南海某气田管线重量控制研究

李 虎， 黄冬云， 巴 砚， 谢金秋

(中海油研究总院，北京 100028)

南海某气田管线重量控制研究

李 虎， 黄冬云， 巴 砚， 谢金秋

(中海油研究总院，北京 100028)

针对南海某气田管线物流含CO2的特点，简要分析了CO2对碳钢的腐蚀原理，提出了防止CO2腐蚀的措施。阐述了重量控制在该气田的重要性，并结合重量控制的要求，对含CO2的工艺管线材质进行比选优化，达到减轻平台管线重量的目的。

管线重量；重量控制；腐蚀机理；CO2腐蚀

0 引 言

海洋石油生产平台是海上油气田开发的重要设施，通常分为固定式平台和浮式平台。对于300m水深以下，导管架式固定平台的应用最广。导管架平台由上部组块和导管架组成，上部组块主要是油气生产的设备以及操作人员的生活设施等，而导管架为上部组块提供结构支撑。近年来随着我国深海油气勘探开发能力的不断提升，大储量油气田的开发不断增多，平台规模也越来越大，由于受海上施工船舶资源的限制，有效控制海上平台设施重量尤为重要。

南海某深水气田开发即采用导管架式固定平台的开发模式，水深约200m，该平台为中心处理平台，处理来自4个不同水下生产系统的物流，物流中CO2含量较高。平台设有油气生产处理设施、生活动力设施、油气外输设施及公用设备设施等，平台规模庞大，组块浮托重量达32000t，在世界范围仅有两艘船舶可进行该组块的安装作业，因此，在设计时需要严格控制组块重量，其中管线重量占比近20%，因而控制管线重量显得尤为重要。该气田物流中CO2含量高，对管线材质提出了防腐的要求，为管线重量控制带来更大挑战。在考虑防止CO2腐蚀的基础上，本文对管线材质进行比选优化，达到减轻平台管线重量的目的。

1 CO2腐蚀原理及防护措施

1.1 CO2腐蚀机理

CO2气体溶于水后形成碳酸，对钢铁材料具有极强的腐蚀性。钢铁在CO2水溶液中的腐蚀过程相当于钢在酸溶液的电化学反应。研究对腐蚀的阳极反应观点较为一致，其反应机理如下：

而对腐蚀的阴极反应机理研究较为广泛，研究表明，钢在CO2溶液中的腐蚀速率受析氢动力学所控制，CO2溶于水后形成碳酸，释放出氢离子，氢离子极化性极强，易夺取电子，导致阴极铁溶解而腐蚀。其中主要有两种观点[1—4]，一种是非催化的氢离子在阴极的还原反应，另一种是表面吸附CO2氢离子的催化还原反应。

上述腐蚀机理是对裸露在CO2溶液中的钢铁而言[5]。实际上，在含CO2油气环境中，腐蚀初期金属表面裸露在CO2溶液中，随着腐蚀的进行，金属表面逐渐被腐蚀产物覆盖，随后的腐蚀反应会受到腐蚀产物膜的影响，腐蚀产物膜的稳定性、厚度等对后续腐蚀产生重要影响。当腐蚀产物膜较厚、黏附性强且组织结构致密时，就能够有效阻止腐蚀的扩展，反之则会继续产生严重的腐蚀。

实际生产中，CO2的腐蚀破坏往往表现为局部腐蚀穿孔[6—7]。20世纪90年代起，CO2腐蚀研究的重点逐渐转移到局部腐蚀机理和防护技术上来。Xia等[8—10]对CO2局部腐蚀提出了各自的研究观点，相似之处在于认为碳钢的CO2局部腐蚀是由于在材料表面覆盖了腐蚀产物构成了电偶腐蚀，从而加速了碳钢的局部腐蚀；不同之处在于电偶腐蚀的腐蚀产物不同。

1.2 CO2防护措施

实际上，对于CO2腐蚀的管线内防护，目前在油气田中应用较为广泛的方式是管线的选材和缓蚀剂的使用。

管材的化学成分对腐蚀过程的影响很大。诸多研究结果表明[11—12]，在含有CO2的油气田开发中，不锈钢表现出优良的抗腐蚀性能，随着Cr含量的增大，腐蚀速率降低，一般Cr含量达到12%时，其耐蚀性能已经非常好，但耐蚀合金价格贵，需要综合经济性考虑。

缓蚀剂是一种以适当浓度和形式存在于环境中，防止或减缓腐蚀的化学物质，也称为腐蚀抑制剂。它用量很小，但效果显著，已成为防腐蚀技术中应用最广泛的方法之一。合理使用缓蚀剂是防止金属及其合金在环境介质中发生腐蚀的有效方法。通常吸附性缓蚀剂被认为是抑制CO2腐蚀的关键，由于CO2对金属的腐蚀是以氢去极化腐蚀为主[13—14]，金属表面氧化产物极易被溶解脱落，导致新的金属表面暴露在腐蚀溶液中，使腐蚀扩展，而吸附型缓蚀剂会吸附在金属表面，形成一层腐蚀产物层，从而抑制腐蚀的扩展。

2 管线重量优化

该气田物流中CO2含量较高，采用普通碳钢加入缓蚀剂的防腐方案还是直接采用耐蚀合金，需要综合考虑。

通过软件模拟计算可以获得CO2对碳钢管线的腐蚀速率，根据工程实践经验，缓蚀剂的腐蚀效率一般按照80%考虑，油田开发全生命周期内，普通碳钢腐蚀裕量可通过计算得到，如表1所示。

表1 不同压力下的CO2对碳钢的腐蚀速率

在工程实践项目中，采用碳钢加入缓蚀剂的防腐方案时，碳钢的腐蚀裕量一般不大于6mm，分析表1可知，管线不同设计压力下的腐蚀裕量均超过6mm，因此，不宜采用此防腐方案。

采用耐蚀合金也是防止CO2腐蚀的常见措施。海洋工程设计中，最常用的耐蚀合金有316L和双向不锈钢(应用最为广泛的牌号为S31803)。两种材质均有优异的耐腐蚀性能，316L许用应力较低，但价格也相对便宜。同样压力等级下，316L的强度较低，管线的壁厚会更大，导致的管线重量也会增加，下面进行具体比较。

海上用于输送油气和公用介质的管线通常采用ASME B31.3 Process Piping规定的壁厚计算方法：tm=PD/2(SE+PY)+CA，其中tm为满足内压、机械加工、腐蚀及侵蚀要求的最小壁厚；P为设计内压；D为管线外径；S为材料许用应力；E为纵向焊缝系数；CA为考虑机械加工减薄量(螺纹槽深度)和腐蚀裕量的附加厚度。计算得到的壁厚并非最终的管线壁厚，为保证在运输、安装过程中本身的强度和刚度要求，在工程设计中，会规定不同管径的最小壁厚，即计算壁厚如果小于最小壁厚，则采用最小壁厚作为最终管线壁厚。图1～5为不同压力等级下的管线壁厚及最小壁厚。

图1 5700kPaG的管壁厚Fig.1 Pipe wall thickness under 5700kPaG

图2 8470kPaG的管壁厚Fig.2 Pipe wall thickness under 8470kPaG

图3 12200kPaG的管壁厚Fig.3 Pipe wall thickness under 12200kPaG

图4 14600kPaG的管壁厚Fig.4 Pipe wall thickness under 14600kPaG

图5 25100kPaG的管壁厚Fig.5 Pipe wall thickness under 25100kPaG

由图1分析可知，在较小压力(5700kPaG)下，管径小于4英寸(1英寸≈2.54cm)时，316L和S31803计算壁厚比最小壁厚小，应选取最小壁厚作为管线壁厚，同样的钢材用量，选择价格较低的316L作为管材更经济，同时能够保证平台重量不会因管线选材而增加。

由图2～5分析可知，随着管线压力及管径的增大，316L材质的管线壁厚远大于S31803材质的管线壁厚，这样会大大增加平台重量。以20英寸的工艺管线为例，在设计压力为25100kPaG时，316L为管材的计算壁厚为55.36mm，S31803为管材的计算壁厚为30.82mm，壁厚减小了45%左右，管道重量相应减少42%。因此，在较大压力及较大管径的系统中，选择S31803作为管线材料更为合理。

合理的材质选择能够有效防止CO2腐蚀，降低管线重量。据本项目初步统计，采用S31803材质的管线长度约为2000m，重量估算约为600t，比采用316L材质的管线重量减少约400t，占平台总管线重量的10%左右。

3 结 语

该气田位于中国南海，具有设计规模大、组块重量大以及物流中CO2含量较高等特点，该项目面临着防止CO2腐蚀和组块减重的双重压力，在一定程度上防止CO2腐蚀会增大化学药剂设备的规模或提高材质等级，都会使组块重量增加，与平台减重相矛盾，因此，给设计带来了巨大挑战。

本文通过深入分析计算，认为选取碳钢加入缓蚀剂的防腐方案无法满足防腐要求。在较小压力及较小管径的管线中，选择价格较低的316L作为管材更经济，且保证平台重量不会因管线选材而增加。在较大压力及较大管径的管线中，以S31803作为管线材料比316L更合理，可有效减少平台管线重量。

随着我国南海大开发的不断推进，类似规模甚至更大规模的油气田会不断被探索开发，对于此类油气田项目，本文探讨的内容极具借鉴意义。

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ResearchonPipingWeightControlofaGasFieldintheSouthChinaSea

LI Hu, HUANG Dong-yun, BA Yan, XIE Jin-qiu

(CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China)

We review the mechanism of CO2corrosion in gas field exploitation of a platform in the South China Sea. The relevant protection methods are also introduced. The importance of weight control is emphasized to this platform. The selection of pipe material is considered to reduce piping weight so that the overall weight of the platform is controlled within the required weight limits.

piping weight; weight control; corrosion mechanism; CO2corrosion

TE988.2

A

2095-7297(2017)04-0217-04

2017-04-07

李虎(1986—)，男，硕士，工程师，主要从事海洋平台布置及重量控制工作。