水下多相流量计的材料选型及试验验证

2023-01-09张大为李丰清高明霞

中国海洋平台 2022年6期

张大为，李丰清，陈斌，杨安，高明霞

(1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300451；2.海默科技(集团)股份有限公司，甘肃兰州 730010)

0 引言

近年来我国石油对外依存度屡创新高，2019年更是历史性地突破70%。为保障国家能源安全，避免石油供给被外国垄断的历史重演，国内石油资源开发显得尤为重要[1-2]。我国南海油气资源丰富，占我国油气资源总量的三分之一，南海的油气开发对保障我国能源安全具有重大意义[3]。

水下生产系统在海洋油气开采中已得到广泛应用，并由之前的完全依赖进口到现在逐步实现国产化[4-5]。水下多相流量计是水下生产系统的重要组成部分，可实时在线测量水下油气单井的油气水产量，对于油气藏科学管理、生产优化和流动保障具有重要意义[6-8]。但该产品长期以来被国外几家大公司如OneSubsea、TechnipFMC等垄断。为打破水下多相流量计长期被国外公司垄断的局面，我国在十三五期间系统地开展水下多相流量计国产化样机研制，并顺利进入工程应用阶段。安维峥等[9]论述国产水下多相流量计试验验证技术，并对其在水下安装方案进行比选，确定在海底管道终端连接接头安装方案。孙钦等[10]结合故障模式、影响及危害性分析(Failure Mode,Effects and Criticality Analysis)讨论水下多相流量计的可靠性及应对策略。上述成果均从用户角度对水下多相流量计的应用进行研究，但目前我国鲜有具体文献对水下多相流量计的材料选型、碳钢堆焊625合金工艺、试验验证等方面的研究。本文基于南海某油田具体项目对水下多相流量计的技术要求，结合水下多相流量计的相关规范要求，并根据实际工程经验，对水下多相流量计的材料选型、堆焊技术、试验验证等方面工作进行研究，为水下多相流量计的工程设计及优化提供一定的借鉴，对后续海洋油气开发具有十分重要的意义。

1 水下多相流量计简介

水下多相流量计竖直安装于海底管汇中，与配管成倒U形结构，工艺介质自下而上流动，进出口配管固定后焊接，水下多相流量计具有标准法兰接口，法兰及管件材质碳钢(F65)锻件，如图1所示。

图1 水下多相流量计实际应用示例

所述水下多相流量计应用伽马射线与文丘里相结合的测量技术，根据混合流体中不同组分对伽马射线吸收的差别来测量体积相分率(包括含水体积分数和含气体积分数)，文丘里用于测量混合流体的总流量，最终获得油、气、水各单相介质流量。所述水下多相流量计的主要设计参数如表1所示。

表1 水下多相流量计设计参数

水下多相流量计的组成主要包括本体、文丘里管、放射源组件、电子仓、压差仪表、温度仪表等部分，如图2所示。

图2 水下多相流量计结构及主要组成部分

2 材料选型

由于水下多相流量计的应用环境复杂，人工难以干预，水下作业费用极高，单次安装、回收及维修后二次安装的费用可高达数百万美元(不包括因此导致的停产损失)等，对水下多相流量计的可靠性有着严苛的要求[10]。因此，水下多相流量计的材料选型显得极其重要。一般在设计选型的时候，其材料的设计必须参照相关标准规范严格执行，同时应综合考虑其工艺需求、经济效益等方面，设计出更合理的配置方案，从而实现最优配置。

水下多相流量计作为水下生产系统重要的监测设备，所选材料对于水下工程设计的安全性和可操作性具有重要作用。当前随着水下生产系统向深海发展，对水下多相流量计所用材料提出了更高的要求。

根据水下设备的使用要求及各类材料特性，水下多相流量计可使用以下几类材料：碳钢及低合金钢、双相钢、镍基合金及碳钢堆焊镍基合金。在前期水下多相流量计的设计中，曾以双相钢(ASTM A182 F51)为主材加工制造水下多相流量计。F51双相钢通过调质热处理获得较高的综合力学性能并且具有较好的低温冲击性能，且有一定的耐酸抗腐蚀性。参考API 6A中材料级别要求，不锈钢(含双相钢)能够达到最高材料级别为FF等级。若需要适应更广的环境，则需达到HH等级。HH等级对于材料最低要求为耐蚀合金(Corrosion-Resisting Alloy,CRA)或流体湿润表面要求是CRA。由于水下多相流量计工作环境恶劣、腐蚀性严重，因此需要充分考虑H2S、CO2等因素对流量计材料的腐蚀。在目标项目中，目标井部分组分含量如表2所示。可见该井产出流出物中不含H2S，但属于高浓度CO2气井，高峰时CO2分压达6 MPa。

表2 南海某油田预测天然气成分

因此，水下多相流量计的材质将考虑3种方案，如表3所示。

表3 材料选型方案比对

第1种方案选用双相不锈钢(ASTM A182 F51)作为水下多相流量计主材，材料等级为FF等级，技术较为成熟，已经通过挪威船级社(DNV)认证并在水下多相流量计工程项目得到了应用。

第2种方案以碳钢(ASTM A694 F65)为基材，碳钢具有良好的综合力学性能，但碳钢很容易受到内部和外部流体介质的腐蚀，尤其在水环境中，CO2可快速腐蚀碳钢；若在所有接触工艺介质的流体湿润表面堆焊至少3 mm的625合金，不仅能提高水下多相流量计整体抗腐蚀性能，且能提高流道耐磨性，进而可以延长设备使用寿命；尽管整体成本较高，但同时节省了贵重的材料，与F51相比降低材料采购成本，几乎可适用于所有苛刻环境中。

第3种方案中纯625合金可以应用于接触海水并承受高机械应力的场合，在海水和工业气体环境中几乎不产生腐蚀，对海水和盐溶液具有很高的耐腐蚀性，焊接过程中无敏感性，技术容易实现，但是费用相对较高。

为降低成本，通常根据腐蚀介质选用在碳钢基材零部件的相关部位堆焊耐高温氧化、耐腐蚀的镍基合金耐腐蚀层的方式，防止、降低腐蚀介质对装置零部件的腐蚀等破坏性损失[11]。通过综合对比，碳钢堆焊625方案具有优良的综合力学性能，因此最终采用碳钢堆焊625方案将水下多相流量计材质从FF提升至HH等级，可适用于水下几乎所有工况，满足客户需求。流量计外表面采用防腐涂层处理，接液面及密封面堆焊625合金，如图3所示。

图3 水下多相流量计关键部件材料选型

3 堆焊技术

在本项目中，水下多相流量计本体采用F65碳钢锻件堆焊625，所有流道、流体湿润表面(含密封面)均采用F65堆焊625(堆焊层厚度至少3 mm)。为加工方便，文丘里设计成可更换式结构，可独立插入水下多相流量计本体中，这样设计的优势是可以在不改变产品本体及文丘里外形尺寸的前提下，通过更换文丘里喉径尺寸扩展水下多相流量计装置测量范围，插入式文丘里采用625锻件加工制成。试验结果证明，该设计方案能够满足水下多相流量计在本项目中耐高浓度CO2腐蚀以及使用寿命的要求。下面重点介绍堆焊过程中的关键技术。

3.1 关键结构焊接

关于水下多相流量计的堆焊技术，主要以其本体堆焊为主，而其本体堆焊关键在于以下2个方面：

(1) 引压孔堆焊

文丘里测量采用经典的环室取压方法，可插入式文丘里和本体相互配合形成环形空腔(简称“环室”)，引压孔为连通仪表安装面至环室的通道。采用这种方式采集到的压力均衡有代表性，而且引压孔的结构及加工相对简单。根据GB/T 2624.4文丘里喉径大于33 mm时的取压口直径推荐值，这里取压口直径选取10 mm，引压孔深度约100 mm。堆焊层厚度不小于3 mm，则粗加工孔的直径至少为16 mm，如此小而深的孔采用常规的堆焊方法从工艺上来讲不可行。

考虑到现有工艺小孔无法堆焊，本项目中采用镶嵌625塞棒及端面堆焊的形式，即加工直径为20 mm的625芯棒，镶嵌在本体粗加工孔洞中之后塞棒端面分别与本体内外部表面相焊接。与本体内部相结合部分，芯棒端部加工成与本体内流道相匹配的弧面，而后焊接；与本体外部相结合部分，留3 mm的凹台及倒角，而后堆焊与本体外表面相平，如图4所示。

图4 引压孔堆焊示例

(2) 射线窗、温压孔与流道形成的多孔堆焊

本体在垂直于流道方向布置测量流体组份的γ射线装置，并在另外一侧布置测量介质压力及温度的温压仪表安装孔，这些安装孔与本体主流道形成多孔面，处理相贯结合面处的堆焊层的质量对于整个设备防腐蚀性能的提升具有重要意义。

考虑到本体整体粗加工完成后难保证堆焊质量，调整粗加工工艺：每粗加工一个孔后，先对该孔堆焊，再进行下一个孔的粗加工。首先，粗加工流道，堆焊流道；而后，粗加工射线窗，堆焊射线窗；最后，粗加工温压仪表安装孔后堆焊。粗加工与堆焊交替进行，保证堆焊质量，如图5所示。

图5 “多孔”堆焊示例

3.2 焊接工艺评定

焊接质量直接影响管道的安全运行和使用寿命。焊接工艺评定(简称焊评)是保证焊接质量的重要环节，而焊接工艺评定报告是实施焊接的指导性技术文件，目的在于验证所选焊接工艺的正确性，进而保证焊接质量[12]。关于焊接检测项目，主要检测标准如下：

(1) 外观检验。无可见的堆焊层缺陷。

(2) PMI(Positive Material Identification)检测，又称光谱现场检测。堆焊层主要化学成份(Ni、Cr、Mo、Nb &Fe)符合SFA-5.14[13]的规定值，铁质量分数均小于5%。

(3) 渗透测试(Penetration Test，PT)。着色、显影后无可见的缺陷。

(4) 堆焊层厚度检测。堆焊层均予抽检，按堆焊图纸要求机加工后最小厚度均在3 mm以上，除堆焊面较窄的边缘在2.7～3.0 mm，如探头封盖和源防护罩。

(5) 表面硬度检测。堆焊层硬度均小于345HV10(其中HV表示维氏硬度，单位为N/mm2)，热影响区介于174HBW(其中HBW表示压头为硬质合金的布氏硬度，单位为N/mm2)与250HV10之间。

经过焊接评定，焊接质量达标，各焊接检测项目如图6所示。

图6 焊接检测项目

4 试验验证

为验证水下多相流量计的材料选型及焊接的合理性，试验验证是必不可少的环节，通过试验验证，对水下多相流量计的整体力学性能进行分析，从而使其更好地投入使用。目前，水下生产系统的测试及认证都已有较为成熟的研究[14-16]，对水下多相流量计的测试技术进行专门和详细规定的极少。API RP 17S[17]是目前水下多相流量计领域唯一的API规范，其中对产品的型式认证、出厂试验等都有详细规定，并大量引用API 6A[18]和API 17D[19]等规范对水下多相流量计各项测试的规定。

按项目对水下多相流量计出厂测试需要做的各项试验及测试要求，每项测试都须提前准备测试程序并提交客户审核，通过第三方进行现场见证并出具见证报告，进而确保水下多相流量计在使用过程中的可靠性。本项目主要以DNV机构认证为主。经过DNV认证，所述水下多相流量计产品满足客户技术规范及API规范要求，其中该水下多相流量计产品的主要测试项目如表4所示。

表4 水下多相流量计出厂测试项目及要求

静水压测试曲线如图7所示，向水下多相流量计打压并阶梯式升压至试验压力(52 MPa)后保压1 h，重复进行2次，最大压降为0.31 MPa，符合最大压降不超过3.45 MPa的测试标准要求。

图7 2021年6月8日静水压试验压力随时间变化曲线

气压试验测试曲线如图8所示，分高压和低压两个阶段，分别在高压试验压力(34.5 MPa)和低压(2.0 MPa)各保压15 min，在整个试验过程中无可见气泡，高压压降和低压压降均符合最大压降不超过3.45 MPa的测试标准要求。

图8 2021年6月8日气压试验曲线

温度压力循环测试(PR2)包括高温(121 ℃)、低温(-29 ℃)和常温循环，每个循环遵循升压、保压及泄压流程。这里仅给出低温为-29 ℃、压力为34.5 MPa的测试条件下温度压力变化过程曲线，如图9所示，在温度稳定后的保压期间，压降约0.45 MPa，符合最大压降不超过3.45 MPa的测试标准要求。