石油与天然气化工  2021, Vol. 50 Issue (3): 101-105
高酸性气田地面用国产双金属复合管现场腐蚀评价
李珊1,2,3 , 田源1,2,3 , 蔡绍中1,2,3     
1. 中国石油西南油气田公司天然气研究院;
2. 国家能源高含硫气藏开采研发中心;
3. 中国石油天然气集团公司高含硫气藏开采先导试验基地
收稿日期：2020-10-13
作者简介：李珊，1988年生，工程师，主要从事腐蚀与防护相关研究工作。E-mail：li_shan001@petrochina.com.cn.
摘要：在高酸性气田开发过程中，由于腐蚀环境恶劣，双金属复合管耐蚀材料成为研究热点，但研究主要集中在室内实验，缺少现场应用案例，限制其进一步应用。为考察双金属复合管在高酸性气田地面管线应用的可能性，利用高含硫先导试验基地天东5-1井在线腐蚀试验装置开展了双金属复合管应用于高酸性气田地面管线的现场腐蚀性能评价，形成了双金属复合管腐蚀评价试验方法，并开展了X52/825冶金复合管和L245/825机械复合管两种管材的耐蚀层及焊缝在天东5-1现场腐蚀环境中的抗电化学腐蚀性能和抗环境开裂性能评价试验。试验结果表明，国产X52/825冶金复合管和L245/825机械复合管的耐蚀层及其焊缝在现场试验环境中具有良好的抗环境开裂性能和良好的抗电化学腐蚀性能，形成的双金属复合管腐蚀评价方法为今后开展复合材料现场应力腐蚀评价奠定了基础。
关键词：双金属复合管    环境开裂    电化学腐蚀    
On-site corrosion assessment of bimetal composite pipe used in high sour gas fields
Li Shan1,2,3 , Tian Yuan1,2,3 , Cai Shaozhong1,2,3     
1. Research Institute of Natural Gas Technology, PetroChina Southwest Oil & Gasfield Company, Chengdu, Sichuan, China;
2. National Energy Research and Development Center of Sour Gas Exploitation, Chengdu, Sichuan, China;
3. High Sulfur Gas Exploitation Pilot Test Center, CNPC, Chengdu, Sichuan, China
Abstract: Due to the severe corrosion environment, materials like bimetal composite pipes have become the research hot topic in the exploitation of high sour gas fields. The research of bimetal composite pipes mainly focuses on lab experiments, and the wide application has been limited due to the lack of on-site application cases. In order to assess the possibility of bimetal composite pipes applying to the surface pipelines in high sour gas fields, field corrosion behavior evaluation was carried out, and then the evaluation method has formed by using online corrosion test device in Tiandong 5-1 high sulfur gas pilot Test base. The electrochemical corrosion and sulfur corrosion cracking experiments of X52/825 metallurgical composite pipe and L245/825 mechanical composite pipe have been conducted. Field test results indicate that the corrosion resistant layer and weld of X52/825 and L245/825 have good environmental cracking resistance and good electrochemical corrosion resistance. The corrosion evaluation method of bimetal composite pipe has laid a foundation for the field stress corrosion evaluation of composites in the future.
Key words: bimetal composite pipe    environmental cracking    electrochemical corrosion    

在高酸性气田的开发过程中，地面管线局部腐蚀减薄、油套管腐蚀穿孔等材料失效多次发生[1-8]。双金属复合管是在普通集输管线内覆上一层薄壁耐蚀合金，形成双金属复合管，其两端釆用现场焊接连接。根据双金属界面结合方式来划分，分为机械复合管和冶金复合管。机械复合管是指耐蚀合金层通过机械扩张、延展或安装等方法将合金层衬入碳钢基管内，合金层和碳钢之间仅为机械接触。冶金复合管是指耐蚀合金层通过热轧、堆焊、粉末冶金或爆炸复合等工艺复合到碳钢基管或者基板，并且合金层和碳钢之间界面达到冶金结合。双金属复合管防腐性能优异，价格比耐蚀合金管低50%以上，应用前景十分广阔。目前，我国部分管材生产商已具备双金属复合管的生产能力[9]，其产品主要应用在含CO2油气田和矿化度高的地层水的注水管柱、集输管线和污水管线，在含硫气田中，国产双金属复合管还未见使用的报道。在双金属复合管线的耐蚀性能评价方法和相关的技术规范等方面，特别是在现场高酸性环境下，双金属复合管焊缝的环境开裂评价，还没有形成可借鉴的标准。

利用高含硫先导试验基地天东5-1井在线腐蚀试验装置开展了双金属复合管应用于高酸性气田地面管线的现场腐蚀性能评价，包括：针对复合管耐蚀覆层及其焊缝的电化学腐蚀评价和针对复合管焊缝的抗应力腐蚀性能评价，形成了双金属复合管现场腐蚀试验方案，完善了双金属复合管腐蚀评价试验方法。

1 试验方法
1.1 试验设备

依托天东5-1在线腐蚀试验基地进行现场试验，其基本情况为：产气量为8.3×104 m3/d，井口温度23.0~25.0 ℃，H2S体积分数为6.09%，CO2体积分数为2.75%，Cl-质量浓度为24 700 mg/L，开井油压9.5~10.1 MPa，外输压力为5.8~5.9 MPa，产水量0.5 m3/d。天东5-1在线腐蚀试验装置可模拟地面集输系统内部腐蚀环境并进行现场评价试验。装置设计为橇装结构，用于模拟地面环境的卧式PN16 MPa/PN10 MPa试验装置。试验卧式罐体尺寸见表 1。

表 1    试验罐体基本尺寸

1.2 试验方法及材料

为考察双金属复合管在高酸性气田地面管线应用的可能性，开展复合管耐蚀覆层及其焊缝的抗电化学腐蚀评价和针对复合管焊缝的抗环境开裂性能评价。抗电化学腐蚀评价采用失重挂片法，将L245/825机械复合管和X52/825冶金复合管耐蚀层及其焊缝设计为普通试片和弧形试片安装在卧式罐挂具上进行试验，试验周期为30天，如图 1所示。抗环境开裂性能评价采用C形环试验和四点弯曲试验，将L245/825机械复合管直焊缝和环焊缝、X52/825冶金复合管环焊缝制作成相应试件进行试验，如图 2所示。

图 1     普通试片和弧形片

图 2     C形环试件及夹具、四点弯曲试件

2 实验结果与讨论
2.1 复合管及其焊缝的失重评价试验

在卧式罐中进行挂具试片的安装和取出，开展复合管及其焊缝的失重评价试验。

(1) 试片安装和取出。如图 3所示，卧式罐中取出的挂具和试片上有少量污物沉积，污物含元素硫。

图 3     卧式罐中取出的试片挂具组合

(2) 腐蚀失重试验结果分析。试验期间，各试验罐的数据汇总见表 2。从表 2可知，试片腐蚀速率均在0.001 3~0.006 6 mm/a之间，属于轻度腐蚀。

表 2    试验结果

L245/825机械复合管内层及其直焊缝、环焊缝和X52/825冶金复合管内层及其环焊缝在卧式罐的腐蚀环境中均显示出良好的抗电化学腐蚀性能，试后试片表面光亮，无明显均匀或局部腐蚀。

2.2 复合管及其焊缝的抗环境开裂性能评价试验

(1) 现场抗环境开裂性能评价试件的加载及安装。复合管焊缝试件按表 3和表 4采用应变测试法加载应力。加载后，复合管根焊缝加载应力全部达到100%σs，碳钢焊缝试件加载应力全部达到90%σs。加载后的试样如图 4所示。

表 3    L245/825机械复合管直焊缝和环焊缝试件的加载应力(C环)

表 4    X52/825冶金复合管环焊缝试件的加载应力(四点弯曲)

图 4     加载后的X52/825冶金复合管焊缝四点弯曲试件

(2) 现场评价结果分析。如图 5和图 6所示，取出的卧式罐上层和下层挂具均附着有较多的污物。

图 5     卧式罐上层取出试片

图 6     卧式罐下层取出试片

试验期间各试验罐的数据见表 5。从表 5可知，卧式罐内上层及下层中不同材质的试后试片表面均光亮。

表 5    卧式罐内材料腐蚀试验结果

复合管覆层试片和焊缝试后形貌如图 7~图 9所示。从图 7~图 9可见，X52/825冶金复合管825覆层试后表面光亮，L245/825机械复合管环焊缝碳钢层和X52/825冶金复合管环焊缝碳钢层的试后形貌均出现明显的腐蚀。

图 7     X52/825冶金复合管825覆层试后形貌

图 8     L245/825机械复合管环焊缝碳钢层试后形貌

图 9     X52/825冶金复合管环焊缝碳钢层试后形貌

从试后形貌图 10~图 12可看出，L245/825机械复合管直焊缝和环焊缝C形环应力腐蚀试件均无开裂性裂纹；X52/825冶金复合管四点弯曲应力腐蚀试件均无开裂性裂纹。

图 10     X52/825治金复合管环焊缝耐蚀层试后形貌

图 11     L245/825机械复合管环焊缝耐蚀层试后形貌

图 12     L245/825机械复合管直焊缝耐蚀层试后形貌

2.3 试验结果

(1) X52/825冶金复合管825覆层在试验周期内表现出良好的抗电化学腐蚀性能，试后试片表面光亮。

(2) L245/825机械复合管根焊缝和X52/825冶金复合管根焊缝显示出良好的抗应力耐蚀性能和良好的抗电化学腐蚀性能，试件未出现宏观断裂，试件表面无裂纹，试后试片表面光亮。

(3) 复合管碳钢外层焊接区域局部腐蚀极为严重，其原因可能有两方面的因素：耐蚀焊缝和碳钢形成电偶后加速了电化学腐蚀；试件与玻璃棒接触的位置形成了缝隙腐蚀，加速了碳钢的腐蚀。

3 结论

(1) 国产L245/825机械复合管及其直焊缝和环焊缝、X52/825冶金复合管及其环焊缝在现场腐蚀环境下具有较好的抗电化学腐蚀性能和良好的抗环境开裂性能。

(2) 建立的双金属复合管焊缝现场腐蚀评价方法，可用于考察双金属复合管在高酸性气田地面集输腐蚀环境的耐蚀性能，为高酸性气田采用双金属复合管防腐技术提供依据，同时也为今后开展复合材料现场应力腐蚀评价奠定了基础。

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