石油与天然气化工  2018, Vol. 47 Issue (2): 85-88
清管预膜控制速度研究
汪枫 1, 罗驰 2, 阳梓杰 2, 徐莹莹 1, 李珊 1     
1. 中国石油西南油气田公司天然气研究院;
2. 中国石油西南油气田公司重庆气矿
收稿日期：2017-10-12
作者简介：汪枫(1980-)，女，毕业于西南石油大学油气田开发专业，现就职于中国石油西南油气田公司天然气研究院，主要从事油气田腐蚀与防护、腐蚀评价与预测及腐蚀数据库等工作。E-mail:wang-f@petrochina.com.cn.
摘要：针对清管预膜作业中预膜球控制速度对气量要求较高，不能适应大部分管道的现状，利用电化学方法，研究了高含硫体系中缓蚀剂的成膜时间，并由此推导出预膜球的控制速度计算方法。将该计算方法应用于现场试验，预膜后腐蚀挂片及缓蚀剂残余浓度监测结果表明，采用优化后的预膜控制速度进行管道清管预膜，预膜效果良好。
关键词：输气管道    清管预膜    缓蚀剂    残余浓度    
Study on controlling velocity of pigging pre-film operation
Wang Feng1 , Luo Chi2 , Yang Zijie2 , Xu Yingying1 , Li Shan1     
1. Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu, Sichuan, China;
2. Chongqing Gas District of PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chongqing, China
Abstract: Aiming at the situation that control the speed of preparing membrane ball needs a high requirement on gas volume in pigging pre-film operation which cannot adapt to most pipelines, a calculation method of membrane ball's velocity has been derived on the base of film forming time of corrosion inhibitor in high-sulfur system by electrochemical method. The calculation method is applied in the field, and the monitoring results of remained concentration of corrosion inhibitor and corrosion coupon show that pre-filming has a good effect after adopting optimized controlling velocity of pigging pre-film.
Key Words: gas pipeline    pre-film    corrosion inhibitor    residual concentration    

清管预膜作为常见的缓蚀剂加注工艺之一，其预膜球的运行速度对管道缓蚀剂预膜质量具有重要影响。当清管器与缓蚀剂段塞运行速度过快, 预膜时间过短时, 管壁与缓蚀剂分子接触时间太短, 不能形成完整致密的缓蚀剂膜, 可能引发严重的局部腐蚀；若预膜时间过长，要求清管器运行速度较缓慢, 操作压力不易控制, 易造成卡球等事故。

目前，国内现有缓蚀剂预膜技术多由国外引进，现场采用的清管预膜作业程序和操作参数多为外方经验总结。如PNS推荐预膜控制速度为2.0~3.0 m/s，优化维护速度为3.0~4.0 m/s，普光气田进行缓蚀剂预膜时缓蚀剂与管壁接触时间5~10 s[1]。这对管道输送气量限制较大，普适性不强。而四川盆地多数气田均已进入递减期，普遍存在产能不足的特点，大部分管道很难满足该条件，这就需要确定更加合理的清管预膜速度，扩大清管预膜工艺的适用范围。

因此，有必要开展清管预膜速度优化研究，通过恒电位阶跃法研究高含硫体系中缓蚀剂的成膜时间，以期找到清管预膜作业中预膜球运行速度的判定依据，并找到适用于四川盆地高含硫集输管道清管预膜的最优预膜球运行速度。

1 清管预膜控制速度室内研究
1.1 试验原理

采用电化学试验方法，通过对处于某一电位的电极突然施加一个小幅度的电位阶跃后，记录电流随时间的响应曲线。在本次试验中，恒定附加在溶液体系上的电压(实验室内测得管线钢在实验用溶液体系中腐蚀电位为-711.4 mV)，外加一扰动电压，通过记录加注缓蚀剂前后I-t的变化值，获得缓蚀剂从开始成膜到膜完全形成所需要的时间。试验条件为试验管道现场水，隔氧并饱和H2S和CO2，试验温度40 ℃，常压，试验周期72 h，工作电极L245，参比电极饱和甘汞电极。

1.2 实验结果

由图 1可看出，外加恒电位条件下，体系电流随时间逐渐降低并趋于平稳，此时向溶液中加入缓蚀剂，由于缓蚀剂在电极表面的吸附，电流发生改变迅速下降(A点)。当电极表面缓蚀剂膜吸附完全时，电流再次发生改变并趋于平缓(B点)。AB两点的时间差即为缓蚀剂完全成膜所需时间。即：

图 1     电流随时间变化图 Figure 1     Current changes as a function of time

Δt=393.48(B点)－391.32(A点)=2.16 s

室内电化学实验是在溶液体系中进行，所得到的缓蚀剂成膜时间不可避免地受到缓蚀剂在溶液中的扩散过程的影响。而在现场清管预膜过程中，由于不含水或含水极少，缓蚀剂的扩散过程所需要的时间将比在室内实验中短得多。也就是说，在室内电化学实验中得到的缓蚀剂成膜时间比现场清管预膜过程中缓蚀剂成膜时间更长，如图 2所示。这是因为，现场缓蚀剂预膜的技术思路是利用缓蚀剂分子自身结构特性，借助分子与管道内壁的物理或化学吸附作用，在管道内壁自组装形成一层较薄且具有缓蚀功能的单分子膜[2]。管道缓蚀剂成膜机理以缓蚀剂分子与管道内壁间的物理或化学吸附为主，缓蚀剂成膜时间主要由吸附过程决定。所以在清管预膜作业中，通过控制夹注球的运行速度，使缓蚀剂段塞通过管道内任意一点的时间大于2.16 s，即能保证缓蚀剂在管道内壁的成膜完全。

图 2     预膜速度确认原理图 Figure 2     Principle of membrane's velocity for pre-film

按理论状况计算缓蚀剂在管道末端最小段塞长度计算公式为：

$ H = \frac{{\pi \times \left( {D-2 \times \delta } \right) \times L \times 30\% }}{{\pi {{\left( {\frac{{D-2\delta }}{2}} \right)}^2}}} $ (1)

将上式简化并换算单位后为：

$ H = \frac{{60L}}{{D-2\delta }} $ (2)

结合室内试验结果，使缓蚀剂段塞通过管道内任意一点的时间大于2.16 s。

所以：

$ v \le \frac{{55L}}{{\left( {D-2\delta } \right)}} $ (3)

式中：L为预膜管道长度，km；D为管道外径，mm；δ为管道壁厚，mm；H为理论计算最小段塞长度，m；v为预膜速度，m/s。

2 清管预膜控制速度研究现场试验

在川东地区两条高含硫管线上进行了优化后的预膜速度现场试验，并在A管线进行了经验速度的预膜效果验证。

2.1 试验管线基本信息

A管线全长22.7 km，实际输气量120×104 m3/d，ρ(H2S)70.02 g/m3；B管线长3.662 km，输气量8×104 m3/d，ρ(H2S)108.055 g/m3。

采用双球定量注入缓蚀剂预膜，试验期间两条管线运行参数见表 1。

表 1    管线参数 Table 1    Pipeline parameters

2.2 优化后的预膜控制速度现场试验

根据优化后的预膜控制速度计算式(3), 计算得到A管线清管预膜控制速度为v≤5.2 m/s，实际的预膜运行平均速度为3.5 m/s，部分管段运行速度接近5 m/s，高于PNS推荐速度; 计算得到B管线清管预膜控制速度为v≤1.4 m/s，实际的预膜运行平均速度为0.72 m/s，部分管段运行速度接近1 m/s，低于PNS推荐速度。

预膜后采用腐蚀挂片及缓蚀剂残余浓度分析对清管预膜的效果进行持续监测。其中，A管线腐蚀挂片设置在管线起点，B管线腐蚀挂片设置在管线末端。管道预膜前，先将腐蚀挂片在缓蚀剂中浸泡后再挂入管道中，以模拟缓蚀剂预膜状态。腐蚀挂片监测结果见表 2。

表 2    清管预膜期间腐蚀挂片数据 Table 2    Corrosion coupon data in pigging pre-film operation

从表 2可看出，加入缓蚀剂后，A管线起点挂片腐蚀速率从0.055 4 mm/a下降到0.025 6 mm/a，下降幅度54%；B管线挂片腐蚀速率从0.131 5 mm/a下降到0.046 1 mm/a，下降幅度65%。这说明，两条管线腐蚀速率得到明显抑制，预膜效果明显。

缓蚀剂残余质量浓度分析设置在管线末端，对于水溶性缓蚀剂，采用分光光度法测定缓蚀剂残余质量浓度，以确定缓蚀剂清管预膜效果[3]。缓蚀剂残余质量浓度分析监测结果如图 3所示。

图 3     缓蚀剂残余质量浓度监测结果(优化后的预膜速度) Figure 3     Residual concentration of corrosion inhibitor (optimized membrane's velocity)

从图 3可看出，在预膜周期内，两条管线预膜后的缓蚀剂残余质量浓度均在有效的范围内，表明缓蚀剂预膜效果明显。

从表 2和图 3可知，采用优化后的预膜控制速度进行管道清管预膜，预膜后管道内腐蚀程度显著降低，预膜效果良好。

2.3 现场验证

为了对优化后的预膜控制速度进行验证，在A管线采用PNS推荐速度进行管道的清管预膜作业，并采用腐蚀挂片和缓蚀剂残余质量浓度监测的方法对预膜效果进行了评价。

采用PNS推荐速度进行管道清管预膜，预膜速度为2.4 m/s，符合PNS推荐的预膜控制速度2~3 m/s。预膜后的腐蚀挂片监测结果见表 3，缓蚀剂残余质量浓度监测结果见图 4。

表 3    现场验证期间腐蚀挂片数据 Table 3    Corrosion coupon data of the verification on field

图 4     A管线缓蚀剂残余质量浓度监测结果(PNS推荐预膜速度) Figure 4     Residual concentration of corrosion inhibitor in pipeline A (PNS recommended velocity)

从表 3可知，清管预膜后，A管线起点挂片腐蚀速率从0.065 5 mm/a下降到0.042 9 mm/a，下降幅度35%，腐蚀速率得到明显抑制。从腐蚀挂片的试验结果来看，腐蚀速率无论降幅还是预膜后的腐蚀速率值，优化后的预膜速度现场试验均优于PNS推荐速度现场试验。

图 4表明，预膜周期残余质量浓度监测值在有效范围内，缓蚀剂清管预膜效果良好。

对比两种预膜控制速度现场试验，从预膜后的腐蚀挂片和缓蚀剂残余质量浓度监测结果来看，优化后的预膜控制速度计算方法切实有效。

3 结论

(1) 采用室内电化学试验方法，获得了预膜控制速度计算新方法。

(2) 现场试验表明，优化后的预膜控制速度计算方法在现场试验中应用良好，采用优化后的预膜控制速度进行现场清管预膜，A、B两条管线预膜控制速度计算方法切实有效。

(3) 预膜后腐蚀挂片及缓蚀剂残余质量浓度监测结果表明，采用优化后的预膜控制速度进行管道清管预膜，预膜效果良好。

参考文献
[1]
中原油田普光分公司采气厂. 高酸性气田集输管道缓蚀剂预涂膜技术规程: Q/SH1025 0741-2010 [S]. 濮阳: 中原油田, 2010.
[2]
杨学耕, 陈慎豪, 马厚义, 等. 金属表面自组装缓蚀功能分子膜[J]. 化学进展, 2003, 15(2): 123-128.
[3]
吴东荣, 敬家强, 杜磊. 输气管道缓蚀剂预膜及控制技术[J]. 油气储运, 2013, 32(5): 485-488.
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