冲蚀作用下CO₂分压对集输气管线内腐蚀的影响规律

　　　　　　　——以大庆油田徐深6集气站集输管线为例

摘　要：我国部分油气田集输管线中CO₂与水含量较高，同时由于提高输运流速，集输管道CO₂腐蚀日趋严重，掌握流场诱导下CO₂腐蚀速率的变化规律对腐蚀防护与定期检测具有重要意义。为此，以大庆油田徐深6集气站一集输天然气管线为分析对象，首先基于Norsok腐蚀模型预测CO₂分压对其内腐蚀速率的影响，再应用计算流体动力学方法(CFD)对管道内流场进行分析，并结合现场的内腐蚀测厚数据，得出冲蚀作用下CO₂分压对集输天然气管线内腐蚀的影响规律：集输天然气管线内，湍流作用在内流道剧烈变化区域(弯头、T形管处)，湍动能升至最大75m²／s²，对CO₂局部腐蚀具有明显的促进作用；流体介质的流型与流速会对管道内壁的CO₂均匀腐蚀产生较强促进作用；管道内壁在CO₂分压重腐蚀区间内(0.02～0.20MPa)，CO₂的腐蚀程度随CO₂分压的增大呈线性加剧，随后其最大腐蚀速率保持在0.75mm／a，并趋于平缓，而最小腐蚀速率保持在0.62mm／a，稳中有升。研究结果可作为预测集输管线重点部位运行寿命的参考依据，使得管道腐蚀防护与定期检测更为精确省时。

关键词：天然气管道  CO₂分压  腐蚀  冲蚀作用  影响  流场  计算流体动力学

Effect of CO₂ partial pressure on the corrosion in flow and transport lines under the erosion action：A case studv from the Xushen-6 Gas Station in the Daqing Oil Field

Abstract：The content of CO₂ and water is rather high in the gathering and transportation lines in some oil and gas flelds.Moreover,the operating presSure needs to be enhanced at the gathering and transmission stations to improve the flow rate in the llnes.This leads to the increasingly serious result of the CO₂ dominated corrosion in the lines．Therefore，to master the changing law of CO₂ dominated corrosion induced by flow field is of great significance to corrosion prevention &control and regular inspection．In view of this,a case study was Illade of made of a pipeline at the Xushen-6 Gas Station in the Daqing Oil Field．First，based on the Norsok corrosion model，the effect of CO₂ partlal preSsure was predicted on the cormsion rate at the inner side wall of this pipeline．Then，the computational fluid dynamics(CFD)module was used to analyze the flow field in the pipeline；and in combination with the pipe wall thickness，it is disclosed that how the partial CO₂ pressure influences the internal corrosion in a pipeline under the erosion action．In a pipe line，erosion accelerates the partial CO₂ corrosion distinctly in the specific parts such as tees or elbows with a violent change of turbulent flow，the kinetic energy of which increases to the rBaximum value of 75m²／s²；flow pattems and veloclty exacerbate the CO₂ corrosion evenly at the inner wall of the pipe．With the CO₂ partial pressure increasing，the average CO₂ corrosion rate sharpkt rises in the pipe line．but when the CO₂ content reaches a saturation value in a gas water transport line，the CO₂ corrsion will tend towards stability and the expected CO₂ corrosion rate rises on the whole．During the severe CO₂ corrosion interval(0.02-O.20MPa)，the CO₂ corrosion level enlarges linearly with the increase of CO₂ partial pressure，subsequently，the maximum of the cormsion rate holds a value of 0.75mm/year and the rnjllimum of the corrosion rate is kept at 0.62mm／year．This study will provide a reference for predicting the life span of the key parts of a pipeline and also help improve the efficiency of corrosion prevention&control and regular inspection of pipelines.

Key words：narural gas pipeline，CO₂ partial pressure，corrosion，erosion，impact，flow field，computational fluid dynamics(CFD)

在油气开采和集输过程中，作为伴生气而存在的CO₂溶于水后，会严重腐蚀油套管和集输管线^[1]。美国的Little Creek油田在未采取抑制CO₂腐蚀措施的油井套管不到5个月便腐蚀穿孔，腐蚀速率高达12.7mm／a。而中国石油吉林油田万五井投产不到3年，油套管即被CO₂气体腐蚀，致使800m油管掉落井下，油井报废^[2]。四川、长庆、塔里木及南海西部等的油气田都因严重的CO₂腐蚀造成了一定的经济损失。

我国部分油气田油气管线中CO₂与水含量较高，同时由于提高输运流速，高速流场下集输管道CO₂腐蚀问题日趋严重^[3]。管道内壁材料在遭受CO₂腐蚀以后，表面会形成一层腐蚀产物膜，延缓腐蚀的进行。但当腐蚀情况发生在高强湍流场中时，尤其是管道内壁面不光滑的情况下^[4]，流动的气体会对设备内壁构成强烈的冲刷，除促进腐蚀反应的物质交换外，还将使得腐蚀产物膜难以在金属表面上形成，裸露的金属表面直接与腐蚀性介质相接触，导致较高的腐蚀速率，同时也会促使局部腐蚀的发生^[5]。

因此，掌握流场诱导下CO₂腐蚀速率的变化规律，对腐蚀防护与定期检测具有重要意义。本文以中国石油大庆油田徐深6集气站一集输管线为研究对象，基于Norsok腐蚀模型和计算流体动力学方法，研究冲蚀作用下CO₂分压对集输天然气管线内腐蚀的影响。

1　理论基础

1．1　CO₂腐蚀预测模型

在CO₂腐蚀预测方面，国内外学者已研究设计了多种预测模型^[6-7]。笔者主要基于Norsok　M506模型，它依据大量的低温实验室数据与高温现场数据而建立，是目前国内外唯一的CO₂腐蚀预测标准。模型中考虑了腐蚀产物膜的影响，在100～150℃之间较为接近实际工况^[8]。该模型在不同温度下的CO₂腐蚀速率(mm／a)表达式见式(1)～(3)。

在20、40、60、80、90、120和150℃条件下：

式中K_t为常数，与温度和腐蚀产物膜相关；S为管壁切应力，Pa；fCO₂为CO₂的逸度，bar；f(PH)_t为pH值对腐蚀速率的影响因子。对于实际工况温度下的腐蚀速率可通过在所测温度及所规定温度值问作线性插值得到。Norsok M506腐蚀模型是以实验数据为基础而建立的，对于腐蚀过程中化学及电化学反应的热力学及动力学等机理考虑过少，可以用于预测材料的均匀腐蚀速率。

1．2　流体动力学模型

在使用流体动力学方法对含CO₂的天然气管道内流场进行模拟时，采用Euler-Euler多相流模型，模拟由水相与气相共同组成并相互作用的运动^[9]。计算中每一相使用Euler方法描述和处理，假设各相共享相同的压力，对水相与气相求解连续性方程和动量方程。除采用基本流体力学方程进行控制外，亦引入湍流模型来求解管线中的低含水天然气，建立了基于标准k-e模型下的局部两相流湍流预测模型。

设天然气为可压缩相，通过求解单独的动量方程与处理穿过区域的每一流体的体积分数来模拟含CO₂与水相的天然气在管道中输运时的流场状态，执行方程通过有限体积法在直角坐标系中离散求解，以确保其守恒。压力、沉积浓度、湍动能及耗散率定义在控制单元内的普通节点处。速度定义在标量单元面(交错单元格中心)与普通节点间。管壁内节点处的速度、湍流元、流体及沉积浓度设置为0。方程离散求解采用耦合SIMPLE算法^[10]。

2　工况模型

工况以大庆油田徐深6集气站为例(图1)，管道材质为20G，管径为89mm，运行压力15.1MPa，温度55℃，气相中含水率为0.001336％。管线各段长度见表l。

为了便于讨论，将9截管段分为4个部分，定义L0与L1管段为P0部分；L2、L3与L4管段定义为Pl部分；L5管段为P2部分；L6、L7与L8管段为P3部分。用流动模型计算出来的压力、温度、液体流速以及管壁剪切力来计算腐蚀速度。

根据实际工况条件，划分非结构网格^[11]，设气相输运为准连续过程，龟相的输运方程在Euler框架中求解。根据集气站单井进站实际工况，对现场管段进行简化处理，建立二维网格模型，同时对流动参数变化大的区域(弯头与T形管)，进行加密网格处理。为了更好地模拟低含水天然气在管道壁面附近的流动，划分网格部分对所有管道内壁附近增加4层边界层网格结构。

计算域的人口(图1中管线最左边)采用压力进口条件，给定各相的压力、体积含量及来流的湍流强度和水力直径。出口(图1中管线最右边)设为压力出口，全流道内与流体相接触的壁面上均采用无滑移壁面条件。

3　模拟结果分析

3．1　CO₂腐蚀结果分析

现场实际操作加入缓蚀剂(ZDl-l油气井气液两相高级缓蚀剂)延缓管道的腐蚀，本文在Norsok经验模型中考虑了缓蚀剂的作用，引入影响因子对腐蚀速率进行控制，对图l所示管线进行了腐蚀预测。将腐蚀预测结果在第一个T形管处分开显示。图2给出了CO₂分压为0.0496MPa时，上分支管线(表1中L0、Ll、L2、L3、L4、L6、L7与L8)与下分支管线(表1中L0、Ll、L5、L6、L7与L8)腐蚀模拟结果。

由计算数据可以得出，在管道的人口水平管道处，平均腐蚀速率保持在0.49mm／a，随着流体介质从L0管段流入Ll管段，管道由水平管段转为铅直管段，平均腐蚀速率升高，保持在0.55mm／a。在第一个T形管处管段的腐蚀速率有了一定程度的变小，L2与L4铅直管线的腐蚀速率减至0.52mm／a，L3与L5水平管线的腐蚀速率减至0.45mm／a。在第二个T形管处介质流体合流，腐蚀速率也增至0.50mm／a，在L7段处的管道铅直下降，腐蚀速率升到0.55mm／a，最后在L8管段处达到稳定。按照NACE标准RP-0775-91^[12]中对腐蚀程度的规定，该条集气站管线腐蚀率大于0.254mm／a，已发生极严重腐蚀。中国特种设备检测研究院于2011年利用OLYMPUS 38DLPLUS超声波测厚仪对该管线的重点管段处(弯头及T形管)进行检测，由于重点管段处的腐蚀情况略高于平均腐蚀预测率，故该模拟结果与现场工况的检测结果较吻合^[13]，从而说明本文采用模拟方法是可行的，为下面继续分析CO₂分压对腐蚀速率的影响奠定基础。

有关CO₂分压对管线钢的腐蚀速率关系在很多文献中已有阐述，但大多仅针对材料属性而开展研究，并未在实验环境中引入高速流场。基于油气工业中根据CO₂分压判断CO₂腐蚀性的经验规律，55℃时，选取不同的CO₂分压进行管线内腐蚀速率的模拟对比，腐蚀速率的结果趋势与图2相似，只是模拟的最大平均腐蚀速率和最小平均腐蚀速率不同，因此图3给出这两个腐蚀速率随CO₂分压(0.0248、0.0372、0.0496、0.0744、0.0992、0.1488、0.1982MPa)的变化规律。当CO₂分压处于0.02～0.08MPa时，20G管线钢的最大平均腐蚀速率及最小平均腐蚀速率随CO₂分压的增加而迅速增大，当CO₂分压大于0.08MPa时，最大平均腐蚀速率趋于平缓，而最小平均腐蚀速率稳中有升。

根据亨利定律，随着CO₂分压的升高，CO₂在天然气杂质水中的溶解度升高，pH值因此而降低，H⁺的去极化作用增强^[9]。这在一方面会加速碳钢的腐蚀，另一方面由流场诱导的极强的湍流强度和大的传质特性使得腐蚀性离子向金属壁面的传输能力增强，大的壁面切应力作用使保护膜与金属基体结合能力变差，从而引起裸露的金属表面直接与腐蚀性介质相接触，导致高的腐蚀速率^[14]。

经过集气站前脱水干燥塔的预处理，天然气中的水相含量相对较少，当CO₂分压增加到一定程度时，H⁺与HCO₃^—浓度都较高，这时大量的HCO^—一方面阻止HCO₃进一步电离，另一方面对溶液的pH值改变起到一种缓冲^[15]，这也是当CO₂分压大于0.08MPa时，腐蚀速率相对平缓的原因。

3．2　流场冲刷结果分析

介质在管道输运过程中，由于其内部流道的变化，局部的流速会远远高于整体流速，加之紊流作用影响，因此必定会加剧影响腐蚀速率。图1所示管线的内流场模拟结果见图4、5所示。

从图4可以看出，在管道第一个弯头处水平管段转为铅直管段，气体流型发生较大变化^[16]，这也是平均腐蚀速率升高并保持在0.55mm／a的原因。而第一个T形管处的介质分流导致平均流速由T形管入口处的35m／s下降为出口处各支线管段中的15m／s左右(图3)，管壁切向流速的减少引起管段的CO₂腐蚀速率也随之相应变小(图2)。在第二个T形管处的的合流引起L6管段的流量增加，流速再度增至35m／s左右，使得CO₂腐蚀速率也随之增高直至介质流体在L7段处的铅直下降，此时流型与流速的变化再度引起腐蚀速率升到0.55mm／a，最后在1.8管段处达到稳定。

由于结构的变化，弯头迎着来流方向的内弧面首先承受流体的冲刷，且流体速度达到最大，表明该位置的冲刷破坏危险性较高。与此同时，弯头迎流侧中上部位置形成局部湍流，湍流强度有明显增强，湍流动能数在弯头区域处达到最大值75m²／s²(图5)。由于流体的惯性作用，流体沿着弯头的弧度向前流动，正对着来流方向的弯头外弧面上方的直管段位置，也承受了较大的冲刷作用；T形管内最大流速发生在来流支管主流区域和与主流管道垂直的支管道内远离主流一侧的区域，而与主流方向一样的另一条支管道内的流速则相对平缓。同时，涡流程度也在垂直主管道的支管道中靠近主流的一侧以及支管道与主管道衔接部位的拐角处有了较大提高，湍流动能数也达到了该管线的峰值。

4　结论

笔者通过模拟分析大庆油田徐深6集气站一集输天然气管线内腐蚀与流场变化情况，得出以下结论：

1)流场冲刷在介质流向突变处(三通管及弯头)对CO₂局部腐蚀具有较明显的促进作用。即使添加了缓蚀剂，20G管线钢也发生了极严重的CO₂腐蚀。

2)流体介质的流型与流速会对管道内壁的CO₂均匀腐蚀产生促进作用。

3)随着CO₂分压的增高，管线钢的CO₂平均腐蚀速率也随着迅速升高，当CO₂在输运天然气水相中达到饱和值时，腐蚀速率趋于稳定，但其整体的腐蚀期望速率仍然略有增加。

4)研究结果可作为预测集输管线重点部位运行寿命的参考依据，使得现场管道的腐蚀防护与定期检测更为精确省时。

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本文作者：崔钺  兰惠清  何仁洋  白晓旭  黄辉

作者单位：北京交通大学机械与电子控制工程学院

  中国特种设备检测研究院