石油与天然气化工  2020, Vol. 49 Issue (1): 82-86
H2S与CO2共存条件下气田地面集输系统内腐蚀影响因素分析方法研究
李媛1 , 刘世常1 , 张寅晖2     
1. 中国石油西南油气田公司重庆气矿;
2. 中国石油西南油气田公司天然气研究院
收稿日期：2019-04-14
作者简介：李媛(1983-)，工程师，2011年毕业于西南石油大学油气储运工程专业，硕士研究生，现就职于中国石油西南油气田公司重庆气矿工艺研究所，从事天然气地面集输工程与管道完整性管理技术相关工作。E-mail：yuanlee@petrochina.com.cn.
摘要：CO2和H2S是最常见的两种管道内腐蚀介质，当系统中H2S和CO2共存时，其腐蚀行为远比H2S或CO2单独作用时复杂得多，即便是少量的H2S也会对CO2的腐蚀产生明显的影响，对气田开采与管输设备造成严重的破坏，甚至引发设备失效与安全事故。CO2/H2S共存体系下的金属腐蚀规律十分复杂且难于把握，与两种因素单一存在时截然不同。国外早期的研究始于20世纪80年代末，国内起步相对较晚。经过近30年的研究，发现腐蚀过程受CO2或H2S的控制取决于两者的含量、介质温度、压力、流速等因素。根据川东气田的气质和工况环境，进行实验研究与深入的理论归纳分析，得出川东气田H2S与CO2共存条件下地面集输系统内腐蚀影响因素及其交互作用的腐蚀影响权重。在此基础上，利用归一化方法，计算出重庆气矿中高含硫气井的腐蚀风险权重值，筛选出腐蚀敏感度较高的需要重点关注的气井及其采气管线。
关键词：内腐蚀    影响因素    主导因素    归一化处理    
Study on analysis method of internal corrosion affecting factor under the coexistence of CO2 and H2S in surface gathering system
Li Yuan1 , Liu Shichang1 , Zhang Yinhui2     
1. Chongqing Gas District, PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company, Chongqing, China;
2. Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company, Chengdu, Sichuan, China
Abstract: CO2 and H2S are two popular internal corrosion medias in pipeline, when CO2 and H2S coexistence, the corrosion behavior is much more complicated than CO2 or H2S existing independently. Even if a small amount of H2S will have significant impact on CO2 corrosion, which can damage the ground equipment seriously, and even cause equipment malfunction and safety accidents. The corrosion rule is very complex and difficult to control when CO2 and H2S are coexistence, because it is completely different from the single existence of the two factors. The abroad studies of this corrosion began in the late 1980s, and domestic studies started relatively late. After 30 years study, we find that the corrosion progress depends on the content of CO2 and H2S, medium temperature, pressure, flow rate and other factors. According to the gas properties and operating conditions of East Sichuan gas field, this paper carried on experimental research and theoretical induction analysis, then obtained the internal corrosion affecting factors and corrosion effect weights of their interaction under the coexistence of CO2 and H2S in the surface gathering system. On this basis, using normalization method, the corrosion risk weights of high sulfur gas wells in Chongqing Gas Distric were calculated, and the gas wells and pipelines with high corrosion sensitivity were selected, which need special attention.
Key words: internal corrosion    affecting factor    main factor    normalization treatment    

1 地面集输系统现状

根据生产气田的分布和建设发展影响，川东地区地面集输系统主要由重庆气矿管辖。截至2019年2月，共有生产井353口，各类生产站场587座，建成集、输气管道以卧龙河为中心，万卧线、讲渡线、沙卧线、龙忠线组成“三纵一横”的管道共857条，4 155.55 km。

2 腐蚀机理

目前，国内外对于CO2或H2S单独存在时的腐蚀机理研究较为完善。但是，在CO2和H2S共存的条件下，腐蚀影响因素众多，腐蚀过程复杂。一般认为，CO2和H2S相对含量的不同将直接决定腐蚀过程的主导因素。H2S含量较少时，以CO2腐蚀为主。此时，CO2分压越高，腐蚀介质的pH值越低，H+的去极化作用就越强，腐蚀速率也就越大，同时金属表面越易形成Fe2+过饱和的溶液层，从而促进FeCO3等保护性腐蚀产物膜的形成，并有可能抵消CO2分压本身对腐蚀的推动力，使得腐蚀速率下降。当CO2分压继续增加，致使腐蚀产物膜因内应力过大而发生破坏时，腐蚀速率必将再次增大。若腐蚀介质中H2S含量较多时，一方面H2S能通过阴极反应加速腐蚀，另一方面也会通过腐蚀产物沉淀而抑制腐蚀；随着H2S含量的进一步增加，腐蚀转化为以H2S腐蚀为主；继续增大H2S含量，腐蚀产物变得致密而稳定，腐蚀速率开始受到抑制。

谷坛等[1-3]的研究表明，在CO2和H2S共存的条件下，腐蚀过程与CO2分压、H2S分压、温度、介质流速等因素有关。

3 正交实验研究腐蚀主导因素

根据已有的文献研究结果，针对川东气田地面集输系统，选取H2S及CO2分压、温度、流体流速等4大因素[1-3]，采用正交实验方法，设计了一个4因素3水平的实验方案，对酸性气田最常用的L245NCS钢进行电化学实验，通过分析获得不同因素对钢材腐蚀速率的影响规律，对腐蚀速率的影响规律和腐蚀主导因素进行研究[4]，达到以下目的：

(1) 分析各因素及其交互作用与腐蚀速率之间的关系，即找出腐蚀速率随实验考察因素变化的规律和趋势。

(2) 明确腐蚀主导因素，计算各影响因素的权重。

3.1 实验方案设计

实验采用线性极化电阻法，应用电化学原理通过对腐蚀测试电极的腐蚀电位附近进行弱极化，利用其腐蚀电流与极化曲线在腐蚀电位附近的斜率Rp成反比的关系，测量腐蚀电流，计算腐蚀速率。

3.2 因素水平值的设计

根据对川东气田生产参数监测情况，实验取压力高值7.5 MPa；单井气质组分中H2S、CO2含量基本稳定，H2S的体积分数为0.01%~9.12%，CO2体积分数为2%~15%，井口温度维持在0~60 ℃。

在考虑室内实验条件的基础上，H2S分压3个水平值分别取0.01 MPa、0.1 MPa和0.5 MPa。CO2分压实验条件合理扩大至0.6~2.4 MPa，水平值分别取0.6 MPa、1.8 MPa和2.4 MPa。温度范围取25~60 ℃，水平值分别取25 ℃、40 ℃和60 ℃。根据文献，当流体流速高于8 m/s时，缓蚀剂会被带走，从而失效。因此，实验流速范围取0~8 m/s，水平值分别为0 m/s、3 m/s和8 m/s。

实验考察因素的水平设置情况见表 1。

表 1    因素水平设置表

由于需要考虑H2S分压和CO2分压、H2S分压和流速、CO2分压和流速之间的交互作用，因此选用L27(313)正交表，表头设计见表 2。

表 2    正交实验表头设计

3.3 实验结果分析
3.3.1 采用标准

国内外对腐蚀程度的评判一般都参考美国腐蚀工程师协会制定的NACE RP-00775-05标准进行。在本研究中，依然采用该标准。该标准规定均匀腐蚀速率小于0.025 mm/a为轻度腐蚀，0.025~0.12 mm/a为中度腐蚀，0.12~0.25 mm/a为严重腐蚀，大于0.25 mm/a为极严重腐蚀。

3.3.2 数据分析

本次实验数据分析采用方差分析法，该方法可以分析出实验误差的大小，从而知道实验精度；不仅可给出各因素及交互作用对实验指标影响的主次顺序，而且可分析出哪些因素影响显著，哪些影响不显著。对实验所得的腐蚀数据进行的方差分析结果见表 3。分析方差计算结果，进行F值检验，结果见表 4。

表 3    腐蚀实验结果数据及方差计算表

表 4    方差分析表

3.4 小结

(1) 川东气田地面集输系统腐蚀过程以H2S腐蚀为主，伴随有CO2降低溶液pH值后对腐蚀的进一步促进，使得腐蚀情况比单一酸性组分更为严重，需要采取严格的腐蚀控制措施。

(2) 各因素在考察范围内对腐蚀速率的影响均为单增函数。即，随着H2S分压增大而增大，随着CO2分压增大而增大，随着温度升高而增大，随着流速增大而增大。影响大小顺序为：H2S分压>CO2分压>流体流速>温度。而各因素之间的交互性对腐蚀速率影响并不大。

(3) 计算得到各因素对腐蚀影响的权重值。

4 内腐蚀与防护技术应用优化分析

根据川东地区地面集输系统实际工况条件，在实验考察的范围内，4个腐蚀关键影响因素与腐蚀速率的关系均为单增函数，故可用归一法对实验数据进一步处理，得出气井的腐蚀难易程度，对易腐蚀的气井给予更大的关注[10]。

4.1 归一化处理原理

所谓归一化法[5]，就是一种简化计算的方式，即将有量纲的表达式，经过变换，化为无量纲的表达式。为准确掌握腐蚀敏感气田气井及管线的腐蚀风险情况，对地面集输系统中影响腐蚀的4个主要影响参数(H2S含量、CO2含量、温度及流速)进行归一化处理，即气井取同一因素中最大值为1，其余按比例赋值。实验结果表明，各腐蚀影响因素对于内腐蚀影响具有不同的重要性，故在归一化过程中，以方差分析结果中代表显著性的F值为依据，为各影响因素的重要程度进行赋值。将运算后的值求均值得到腐蚀影响因素的权重，认为计算高于权重值平均值的气井及管线是需要重点关注的。采用的计算公式为：

$ x_{i}^{\prime}=\frac{x_{i}}{\max x_{i}} $ (1)
$ T={}^{1}\!\!\diagup\!\!{}_{4}\;\left(A_{i} F_{1}+B_{i} F_{2}+C_{i} F_{3}+D_{i} F_{4}\right) $ (2)

式中：xi′表示某影响因素的无量纲赋值；xi表示某影响因素；T表示腐蚀难易程度；A表示H2S含量赋值；B表示CO2含量赋值；C表示温度赋值；D表示流速赋值；i表示井数；F表示方差分析结果(F1、F2、F3、F4分别表示H2S、CO2、介质流速和温度的方差分析结果，即这些因素对内腐蚀的影响因子)。

4.2 处理结果

对川东气田常年处于开井生产状态的26口高含硫气井和40口中含硫气井采气管线腐蚀影响参数输压、产量、产水、H2S含量、CO2含量、井温等进行收集，并对以上参数采用归一化方法进行计算。由于站场内流速随着管径的变化而变化(并非定值)，取站内最高气流速度进行计算。计算得出各气井的腐蚀难易程度，高于权重平均值则为腐蚀敏感度较高、需要重点关注的气井和站场。

在气田开发过程中，随着气井产水量的提高，地面集输系统的腐蚀显著增加。目前，重庆气矿常年开井的66口含硫气井大多不产水，地面采气管线主要的腐蚀介质为湿天然气(管道中的液体为天然气凝析水)。因此在计算权重时，没有将气井产水量计算在内。

从表 5的计算结果可以看出，易发生内腐蚀的气井以高含硫生产井为主，有24口F值高于平均值(均值为19.411)，其中云安厂气田4口气井F值远高于平均值，发生内腐蚀可能性最高，这与近年来重庆气矿腐蚀挂片监测的实际情况一致。重庆气矿近年来对这些气井加强腐蚀监测，在这4口气井的集输干线上安装高精度壁厚监测仪，同时采用腐蚀挂片+探针的方式监测腐蚀速率(每季度，其余管道腐蚀挂片监测与评价周期在6个月~2年)，并根据监测结果调整缓蚀剂加注量，有效控制该管道的内腐蚀速率(如图 1和图 2所示)。

表 5    腐蚀影响因素归一化计算结果

图 1     云安厂4口气井外输管道起点的腐蚀监测数据

图 2     云安厂4口气井外输管道终点的腐蚀监测数据

5 结论及建议

(1) 对重庆气矿气井的腐蚀影响因素进行了研究，考察了温度、酸性组分分压、流速、材质等因素对腐蚀速率的影响，得出各腐蚀影响因素的权重值。

(2) 针对重庆气矿中高含硫气井实际工况，采用归一化处理方法计算，得到易发生内腐蚀、需要重点关注的26口气井与管道。

(3) 计算结果与腐蚀监测结果一致，建议对高腐蚀风险气井采气管线采取腐蚀控制措施。

参考文献
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刘勤, 贺文广, 郭红辰, 等.归一化法在高含硫气井腐蚀影响因素处理中的应用[C]//2015年全国天然气学术年会论文集.武汉: 中国石油学会天然气专业委员会, 2015. http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-YSTY201511001112.htm
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