃，高于65℃，在选材为碳钢时，可以忽略H2的影响。

通过上述分析，在本工况条件下，考虑到材料的耐蚀可靠性与经济性，汽水分离器设备材质推荐碳钢SA516 Gr.65，开口接管为碳钢无缝管SA106 Gr.B；管道材质为碳钢无缝管SA106 Gr.B。

（2）地热汽轮机后段管道材质选材分析

考虑本工况最苛刻条件，地热汽轮机后段工况条件为：设计压力P=1.6MPa，设计温度t=45.8℃，介质主要为地热汽轮机乏汽和真空泵抽气，主要包括不凝性气体、液相介质，介质组分如表3和表4所示。

表3　不凝性气体成分表

表4　液相介质成分

（a）通过表3计算出H2S分压PH2S=PXH2S=1.6MPa×0.5%=0.008MPa，CO2分压为PCO2=PXCO2=1.6MPa×53.03%=0.8MPa，CO2分压大于0.21MPa，会对碳钢产生严重腐蚀，此条件下的管道材质均不适合采用碳钢。由于316L不锈钢中钼元素的存在，从性价比与耐蚀可靠性方面分析最为合适。

据NACE MR0175-3，在温度60℃以下，316L不锈钢可适用于对硫化氢分压在100KPa以下，氯离子浓度1000ppm以下，疏水管道和抽真空管道材质推荐选用SA312-TPS316L不锈钢无缝钢管。

（b）对于循环水管道，由于输送介质为天然的水，不含腐蚀性气相介质，考虑其经济性，因此循环水管道材质推荐选用碳钢焊接管。

结语

本文对以肯尼亚Olkaria地区的地热蒸汽参数设计的地热电站中管线材料进行了优选，在考虑选材的耐蚀可靠性、材质与介质的相容性及选材经济性的情况下，设计中的地热汽轮机前段部分汽水分离器设备材质为碳钢SA516 Gr.65，主蒸汽管道、集输管道、疏水管道、回灌管道材质均为SA106 Gr.B，地热汽轮机后段疏水管道、抽真空管道材质为SA312-TPS316L不锈钢无缝管，循环水管道材质为碳钢焊接管。同时给出了地热电站中管线材料优选的流程，为地热电站中管线材质的选择提供了理论基础。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.039