集气管道内腐蚀主控因素及腐蚀评价方法研究

任春燕

中国石油华北油田公司第五采油厂工程技术研究所，河北辛集 052360

随着国家对清洁能源需求的不断增加，越来越多的气田被开采，集气管道流体成分复杂，除CH4外，还有CO2、H2S等腐蚀性介质，同时采出时伴有大量气田水，水中含有CaSO4、NaCl、CaCO3等溶解性盐类[1-3]。因流体介质、地形地貌和周围环境等原因，集气管道的腐蚀远高于集油管道，管道穿孔后天然气发生泄漏并在土壤中扩散，隐蔽性较强，易造成巨大的人员伤亡和财产损失[4]。目前，对于腐蚀在线监测的方法主要有挂片失重法、电阻探针法、电化学探针法、交流阻抗法和FSM法等[5-7]，这些技术对于管道运行状态的监测具有重要意义，但需要长期放置或定期更换相关设备，这加大了管理难度，且对于未设置腐蚀监测体系的气井和管道，则无法对腐蚀情况进行预判和定量评价。此外，影响集气管道内腐蚀的因素众多，各类因素与腐蚀速率之间存在非线性关系，无法用简单的多元函数表示。朱相荣等[8]、赵景茂等[9]、卢会霞等[10]、孙天礼等[11]用灰色关联法对影响碳钢管道的腐蚀因素进行了分析，但均未考虑各参考序列之间的相关性。因此，为了对集气管道腐蚀风险进行定量评价，采用熵权-灰色关联法计算灰色关联度，确定各影响因素的客观权重，找到主控因素，并形成内腐蚀评价方法，筛选出内腐蚀风险较高、需要重点关注的集气管道，为气井防腐措施的制定提供理论依据。

1 内腐蚀影响因素

集气管道从腐蚀类型上有均匀腐蚀、点蚀、冲刷腐蚀和氢腐蚀四种，根据腐蚀类型，将内腐蚀影响因素归纳为三类：管道材质、流体特性和运行参数。管道材质即钢管的牌号及力学性能，流体特性即CO2含量、H2S含量、固体含量、油气密度等，运行参数即管道温度、压力、流速、热传递系数等，一般情况下，同一区块不同断块的气田虽分批滚动建设，但管道材质基本一致，故只考虑流体特性和运行参数的影响即可。综上所述，对内腐蚀因素进行梳理后，共找出18个影响因素，见表1。其中，管道内流体为气液两相流动，流动中涉及传质、传热、动量守恒、能量守恒等过程，且有部分流动参数无法通过仪表直接测量。在此采用多相流瞬态模拟软件OLGA对液相表观流速、气相表观流速、表面张力、气体-壁面剪切应力、液体-壁面剪切应力等参数进行模拟，模拟时首先确定管道埋深，将模拟得到的压力、温度数据与实测数据进行对比，当误差不超过2%时，认为水力和热力模型选择准确，由此得到管道沿线参数的分布情况。腐蚀速率根据超声导波检测系统和壁厚测试仪的检测结果，结合管道服役年限进行计算。

表1 内腐蚀影响因素

2 主控因素分析

2.1 熵权-灰色关联

熵权法是通过衡量各指标所占信息量的多少来确定指标权重，属客观赋权法。根据信息论的基本原理，信息的无序程度可用熵值表示，熵值越小，信息的无序程度越小、有序程度越大，包含的信息量越大，在综合评价中的权重越大。反之，权重越小。

假设有m组腐蚀速率数据，每组共包含n个影响因素，构建初始矩阵：

式中：xij为第i组腐蚀速率数据下的第j个影响因素（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n)。

为了消除不同影响因素量纲差异带来的影响，对初始矩阵进行无量纲化处理，得到矩阵Z=（zij）m×n，zij表示第 i组腐蚀速率数据下的第 j个影响因素无量纲化后的数值。常见的无量纲化方法有平均值法、中心化法、最大值法和最小值法等，不同的无量纲处理方法对权重的确定具有一定影响。

根据信息熵的定义计算各影响因素的熵值hj：

式中：ej为第j个影响因素的信息熵，无量纲。

此时，第j个影响因素的权重：

灰色关联法是通过衡量各因素之间的差异，确定各因素对主行为贡献程度的一种方法，在系统进行的过程中，如两因素变化同步性较高，则两者一致性程度越高，相关度越高。

假设有m组腐蚀速率数据，每组共包含n个影响因素，规范化后的数据为xi=[xi（1），xi（2），…，xi（n）]，i=1，2，…，m。选择腐蚀速率 x0为参考序列，影响因素xi为比较序列，计算x0和xi在第k个影响因素下的关联度系数ηi（k）：

式中：ρ为分辨系数，ρ越小分辨能力越强，一般取 ρ=0.5。

计算不同影响因素下的灰色关联度ri：

式中：wk为指标权重，通常取1或采用专家判断，在此取熵权法计算的权重值，可摒弃主观因素影响，确保关联度计算的准确性。

2.2 关联度计算

通过收集整理20组集气管道的腐蚀数据，采用不同的无量纲化方法计算指标权重，计算结果见图1。可见不同的无量纲化方法对权重计算产生了一定影响。熵权法的原理是基于信息的无序程度，即信息之间的差异越大，计算结果越准确。

图1 不同无量纲化方法的计算结果

采用均方差和极差衡量计算方法的准确性，见表2。均方差表示数据集的离散程度，极差表示数据集的波动程度，两者数值越大，信息之间的差异程度越大，因此选择平均值法的权重计算结果。

表2 不同无量纲化方法的均方差和极差

按照式（5）、式（6）计算不同影响因素的关联度，如图2所示。关联度的变化范围为0～1，一般认为关联度大于0.6表示两者呈现强相关性，其中关联度大于0.6的因素为H2S质量浓度（0.8345）、CO2质量浓度（0.641 5）、气体流速（0.657 8）、温度（0.601 8），其余影响因素的关联度均小于0.6，说明其余因素与腐蚀速率之间的相关性较小。

图2 不同影响因素关联度计算结果

图3为腐蚀速度与对应主控因素的变化趋势，其中腐蚀速度与H2S质量浓度的变化趋势相似度最高，且与主控因素均呈正相关。

图3 腐蚀速度与主控因素变化趋势

3 内腐蚀评价

根据关联度的计算，4个主控因素与腐蚀速度之间为递增函数关系，采用归一化法对实际工况条件下的气井参数进行处理，即同一因素的最大值为1，其余数值按比例赋值。以灰色关联度为依据，对各影响因素的重要程度赋权重，并引入腐蚀评价因子T。对不同集气管道运算后的结果T求算术平均值，高于平均值的气井和集气管道认为是腐蚀敏感区域，需要重点关注。其公式如下：

式中：Ai、Bi、Ci、Di分别为 H2S 质量浓度、CO2质量浓度、气体流速、温度归一化后的结果。

对5个断块区域内21口气井的运行参数进行采集并归一化处理，其中H2S质量浓度和CO2质量浓度根据井口压力和气质组分化验结果确定，气体流速取站场内最高流速（由于不同管径和流量下的流速不一致，保守取站内最高流速），温度取井口温度，结果见表3。

表3 腐蚀评价因子计算结果

从计算结果可知，腐蚀评价因子的平均值为1.318 33，别古庄的6口气井腐蚀评价因子均超过平均值，该断块的H2S质量浓度为30～127 mg/m3、CO2质量浓度为66.9～223.5 mg/m3，据此参照GB 50349—2015《气田集输设计规范》，判断属高含硫断块，且两者分压比P（CO2） /P（H2S） =1.52～2.56，根据Pots等[12]的研究，腐蚀体系以H2S为主，腐蚀风险较大。为了验证评价结果，对腐蚀评价因子最高、中等和最低的三口气井京57、安22-11X和宁10-1，采用化学分析法和失重法分析气田采出水中总铁离子的含量，计算均匀腐蚀速率。三口气井的监测结果与评价结果相符，见图4。其中京57井的均匀腐蚀速率为0.19～0.30 mm/a，参照NACE-RP-0775，属高度偏重度腐蚀，并随着时间延长，腐蚀越来越严重，该井的气体流速较快，据研究表明，当气体流速超过5 m/s，缓蚀剂无法覆盖在基材表面，且气流速度越大对管道的冲蚀作用越强，从2020年12月开始为该井增加了二级节流和二级加热流程，降低了出口压力，腐蚀有所减缓。安22-11X井的均匀腐蚀速度为0.09～0.14 mm/a，参照NACE-RP-0775，判断大部分时间属于中度腐蚀，少数时间属于高度腐蚀；宁10-1井的均匀腐蚀速度为0.014～0.023 mm/a，参照NACE-RP-0775，属于轻度腐蚀，根据监测结果对这两口气井调整了缓蚀剂的配方和加注量，有效地控制了腐蚀，腐蚀速度有所减小。

图4 3口气井集气管道腐蚀监测数据

4 结论及建议

（1）通过采用熵权-灰色关联法对影响管道内腐蚀的18个因素进行梳理和计算，得到影响腐蚀的主控因素为H2S质量浓度、CO2质量浓度、气体流速和温度。

（2）对5个断块区域内21口气井的运行参数进行采集并归一化处理，其中别古庄断块的腐蚀评价因子超过平均值，为高含硫断块，腐蚀风险较大。

（3）对于没有设置腐蚀监测体系的集气管道，可根据采集数据计算腐蚀评价因子，为腐蚀高敏感区防腐措施的制定提供指导。

（4）已评价气井的产水量较少，随着气田的不断开发，产水量会不断增加，腐蚀性也会增强，今后应及时更新数据，加入气田采出水的相关因素，对评价模型进行进一步修正。