倪志良 錢蘇 羅昊 薛雨

國(guó)家管網(wǎng)集團(tuán)儲(chǔ)能技術(shù)有限公司江蘇儲(chǔ)氣庫(kù)分公司

 

摘要：為研究鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)集輸管線內(nèi)腐蝕情況，分別采用干氣管道內(nèi)腐蝕評(píng)估方法（DG-ICDA）和濕氣管道內(nèi)腐蝕評(píng)估方法（WG-ICDA）對(duì)某鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)集輸管線進(jìn)行評(píng)價(jià)，預(yù)測(cè)儲(chǔ)氣庫(kù)管線的內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置。并以此為基礎(chǔ)選擇7處高風(fēng)險(xiǎn)位置進(jìn)行開(kāi)挖驗(yàn)證，利用超聲波測(cè)厚技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)檢查。結(jié)果表明：儲(chǔ)氣庫(kù)管線在注氣過(guò)程中和采氣過(guò)程中存在內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，且內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)位置分布不同；7處詳細(xì)檢查的地方內(nèi)腐蝕壁厚損失最大為5.32%，內(nèi)腐蝕缺陷發(fā)展不顯著；管線的剩余壽命為20年，最大再評(píng)估時(shí)間間隔為8年。

關(guān)鍵詞： 儲(chǔ)氣庫(kù)；集輸管線；內(nèi)腐蝕評(píng)估；腐蝕預(yù)測(cè)

 

儲(chǔ)氣庫(kù)的作用是滿足下游用戶季節(jié)調(diào)峰需求，其管道不定期注氣或采氣。對(duì)于鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)而言，在注氣過(guò)程中管道內(nèi)幾乎沒(méi)有水，而在采氣過(guò)程中，管道內(nèi)包含從井下攜帶出的水等介質(zhì)[1-2]。因此，只采用干氣管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)估或濕氣管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)估來(lái)評(píng)價(jià)儲(chǔ)氣庫(kù)集輸管線內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)是不合理的。本文從時(shí)間和里程兩個(gè)維度對(duì)國(guó)內(nèi)某已投產(chǎn)的鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)共15條集輸管線進(jìn)行內(nèi)腐蝕直接評(píng)價(jià)，分別采用干氣管道內(nèi)腐蝕評(píng)估方法和濕氣管道內(nèi)腐蝕評(píng)估方法對(duì)注采時(shí)期的管線進(jìn)行評(píng)價(jià)，基于評(píng)估結(jié)果選擇7處高風(fēng)險(xiǎn)位置進(jìn)行詳細(xì)開(kāi)挖檢查，并計(jì)算出管道的再評(píng)估周期。評(píng)估結(jié)果確定了儲(chǔ)氣庫(kù)所有管線的腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，為儲(chǔ)氣庫(kù)管線的腐蝕預(yù)防提供可行的技術(shù)方案。

1  預(yù)評(píng)估

內(nèi)腐蝕直接評(píng)估的預(yù)評(píng)價(jià)主要是收集管線的運(yùn)行數(shù)據(jù)，再對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行校核、整理、匯總、分析，判斷是否符合內(nèi)腐蝕評(píng)估方法（ICDA）執(zhí)行條件并對(duì)評(píng)價(jià)管段進(jìn)行分區(qū)，為后續(xù)管道腐蝕風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.1  基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集

收集某鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)15條集輸支干線的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以便后續(xù)進(jìn)行內(nèi)腐蝕評(píng)估區(qū)間劃分。以某天然氣集輸支干線管道為例（表 1），運(yùn)行壓力5.0 MPa～15.8 MPa，運(yùn)行溫度為﹣5 ℃～60 ℃。管道的介質(zhì)流向?yàn)殡p向，注氣過(guò)程是壓縮后的干天然氣從集注站流向各個(gè)氣井，日注氣量為 10×104 m³～340×104 m³（不定期注氣）；采氣過(guò)程是各個(gè)氣井采出的濕天然氣流向集注站，日采氣量為10×104 m³～370×104 m³（不定期采氣），基于實(shí)際排污情況進(jìn)行計(jì)算，采氣過(guò)程中的含水量為0.01方水/萬(wàn)方氣。

表 1 某天然氣集輸支干線管道的設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2  評(píng)價(jià)區(qū)域劃分

基于儲(chǔ)氣庫(kù)的基本數(shù)據(jù)，內(nèi)腐蝕評(píng)估（ICDA）區(qū)間的劃分主要從里程維度和時(shí)間維度兩個(gè)方面進(jìn)行。里程維度是基于管輸通徑的變化、沿線溫度、壓力變化等方面對(duì)該儲(chǔ)氣庫(kù)集輸管線進(jìn)行分區(qū)。考慮到鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)管道注氣和采氣過(guò)程中存在管輸量和含水率的變化情況，需要進(jìn)行更為細(xì)致的時(shí)間分區(qū)，進(jìn)一步劃分為注氣階段和采氣階段。

以集輸管線為例，根據(jù)里程維度劃分為5個(gè)區(qū)間。從時(shí)間維度上來(lái)說(shuō)，考慮到管道存在采氣和注氣雙向流的情況，每個(gè)方向可作為單獨(dú)的一個(gè)評(píng)價(jià)區(qū)間。因此，將此條天然氣集輸管線劃分為10個(gè)ICDA區(qū)間，分別進(jìn)行評(píng)估。

2  間接評(píng)價(jià)

對(duì)注氣過(guò)程的目標(biāo)管線采用NACE SP0206―2006推薦的DG-ICDA方法進(jìn)行評(píng)估，對(duì)采氣過(guò)程的目標(biāo)管線采用NACE 0110―2010推薦的WG-ICDA方法進(jìn)行評(píng)估。相對(duì)于采氣和注氣時(shí)長(zhǎng)，目標(biāo)管線停輸?shù)某掷m(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，因此本文也考慮了停輸期間管線的內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。

2.1  目標(biāo)管道實(shí)際傾角計(jì)算

根據(jù)NACE SP0206―2006公式，管道傾角θ通常是按照度數(shù)或弧度給出的，傾角的正弦值表示管道高程Δh 相對(duì)管道長(zhǎng)度Δι的變化[3]，按式（1）計(jì)算。用傾角的反正弦值來(lái)表示一定長(zhǎng)度管道的高程變化。

式中：Δh 為高程的變化量；Δι為距離變化。

所求的傾角單位為弧度，將其轉(zhuǎn)化為角度按式（2）計(jì)算：

對(duì)該集輸管線的10個(gè)管道進(jìn)行高程測(cè)試，測(cè)試的總長(zhǎng)度為6.414 km。基于管線的高程測(cè)試數(shù)據(jù)，根據(jù)式（1）和式（2）計(jì)算求得管線實(shí)際坡度隨里程的變化（圖 1）。其中，管線穿越水域部分的相對(duì)高程用虛線表示。

圖 1 某天然氣集輸管線相對(duì)高程、坡度-里程圖

2.2  內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)評(píng)估

（1）采氣過(guò)程。

以目標(biāo)管段集輸管線為例，其采氣階段內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)可以通過(guò)多相流模型和腐蝕速率模型的計(jì)算結(jié)果來(lái)確定。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SP 0110―2010中提出的準(zhǔn)則來(lái)判斷目標(biāo)管段的內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。具體方法為采用多相流模型，計(jì)算識(shí)別目標(biāo)管線沿里程的氣液兩相流型，依據(jù)流型劃分子區(qū)；計(jì)算目標(biāo)管道沿里程的腐蝕速率和持液率；高風(fēng)險(xiǎn)位置確認(rèn)。其中壁厚損失和持液率均取每個(gè)子區(qū)間的所有數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算平均值。

本次評(píng)估在考慮采氣階段的主要采氣和停輸時(shí)間的基礎(chǔ)上，預(yù)測(cè)目標(biāo)管段采氣和停輸階段腐蝕速率以及持液量沿里程變化。

根據(jù)判斷內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置的兩個(gè)準(zhǔn)則，同時(shí)滿足子區(qū)內(nèi)壁厚損失大于平均值和持液率大于平均值的位置，即該子區(qū)內(nèi)的內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)位置。得到了采氣和停輸階段目標(biāo)管段的內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)位置（圖 2）。C井至集注站管線內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置為13±25 m、144±25 m。

圖 2 C井至集注站管線內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置

同理，通過(guò)此方式還可以得到此條天然氣集輸管線其他分區(qū)在采氣和停輸階段管段的內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)位置（圖 3）。A井至C井的內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置為419±25 m和438±25 m；D井至C井的內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置為0+25 m，31±25 m。而經(jīng)過(guò)綜合分析計(jì)算，B井至C井、E井至集注站不存在符合內(nèi)腐蝕直接評(píng)估高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)判據(jù)的位置，該里程分區(qū)管段高風(fēng)險(xiǎn)位置可以參考上一次的內(nèi)腐蝕直接評(píng)估結(jié)果。

圖 3 集輸支干線管道內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置

（2）注氣過(guò)程。

注氣過(guò)程為從集注站向井下輸送干氣，采用流動(dòng)模型來(lái)預(yù)測(cè)每個(gè)DG-ICDA區(qū)域最可能發(fā)生內(nèi)腐蝕的位置。由DG-ICDA流動(dòng)模型確定臨界傾角。臨界傾角為層流條件下不出現(xiàn)攜液的最小角度值。管道實(shí)際傾角大于臨界傾角的位置則是可能出現(xiàn)積液的內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)位置。

根據(jù)管道實(shí)際傾角計(jì)算弗勞德常數(shù)F按式（3）計(jì)算：

式中：F為作用在流體單位面積上的重力與慣性應(yīng)力的比率；ρι和ρg 分別為液體和氣體密度，kg·m-3；g 為重力，m·s-2；did 為管道內(nèi)徑，m；Vg 為表觀氣體速度，m·s-1；θ為傾斜角，°。

根據(jù)理想氣體方程 PV=nRT，并引入一個(gè)修正系數(shù)，即壓縮因數(shù) z，按式（4）可推導(dǎo)出管道內(nèi)氣體密度：

式中：M為氣體的分子量；P為管道內(nèi)壓力，Pa；R為理想氣體常數(shù)，8.314 J/K/mol；T為管道內(nèi)溫度，K。

根據(jù)NACE SP 0206―2006推薦使用的經(jīng)驗(yàn)公式（5）計(jì)算臨界角：

考慮到管線注氣階段的注氣和停輸時(shí)間段，利用流動(dòng)模型，分別分析主要注氣和停輸階段的臨界傾角，管道實(shí)際坡度大于臨界傾角的位置為可能積液的內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)位置。經(jīng)綜合分析，E井至集注站（注氣方向?yàn)閺募�注站附近三通至E井）的內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)（圖 4）。E井至集注站的內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置：3±25 m，16±25 m，134±25 m，141±25 m，161±25 m。

圖 4 E井至集注站管線的內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置

同理，通過(guò)此方式還可以得到此條天然氣集輸支干線其他分區(qū)在注氣和停輸階段管段的內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)位置（圖 5）。A井至C井的內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置為507±25 m，511±25 m，513±25 m，524±25 m，685±25 m；B井至C井的內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置為470±25 m，502±25 m，514±25 m；C井至集注站的內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置為4±25 m，9±25 m，13±25 m，236±25 m，300±25 m，318±25 m；D井至C井的高風(fēng)險(xiǎn)位置為499±25 m，677±25 m。

圖 5 集輸支干線管線內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置

將內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型運(yùn)用于該鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)的15條集輸管線，即可獲得15條目標(biāo)管線的內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置，以便后續(xù)重點(diǎn)關(guān)注。

3  內(nèi)腐蝕檢測(cè)

管線內(nèi)腐蝕直接評(píng)估的詳細(xì)檢查為開(kāi)挖管道并利用射線、超聲波檢測(cè)和腐蝕監(jiān)測(cè)等多種監(jiān)檢測(cè)方法直接檢查管線的剩余壁厚，與預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。基于評(píng)估要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，共設(shè)置了7處開(kāi)挖位置。其中，集輸管線E井至集注站方向69 m開(kāi)挖點(diǎn)各環(huán)向的壁厚數(shù)據(jù)證實(shí)存在內(nèi)腐蝕，且管道的頂部和底部位置都有分布，相對(duì)最大壁厚減薄率為5.32%，相對(duì)壁厚減薄最深為0.86 mm。結(jié)果表明該開(kāi)挖點(diǎn)存在內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，和間接評(píng)價(jià)的高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)吻合。

對(duì)剩下6個(gè)開(kāi)挖點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)挖和檢測(cè)，最終7個(gè)詳細(xì)檢查位置的最大壁厚減薄數(shù)據(jù)（表 2）。6處壁厚減薄不大于5%，僅有1處位置發(fā)現(xiàn)內(nèi)腐蝕引起壁厚損失超過(guò)了5%，最大缺陷位于1號(hào)開(kāi)挖點(diǎn)，壁厚損失為5.32%。結(jié)果表明，內(nèi)腐蝕缺陷發(fā)展不顯著，驗(yàn)證了預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

表 2 每個(gè)詳細(xì)檢查位置的最大壁厚減薄

4  后評(píng)價(jià)

4.1  腐蝕發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)和管道剩余強(qiáng)度計(jì)算

基于生產(chǎn)工藝參數(shù)、氣質(zhì)分析報(bào)告，利用Predict腐蝕預(yù)測(cè)模型計(jì)算各目標(biāo)管線腐蝕發(fā)展趨勢(shì)[4]。根據(jù)ASME B31G準(zhǔn)則，計(jì)算管道的失效壓力。由于儲(chǔ)氣庫(kù)管線具有周期性注采氣的特點(diǎn)，且停輸時(shí)間較長(zhǎng)，計(jì)算最大腐蝕減薄處的腐蝕發(fā)展速率考慮了管道主要的注、采氣及停輸?shù)臅r(shí)間段。結(jié)合開(kāi)挖點(diǎn)檢測(cè)結(jié)果，計(jì)算管線的失效壓力（表 3）大于目標(biāo)管線的最大設(shè)計(jì)壓力25 MPa，可認(rèn)為管道的剩余強(qiáng)度沒(méi)有受到顯著影響，所評(píng)價(jià)管道能夠允許的安全運(yùn)行壓力仍為管道設(shè)計(jì)確定的最大允許運(yùn)行壓力。

表 3 目標(biāo)管線的腐蝕速率

4.2  管道剩余壽命計(jì)算

根據(jù)NACE Pipeline Corrosion Intergrity Management推薦做法，按式（6）、式（7）計(jì)算管道剩余壽命（RL）應(yīng)取失效前時(shí)間（TF）和泄漏前時(shí)間（TL）[5]。

TF＝C×SM（t / GR）      （6）

TL＝（t－d）/ GR        （7）

式中：TF為失效前時(shí)間，a；TL為泄漏前時(shí)間，a；C為校準(zhǔn)系數(shù)；SM為安全系數(shù)；t為公稱壁厚，in；d為腐蝕深度，in；GR為腐蝕發(fā)展速率，in/a。

基于4.1小節(jié)得到的管道腐蝕發(fā)展速率和管道失效壓力，可以計(jì)算出各條管線在考慮間歇輸送的局部高風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)腐蝕發(fā)展速率情況下的剩余壽命。結(jié)果表明，7條目標(biāo)管線的剩余壽命均為20年。

4.3  再評(píng)估周期確定

基于ASME B31.8S―2015的規(guī)定，由于儲(chǔ)氣庫(kù)管線運(yùn)行壓力不超過(guò)30% 的最小屈服強(qiáng)度，最大再評(píng)估間隔時(shí)間為5至10年[6]。依據(jù)NACE SP 0110―2010標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，再評(píng)估時(shí)間間隔不應(yīng)超過(guò)剩余壽命的二分之一，即再評(píng)估時(shí)間間隔不應(yīng)超過(guò)10年。按照GB 32167―2015《油氣輸送管道完整性管理規(guī)范》，直接評(píng)價(jià)的再評(píng)價(jià)周期宜根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)論和直接評(píng)價(jià)結(jié)果綜合確定，最長(zhǎng)不應(yīng)超過(guò)8年。基于這三項(xiàng)規(guī)定，確定儲(chǔ)氣庫(kù)管線的最大再評(píng)估時(shí)間間隔應(yīng)為8年。

5  結(jié)論

本文采用國(guó)際上通用的管道內(nèi)腐蝕直接評(píng)估方法，基于某鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)15條集輸支干線的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從里程和時(shí)間兩個(gè)維度劃分集輸管線的內(nèi)腐蝕評(píng)估區(qū)間，對(duì)某鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)集輸管線內(nèi)腐蝕狀況進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得出以下結(jié)論：

（1）利用內(nèi)腐蝕直接評(píng)估間接評(píng)價(jià)，可預(yù)測(cè)鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)集輸管線在注、采氣和停輸階段的內(nèi)腐蝕高風(fēng)險(xiǎn)位置。評(píng)估結(jié)果確定了注采過(guò)程中內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)位置的里程分布，為后續(xù)檢測(cè)需要重點(diǎn)關(guān)注的位置提供理論基礎(chǔ)。

（2）基于間接評(píng)價(jià)所確定的重點(diǎn)關(guān)注位置，選擇儲(chǔ)氣庫(kù)管線7處位置進(jìn)行開(kāi)挖并直接測(cè)量壁厚。結(jié)果表明：目前儲(chǔ)氣庫(kù)管線的缺陷在頂部和底部均有分布，最大壁厚損失為5.32%，其余6處壁厚減薄不大于5%，管線內(nèi)腐蝕缺陷發(fā)展不顯著。

（3）結(jié)合ASME B31.8S―2015、NACE SP0110―2010和GB32167―2015的規(guī)定進(jìn)行判斷，該儲(chǔ)氣庫(kù)管線的剩余強(qiáng)度暫未受到影響，剩余壽命為20年，再評(píng)估周期為8年。

綜上所述，利用內(nèi)腐蝕直接評(píng)估方法，可以有效地預(yù)測(cè)和評(píng)估鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)集輸管線的內(nèi)腐蝕風(fēng)險(xiǎn)，為鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)集輸管線的完整性管理提供了科學(xué)依據(jù)。

 

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作者簡(jiǎn)介：倪志良，1980年生，本科，工程師，現(xiàn)任江蘇儲(chǔ)氣庫(kù)分公司金壇作業(yè)區(qū)主任，主要從事鹽穴儲(chǔ)氣庫(kù)生產(chǎn)運(yùn)行和管道完整性管理工作。聯(lián)系方式：13921024597，nizl01@pipechina.com.cn。