煤层气采气平台埋地弯管腐蚀行为及应对措施_魏长吉.pdf

32检测与完整性|Inspection&Integrity2023 年 1 月第 42 卷 第 1 期网络出版时间：2022-10-20T09:30:28网络出版地址：http:/ 7，表 4，参 30）关键词：煤层气田；采气平台；埋地弯管；腐蚀控制中图分类号：TE832文献标识码：A文章编号：1000-8241（2023）01-0032-08DOI：10.6047/j.issn.1000-8241.2023.01.005Corrosion behavior and countermeasures of buried elbows of gas production platform in coalbed methane fieldWEI Changji1,CAI Shaohui1,ZHAO Xuefen2,QIU Zhengyang21.Sinopec Linfen Coalbed Methane Branch;2.College of Petroleum and Natural Gas Engineering,Chongqing University of Science and TechnologyAbstract:In view of the leakage of buried elbow in a gas production platform of coalbed methane field in South Yanchuan due to corrosion perforation,analysis was carried out to the transmission medium,soil environment,corrosion products,and the metallographic structure of elbows and straight section of the buried pipeline.Meanwhile,the corrosion trend of the elbows and straight pipeline section was studied with electrochemical technology.The results show that the overflow of produced water from the coalbed methane wellhead leads to the increase of water content and chloride ion content in the soil,resulting in the increase of the buried environment corrosivity of pipeline and accelerating the failure of the anti-corrosion coating of the buried pipeline.Besides,the coarse material grains of elbows result in the higher electrochemical reactivity than that of the straight pipeline section,which leads to the serious local corrosion in the elbow areas.Therefore,comprehensive corrosion control countermeasures that combine the rectification of coalbed methane surface drainage pipeline with the enhanced repair of anti-corrosion coating and the cathodic protection of buried pipelines were put forward.Generally,the relevant results could provide reference for the safety management of gas production platform in coalbed methane field.(7 Figures,4 Tables,30 References)Key words:coalbed methane field,gas production platform,buried elbow,corrosion control引文：魏长吉，蔡少辉，赵学芬，等.煤层气采气平台埋地弯管腐蚀行为及应对措施J.油气储运，2023，42（1）：32-39.WEI Changji,CAI Shaohui,ZHAO Xuefen,et al.Corrosion behavior and countermeasures of buried elbows of gas production platform in coalbed methane fieldJ.Oil&Gas Storage and Transportation,2023,42(1):32-39.煤层气采气平台与天然气站场类似，其埋地管道敷设情况复杂，外防腐层保护效果、管体腐蚀状况难以掌握，给正常生产带来严重的安全隐患1。近年来，延川南煤层气工区多个排水采气平台的井口至管汇埋地管道出现腐蚀穿孔导致煤层气泄漏问题。现场调查发现，腐蚀穿孔位置往往处于井口采出水集液箱的采出水溢出处，且集中处于井口至汇管之间的埋地弯管段，管道外壁局部腐蚀明显，内壁仅有轻微的均匀腐蚀。弯管作为油气输送管道的关键组成部分，在内部输送介质、外部敷设环境以及管材缺陷等多种因素的影响下2-3，失效事故时有发生。因此，国内外学者针33Inspection&Integrity|检测与完整性1.2采出水渗入地层对土壤环境的影响平台采出水 pH 值约为 6.0，氯离子质量浓度高达59 100 mg/L，为验证其渗入地层对土壤腐蚀性的影响，对 W2 平台管道埋设处的土壤、同等深度非管道埋设处的土壤以及采出水样进行检测，发现管道埋设处土壤的含水量由 10增至 15，土壤含氯量由36 mg/kg 增至 8 000 mg/kg，pH 值由 8.52 降至 7.79，管地电位为-607-641 mV(vsCu/CuSO4)。Wasim等14总结多个学者关于土壤 pH 值与埋地管道腐蚀间关系的研究结果，认为二者之间没有相关性。但由 W2 平台含水量、氯离子含量以及管地电位等土壤腐蚀性指标可见，该处土壤的腐蚀性非常强15-18，埋地管道基材表面一旦与土壤直接接触，点蚀将迅速发生，一段时间后管体将发生大面积的局部腐蚀19。W2 采气平台埋地管道运行 5 年后，更换带有弯管和直管区的管段，发现换下管段的外防腐层存在严重的缺陷、老化、剥离、脱落等现象，无法对管体起到保护作用20。弯管区壁厚显著减薄，局部腐蚀严重，而与弯管相连的直管段腐蚀相对轻微。分别在弯管、直管段腐蚀最严重的 10 个位置切取试样，用游标卡尺测量各试样厚度（表 1），可见弯管剩余壁厚显著低于直管段，直管处腐蚀深度为0.090.36 mm，弯管腐蚀深度为 1.543.11 mm，差距约为 1 个数量级。根据 SY/T 0087.12018 钢质管道及储罐腐蚀评价标准 中的金属腐蚀性评价指标，直管区腐蚀速率最大为 0.072 mm/a,腐蚀轻微，可暂不处理；弯管区腐蚀速率最大达 0.622 mm/a，腐蚀严重，需要采取防护措施。对弯管腐蚀开展了大量的研究。Garca-Martnez 等4从宏观、微观检测以及化学成分、金相组织等角度出发，确定井口钢制弯管穿孔泄漏失效是 CO2腐蚀与空蚀造成的。朱丽娟等5采用类似研究方法，提出 20 钢45 热煨弯管局部爆裂是 H2S、CO2腐蚀与冲蚀交互作用造成的。Tandon 等6-8在弯管失效案例研究中提出，输送流体中所含介质（H2S、CO2、Cl-等）造成的腐蚀与流动诱发的冲蚀是弯管失效的主要原因。仝珂等9-10通过对油气管道失效弯管的组织、成分、腐蚀形貌进行综合分析，发现弯管服役环境引起的表面腐蚀与冲蚀、管材缺陷、热煨工艺不当造成弯管组织异常等是造成弯管失效的主要原因。徐学旭等11通过组织和腐蚀特征分析，推断 16Mn 钢直角弯头组织劣化和CO2环境下的冲蚀是导致直角弯头区局部腐蚀严重的原因，还发现对于组织、成分相同的钢管，晶粒越粗大，腐蚀越严重。综上，目前针对弯管腐蚀研究主要考虑内腐蚀的影响，对于实际工程的弯管外腐蚀情况尚鲜有报道。为深入分析弯管发生严重局部外腐蚀的原因，降低采气平台埋地管道的腐蚀风险，对煤层气采气平台埋地管道的环境进行分析，观察弯管和直管区的显微组织形貌，再结合腐蚀电化学行为测试，明确其腐蚀原因和腐蚀机理，并提出有效的防腐控制措施。研究结果可为煤层气田井场埋地管道的腐蚀防护提供技术支持，促进管道的完整性管理，保障生产的正常进行。1煤层气采气平台埋地管道腐蚀现象 1.1煤层气采气平台埋地管道现状延川南煤层气田各采气平台工艺流程中包括排水管道、采气工艺管道、井口管道分液装置、阀组管汇等装置。以 W2 平台为例，采气管道为 60 mm4 mm 的20 钢无缝钢管，埋深 0.8 m，其采用除锈后+防锈漆两道+玻纤布+聚氯乙烯工业薄膜+玻纤布+灰漆作为防腐手段，防腐层结构较为单一，容易出现腐蚀现象12。相关研究发现，若管道防腐层失效，且未采取了阴极保护保护措施，一旦发生局部腐蚀，将很快造成管道穿孔13。根据现场开挖埋地管道（图 1），可见管体表面完全被含有铁锈的潮湿土层所覆盖，防腐层几乎完全失效，现有埋地管道防腐层材料不能满足现场潮湿环境的服役要求。图 1现场开挖埋地管道照片Fig.1Pipeline buried by field excavation魏长吉，等：煤层气采气平台埋地弯管腐蚀行为及应对措施34检测与完整性|Inspection&I2023 年 1 月第 42 卷 第 1 期中 SiO2、Al2O3、CaCO3等化合物的成分，Fe、O 含量最高，是 20 钢发生腐蚀反应生成的铁的氧化物，环境中的 Cl 参与腐蚀反应过程并以氯化物的形式存在于腐蚀产物中。利用 DX2700 型 X 射线衍射仪（XRD）对腐蚀产物进行测试，并应用 Jade 5.0 分析腐蚀产物的主要物质组成（图 3，其中 2 为衍射角）。结果表明，管道外腐蚀产物中存在 Fe2O3H2O，是 20 钢在中、碱性土壤中发生氧化反应生成的 Fe（OH）2，在氧气存在时继续氧化生成Fe（OH）3，而后在干燥环境下失去部分结晶水形成的；SiO2、CaCO3为土壤成分21。2弯管局部腐蚀机理分析 2.1腐蚀产物通过 S-3700N 扫描电子显微镜（SEM）观察从现场取回的埋地管段腐蚀产物的微观形貌，并通过 EDAX-AMeTEK-Applo-能谱仪（EDX）测定腐蚀产物的化学组成（图 2）。可见，腐蚀产物成片状堆积、不致密，且有开裂迹象，对钢基体缺乏保护性。腐蚀产物由 Fe、Cr、Mn、Cu、Ca、Al、O、Si、Cl 及 C 元素组成（表 2），其中Cr、Mn、Cu 等为 20 钢的成分，Ca、Al、Si、Cl 等是土壤表 1W2 采气平台埋地管道某管段服役 5 年后剩余壁厚统计表Table 1Statistics on residual wall thickness of a buried pipeline section of W2 gas production platform after 5 years of service管段类型剩余壁厚/mm位置 1位置 2位置 3位置 4位置 5位置 6位置 7位置 8位置 9位置 10直管3.873.743.643.913.893.653.833.873.753.85弯管2.030.891.091.902.102.142.132.181.692.56图 2失效管道外表面腐蚀产物微观形貌及能谱仪扫描范围图Fig.2Microstructure of corrosion product on external surface of a failed pipeline and area scanning range of energy spectroscopy表 2失效管道外表面腐蚀产物能谱分析结果表Table 2Energy spectrum analysis results of corrosion product on external surface of a failed pipeline元素质量分数原子比例C1.766.82O4.5413.17Cu1.000.73Al0.240.41Si0.851.41Cl2.002.61Ca0.520.61Cr3.653.25Mn1.561.32Fe余量余量图 3失效管道外表面腐蚀产物的 XRD 谱线图Fig.3XRD spectrum of corrosion product outside on external surface of a failed pipeline20 钢在 pH 值为 7.79 的弱碱性土壤中主要发生电化学腐蚀，O2作为阴极去极化剂与 Fe 反应，最终生Fe2O3，其电化学反应主要为：2FeO22H2O2Fe（OH）2 （1）4Fe（OH）2O22H2O4Fe（OH）3 （2）2Fe（OH）3Fe2O3H2O2H2O （3）腐蚀产物 Fe2O3疏松多孔，易被土壤中腐蚀性介质穿透，使埋地管道持续不断发生腐蚀，对基体金属没有起到很好的保护作用22。尤其是当含有大量 Cl-的采出水渗漏到土壤环境中时，Cl-将穿过氧化铁膜形成点蚀核，甚至在基体上形成孔蚀源，造成弯管的腐蚀穿孔破坏23。35Inspection&Integrity|检测与完整性2.2组织形貌在直管和弯管段切取试样，经过研磨抛光后，利用体积分数 4的硝酸酒精溶液腐蚀，通过金相显微镜观察二者的组织形貌（图 4）。可见弯管和直管区均为典型的铁素体-珠光体组织，属于 20 钢正常组织24，但弯管区通过热煨弯管工艺制成，受煨制过程中加热的影响，铁素体晶粒长大2。通常，晶粒尺寸越细，金属腐蚀速率越低25，该现象是导致弯管段与直管段腐蚀速率不同的原因之一。2.3电化学腐蚀行为采用 SC310 电化学工作站研究埋地管道弯管段和直管段的腐蚀行为。采用三电极体系进行实验，分别从现场腐蚀失效管道的弯管和直管段上截取试样，制备表面积为 1 cm2的工作电极，在非工作面焊接导线后以环氧树脂封装，以水磨砂纸将工作面由 80 号研磨至 600 号，而后依次用丙酮、无水乙醇、去离子水清洗后冷风吹干备用。参比电极采用 Ag/饱和 AgCl 电极，以铂丝为对电极。实验用 W2 平台埋地管道处土壤模拟液由去离子水加入分析纯 CaCl2、MgCl26H2O、KCl、Na2SO4、NaHCO3、NaCl 配制而成，离子含量 w为：w（Cl-）=43 906 mg/L、w（HCO3-）=61.02 mg/L、w（SO42-）=96.06 mg/L、w（K+）=39.1 mg/L、w（Ca2+）=40.08 mg/L、w（Mg2+）=24.3 mg/L。2.3.1极化曲线分别于有氧、无氧环境中测定极化曲线（图 5），无氧环境通过向溶液中通入 N2获得，实验温度 25。可见，弯管的自然腐蚀电位比直管的自然腐蚀电位正 50 mV 以上，即直管发生电化学腐蚀的倾向更大。直管、弯管的阳极反应均受活化控制，直管区的阴极反应主要受活化控制，弯管区的阴极反应则受到活化和浓差极化的混合控制。尤其是在通入 N2的情况下，当阴极过电位偏离自然腐蚀电位约 62 mV 时，出现了明显的极限扩散电流现象。由于阴极电化学行为受扩散过程控制，无法通过 Tafel 拟合极化曲线获得腐蚀动力学参数26。2.3.2电化学阻抗谱为了减小较高的过电位对电极表面的影响，采用对工作电极表面影响较小的电化学阻抗谱（Electrochemical Impedance Spectroscopy，EIS）和线性极化研究 20 钢在土壤模拟液中的腐蚀动力学特征。由于极化曲线实验对试样表面具有破坏性，另取试样，在上述相同实验条件下，待开路电位稳定后，在5 mV 的正弦激励信号下测定电化学阻抗谱，测量频率为 10-2105 Hz。直管和弯管在有氧、无氧条件下的电化学阻抗谱（图 6，Zr、Zi分别为阻抗的实部、虚部）差异明显。在有氧条件下，弯管和直管阻抗谱的高、低频区均表现出容抗弧特征，反应主要受电荷转移过程控制,弯管和直管的容抗弧大小相近，表明有氧时其电荷转移电阻差异不大。在无氧环境中，弯管和直管在高频区主要受电荷转移过程控制，低频区则由电荷转移过程和去极化剂或反应产物的扩散过程共同（a）弯管区（b）直管区图 4埋地管道弯管区和直管区的金相组织形貌图Fig.4Metallographic structure of buried elbow and straight pipeline图 5直管和弯管区试样在有氧、无氧土壤模拟液中的极化曲线Fig.5Polarization curves of straight pipeline and elbow specimens in aerobic and anaerobic soil simulation solutions魏长吉，等：煤层气采气平台埋地弯管腐蚀行为及应对措施36检测与完整性|Inspection&I2023 年 1 月第 42 卷 第 1 期溶液电阻，cm2；Cf为腐蚀产物膜电容，F/cm2；Rf为腐蚀产物膜层电阻，cm2；CPEdl为 20 钢与土壤模拟液界面之间的常相位角元件（CPE）双电层电容，-1cm-2sn；Rct为电荷转移电阻，cm2。有氧条件下，弯管的产物膜电容、界面电容均较大，电荷转移电阻较小，腐蚀速率较大；弯管电荷转移电阻比直管电荷转移电阻小，其腐蚀速率相对更大。通入 N2后，弯管和直管的 EIS 在低频区均增加了一个 Warburg 阻抗W，说明其电极过程受到扩散控制，弯管的电荷传递电阻较大，电极反应速度慢，腐蚀速度较小。弯管的弥散系数n较大，弥散效应小，其表面生成的产物膜较为致密28。图 7直管和弯管在有氧和无氧条件下的土壤模拟液中的拟合电路图Fig.7Fitted circuit diagram of straight pipeline and elbow in aerobic and anaerobic soil simulation solutions（a）有氧（b）无氧图 6直管和弯管在有氧和无氧条件下土壤模拟液中的电化学阻抗谱Fig.6Electrochemical impedance spectroscopy of straight pipeline and elbow in aerobic and anaerobic soil simulation solutions控制，在低频区，弯管的容抗弧半径较大，电荷传输受到的阻碍较大，表明弯管在缺氧条件下具有更好的耐蚀性27。利用 Zsimpwin 软件，以等效电路（图 7）拟合电化学阻抗谱并得到拟合参数 表 3，在等效电路中，Rs为表 3直管和弯管在有氧和无氧条件下的土壤模拟液中的 EIS 拟合参数表Table 3Fitted EIS parameters of straight pipeline and elbow in aerobic and anaerobic soil simulation solutions条件管段Rs/(cm2)Cf/（Fcm-2）Rf/(cm2)CPEdl/（-1cm-2sn）nRct/(cm2)W/（-1cm-2s0.5）有氧弯管0.142 41.3710-4136.702.6210-40.733 71 959直管0.873 78.6610-559.642.4210-40.729 92 111无氧弯管0.346 31.7210-415.604.2910-40.746 13 8782.81910-3直管0.665 97.2010-526.034.8510-40.649 92 8421.28710-32.3.3线性极化EIS 测试后，在自腐蚀电位10 mV 范围内，以0.166 mV/s 的扫描速率进行线性极化扫描，然后利用 CView 对线性极化曲线进行拟合，得到拟合参数（表 4）。可见，有氧条件下的直管与弯管的腐蚀速率均较大。在弱极化区，阴极过电位较小，土壤模拟液中氧含量充足时，电极反应受氧还原反应的活化控制，氧去极化反应速度较快，腐蚀电流密度较大。但在通入 N2的无氧条件下，弱极化区的阴极去极化剂浓度降低，阴极反应减缓，线性极化增大，腐蚀速率降低。综合腐蚀动力学实验结果发现：在有氧环境中，弯管腐蚀速率较大；在无氧环境中，受电化学和浓差极化的共同作用，弯管的腐蚀电化学过程受到阻碍，参与氧化还原反应的电荷转移电阻较直管大，基体表面的金属阳离子 Fe2+更难扩散，腐蚀速率显著降低。但由于表面正电荷聚集较多，半径小、负电性强的Cl-将被吸引透过较为致密的氧化铁膜层，吸附到弯管基体表面富集成点蚀核，在 Cl-的催化机制作用下，促使点蚀坑的形成，引发弯管的局部腐蚀行为29。直管的电荷转移电阻较小，金属离子离开基体金属表面较容易，腐蚀行为以全面腐蚀为主。这与现场观察到的煤层气埋地管道的弯管局部腐蚀严重，而直管区腐蚀较为均匀的现象相符。表 4直管和弯管在有氧和无氧的土壤模拟溶液线性极化曲线拟合参数表Table 4Fitted parameters of linear polarization curve of straight pipeline and elbow in aerobic and anaerobic soil simulation solutions条件 管段自腐蚀电位/V交换电流密度/（Acm-2）极化电阻/（cm-2）腐蚀速率/（mma-1）有氧弯管-0.64913.7301 900.50.160 4直管-0.69711.2102 327.60.131 0无氧弯管-0.6825.8664 446.80.068 6直管-0.7099.9872 612.00.116 737Inspection&Integrity|检测与完整性3采气平台埋地管道防护对策 针对上述弯管局部腐蚀失效行为及其原因，提出煤层气地面排水管道整改与埋地管道加强防腐层修复及阴极保护相结合的综合腐蚀治理对策。3.1改善管道敷设环境将井口附近的开式集水箱进行升级改造，采用密闭的非金属管路系统进行排水，有效减少高矿化度采出水渗入井场埋地管道附近。3.2提高防腐层质量更换管道时，采用主要用于严重腐蚀环境下的耐水侵环氧煤沥青涂层作为防腐层。该防腐层结合了煤焦油沥青和环氧树脂的优点，具有粘接力强、耐水及耐溶剂性优异等优点。维修现有管道防腐层时，则可采用柔性粘弹体防腐胶带，其在补伤性能、施工难度、经济适用性等方面具有非常好的综合性能，适合于管道防腐层大修、弯管防腐层制作、局部补伤以及补口维修。3.3加装阴极保护选择埋地管道阴极保护常用的 AZ63 镁合金作为牺牲阳极，并以高含氯离子的海洋工程阴极保护中常用的两种 Al 基合金牺牲阳极 Al-Zn-In-Cd 和 Al-Zn-In-Mg-Ti 作为备选牺牲阳极材料，在 W2 采气平台管道敷设区的土壤环境中测试 3 种阳极牺牲阳极材料对20 钢的保护效果。测试结果表明 3 种牺牲阳极材料的保护效果从大到小依次是 Al-Zn-In-Cd、AZ63、Al-Zn-In-Mg-Ti。鉴于AZ63 镁合金牺牲阳极在含水量和氯离子含量高的环境中电流效率低、消耗速度快，选择适用于高氯离子环境的 Al-Zn-In-Cd 作为采气平台埋地管道的牺牲阳极。W2采气平台5口井的采气管道累计全长不过百米，且平行敷设，若成组埋设牺牲阳极，将导致保护电流屏蔽现象频发。参考刘振平30通过数值模拟计算敷设于管沟底部与管道平行带状牺牲阳极在整个管道上电位分布均匀的研究结果，带状牺牲阳极的保护电流在埋地管道上分布均匀，保护效果好。因此，推荐采用沿管道布置Al-Zn-In-Cd 带状牺牲阳极的方式进行阴极保护。4结论（1）在煤层气采气平台附近，采出水泄漏渗入地层导致土壤含水量和氯离子含量增大，土壤腐蚀性增强，加剧埋地管道涂层老化失效。埋地弯管因金相组织晶粒粗大，腐蚀速度相对直管区更快，二者在无阴极保护和强腐蚀性土壤环境中均发生电化学腐蚀。（2）通过对弯管和直管在土壤模拟液中开展极化曲线、线性极化及电化学阻抗谱测试发现，与直管区相比，弯管的腐蚀电化学行为在有氧环境中主要受电荷转移速度控制，电荷转移电阻小，腐蚀速率较快；在无氧环境中受电荷转移和扩散过程共同控制，电荷转移电阻大，腐蚀速率降低。但弯管相对致密的腐蚀产物膜在高浓度氯离子侵蚀作用下，将导致弯管局部腐蚀加剧。（3）为防止采气平台埋地弯管发生局部腐蚀失效，推荐采取综合应对措施：改善采气平台埋地管道的环境，将开式排水系统改造为密闭的排水系统；对需要更换的管道采用加强级环氧煤沥青防腐层，并采用粘弹体进行补口补伤和修复防腐层；采用 Al-Zn-In-Cd 带状牺牲阳极对埋地管道进行阴极保护。参考文献：1 郭莉，程晓峰，巩忠旺，高扬，刘严强.输气站场埋地管道的腐蚀与防护J.全面腐蚀控制，2012，26（10）：31-35.DOI：10.3969/j.issn.1008-7818.2012.10.011.GUO L,CHENG X F,GONG Z W,GAO Y,LIU Y Q.The corrosion protection of buried pipelines in the gas compressor 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