耐酸混砂车优化改造技术

艾 昆，孙好文

（中石化华北石油工程有限公司，河南郑州 450006）

1 设备现状

混砂车是油气田储层改造加砂压裂的关键设备，目前常用的混砂车液体过流部分采用碳素钢加工制作，耐酸性差，不能满足酸中加砂的压裂工艺要求，因此需对其进行改造。

某混砂车采用双吸双排模式，两边均可作为吸入端或排出端接入吸入或排出管线，自2009 年投产以来一直用于加砂压裂。该车的液体吸入/排出管路以及混合罐全部采用碳钢加工制作，耐盐酸腐蚀性能差，拟对其进行改进升级。从拆解后的管路内壁和混合罐来看，因长期使用压裂液体内壁腐蚀严重（图1）。

图1 锈蚀的管汇内壁

2 改造方案

对该混砂车进行耐酸性改造，主要是对管汇、混合罐及其他附件等的优化，改造难点是耐盐酸材料的选择。

2.1 盐酸的特性

盐酸是一种典型的非氧化性强酸。在各种化学试剂和强腐蚀性介质中耐蚀的钢称为不锈耐酸钢，但常用的奥氏体不锈耐酸钢不耐盐酸腐蚀。研究试验表明，奥氏体不锈耐酸钢在盐酸、氢氟酸等非氧化性酸中，其耐腐蚀性能与普通碳钢差别不大。

很多不锈钢可以耐氢氟酸或浓硫酸，但耐盐酸性能一般，如奥氏体316L 不锈钢耐常温浓度低于15%的稀硫酸或浓度大于85%的浓硫酸。研究表明，双相不锈钢在氢氟酸中耐腐蚀性较好，主要是因为能形成稳定、致密、可靠的钝化膜，而双相不锈钢在盐酸中形成的钝化膜不致密、不稳定。

2.2 混砂车吸入和排出管汇

2.2.1 管汇选材

现有厂家生产的耐酸混砂车吸入端通常采用钢衬塑或不锈钢，排出端采用不锈钢，可能原因是基于吸入端没有砂的冲刷、以耐酸为主。不锈钢的耐砂冲刷性能优于钢衬塑，排出端考虑到有砂的冲刷而选用不锈钢。

需要改造的混砂车输送的压裂液呈强碱性，pH 值一般为10～11，对普通碳素钢的腐蚀性较强。实际使用中，混砂车压裂完工后用清水对管路进行冲洗，但难以冲洗彻底干净且通风不畅，管路内壁腐蚀难以避免。从拆解后的吸入和排出管路内壁来看，内壁存在的问题主要是腐蚀，排出管路的冲刷并不明显，只是在排出砂泵的排出弯管处冲刷痕迹较明显。因此，需要对管汇的选材进行优化、创新。

2.2.2 优化方案

理论和大量的实践表明，钢衬塑的耐酸性优于常用的奥氏体不锈钢，特别是石油工程行业酸化压裂常使用的盐酸。优化方案主要分两个部分进行：

（1）吸入/排出管路。由于是双吸双排，再加上砂子对管路的冲刷并不明显，所有管汇内壁主要是压裂液的碱性腐蚀，因此所有管路优先考虑的是耐盐酸腐蚀，在排出砂泵出口弯管只需要考虑如何耐砂的冲刷。因此，吸入/排出管路采用钢衬F-4（即聚四氟乙烯，简称PTFE）。钢衬F-4 是比较成熟的工艺，在化工耐酸领域由于管路复杂、焊缝较多，采用钢衬塑明显优于316L不锈钢管路。

（2）砂泵排出弯管部分。钢衬F-4 耐酸耐碱性能优越，但耐砂的冲刷性能差，不锈钢耐冲刷性能尚可但耐酸性一般，经调研一种超高分子量的聚乙烯可供选择。超高分子量聚乙烯（UHMWPE）是当今世界三大高科技特种纤维之一，分子量在200 万以上，具有质轻、耐磨、耐腐蚀、强度高等特点，其耐磨性是碳钢的5 倍以上，已在军工、航天和民用等领域得到应用。其缺点是加工难度大，在复杂管路难以进行内衬，但在结构简单的直管和弯管可以进行内衬。聚四氟乙烯和超高分子量聚乙烯表面都很光滑，摩擦因数很小（聚四氟乙烯的摩擦因数为0.04，超高分子量聚乙烯的小于0.09、碳钢的大于0.3），有利于液体的流动（图2～图3）。

图2 衬过F-4 的法兰

图3 衬过UHMWPE 的弯管

2.3 混合罐

需要改造的原车混合罐为单罐单层结构，排量较大时存在混合罐中心区域液面较低而供液不平稳的现象。

2.3.1 结构形式

近年来，主流混砂车制造厂家生产的混砂车混合罐采用双层罐结构，即罐中套罐的立式搅拌罐结构，较单层搅拌罐主要有以下优点：

（1）确保高砂比、大排量工况下能连续、均匀混合：吸入离心泵排出的液体从侧面进入外层罐中，在外腔形成切向流动，液体在外腔中循环后，通过径向孔流向内腔，并与螺旋输砂器输来的支撑剂（石英砂或陶粒砂）充分混合。由于内腔表面积较大，支撑剂被完全浸湿，在搅拌器作用下支撑剂和原胶液连续搅拌成均匀的携砂液，在内腔底部排出口到排出砂泵之间最大限度减少气体产生，也避免了混合罐液面过低导致的排出泵抽空现象。

（2）保证小砂比和小排量时的混合效果：罐中套罐的结构结合了大表面积原理，同时保证小砂比和小排量时的混合效果，确保携砂液在混合罐中停留最短的时间，避免沉砂，并增加添加剂添加系统及控制系统的精确性。

基于以上优点，本次混砂车改造优选罐中套罐的双层罐结构，并配有雷达液位监测系统，以实现液面高度的自动控制。

2.3.2 罐体选材

聚四氟乙烯的耐盐酸性能明显优于常用的奥氏体不锈钢，但混合罐衬塑存在一定难度，而耐盐性腐蚀性能好的哈氏合金、因科乃尔合金等价格较高，性价比较差。

酸化压裂所用盐酸浓度已稀释到20%左右，并添加一定比例缓蚀剂，腐蚀性已经降低，其对管路、罐体等的腐蚀位置主要是焊缝（无论是普通碳素钢还是316L 不锈钢）。焊缝腐蚀较快的主要原因是焊缝的晶间腐蚀，其他部位腐蚀速率很慢，罐体也并非长时间存放盐酸，作业完工后可及时清洗并保持通风。因此，可采用316L 奥氏体不锈钢焊接罐体，但应尽量避免或减轻焊缝的晶间腐蚀，一旦焊缝发生明显腐蚀则应及时进行补焊处理。

2.3.3 减少晶间腐蚀的措施

焊缝晶间腐蚀是最常见的腐蚀破坏形式之一。根据贫铬理论，焊缝和热影响区在加热到450～850 ℃时，在晶界上析出高铬碳化铬，使晶间铬含量降低至钝化所必需的最低含量（11%）以下、形成贫铬区。当与腐蚀性介质接触时，晶间贫铬区相对于碳化物和固溶体其他部分将形成小阳极对大阳极的微电池，从而发生严重的晶间腐蚀。

2.3.3.1 影响因素分析

由保温时间、温度和晶间腐蚀的关系可知，影响晶间腐蚀的因素主要有温度和时间（图4）。

图4 保温时间、温度和晶间腐蚀的关系

（1）温度低于450 ℃时，碳原子等没有足够的扩散能量，不会析出碳化物。

（2）温度高于850 ℃时，碳化物有可能会析出，但很快又会重新溶入奥氏体中，因此不会造成晶间腐蚀。

（3）温度处于450～850 ℃时，如果时间很短、碳来不及扩散到边界，贫铬亦不会发生；如果时间很长，铬就会充分扩散到晶界进行补充，使晶间的贫铬消失或达到钝化所需的铬浓度，即出现“二次稳定状态”，也不会发生晶间腐蚀。

2.3.3.2 减少晶间腐蚀的措施

根据上述分析，为有效较少晶间腐蚀的发生，进行焊缝焊接时宜采取以下措施。

（1）超低碳法：控制焊缝和母材的含碳量低于0.04%，可大幅降低碳化铬的析出量；316L 不锈钢含碳量为0.03%，而316 不锈钢的含碳量为0.08%、其性能不及316L。

（2）控制在危险温度区的停留时间。采用小电流、快速焊，快焊快冷，使碳来不及析出。一般焊接电流应比焊接低碳素钢小20%，多层焊时应等前面冷却彻底后再焊下一层。

（3）稳定化退火：加热到850～900 ℃、保温2～5 h后空冷，在这个温度区元素在金属中的扩散非常快，使晶粒各处的铬量均匀，进入二次稳定区。

2.4 其他零部件

其他部件主要有吸入离心泵、排出砂泵以及各尺寸蝶阀。

（1）离心泵选择钢衬F-4 耐酸化工泵。

（2）砂泵选择高硅铸铁泵。由于陶粒砂的巨大冲刷效应，砂泵选用高硅铸铁材料。硅含量为14.5%～18.0%的铁碳合金称为高硅铸铁，依靠硅合金化而获得钝化能力，在任何浓度的硫酸、磷酸、室温的盐酸等溶液中有良好的耐蚀性。

（3）采用常规的塑料蝶阀。

3 结束语

排出/吸入管汇采用钢衬塑工艺进行耐酸防腐，主要是基于管汇结构复杂、焊缝太多、通风不畅等因素，而混合罐采用奥氏体316L 不锈钢材料焊接，主要是其结构简单、焊缝少、易于通风等因素，即使出现局部腐蚀也易于修补。

改造后的耐酸混砂车既可用于酸中加砂压裂工艺，也可用于常规加砂压裂工艺或酸化压裂工艺，而且塑料摩擦因数明显低于普通碳素钢，有利于液体流动，充分保障吸入、供液。该改造工艺主要有两个创新点，一是吸入/排出管路首次全部采用钢衬F-4，二是首次将超高分子量聚乙烯（UPE）材料应用于耐酸混砂车管路。同时，对采用316L 奥氏体不锈钢焊接混合罐焊缝的晶间腐蚀提出了控制措施，能有效避免或减少焊缝的晶间腐蚀。