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高含硫化氢海洋气田开发中管线的腐蚀与防护


第 2 7卷 第 3期  21 0 2年 O 月  6
文 章 编 号 : 0 1 5 0 2 1 ) 30 5 —4 1 0 — 0 ( 0 2 0 — 0 30   4

中 国 海 洋 平 台  
CH I NA   FFSH 0 RE  O PLA TF0R M  

Vo . 7 NO 3 12   .  

Jn 2 1  u ., 0 2

高含 硫 化 氢 海 洋气 田开发 中管 线 的腐 蚀 与 防护 
陈  静 ,唐 瑞 友 ,王 若 思 , 张 海成 ,魏  彦 
( 海洋石 油 工程股 份 有 限公 司 ,天 津 3 0 5 ) 0 4 1 
摘  要 :根 据 高含 硫 化 氢 海 洋 气 田开 发 的特 点 , 析 了 高含 硫 化 氢天 然 气对 管 线的 腐 蚀 机 理 , 分 最后 提 出 了   相 应 的 防止 硫 化 氢腐 蚀 的 措施 与 方 案 , 对设 备 与 管 线 的 使 用 寿 命 和 安 全 运 行 具 有 重 要 意 义 。  
关 键 词 :天 然 气 ; 化 氢 ; 洋 气 田 ; 蚀  硫 海 腐 中图 分 类 号 :TE 8 5  文 献 标 识 码 :A  

Pi ln   r o i n a d Pr t c i n M e s r s i   g —    pe i e Co r so   n   o e to   a u e  n Hi h H2 S

Of s r   s Fi l   v l pm e   f ho e Ga   e d De e o nt CHEN  ig, TANG  i o Jn Ru — u,W ANG  o s ,ZHANG  i h n y Ru —i Ha— e g,W EIYa   c   n
( i aOfs o eOi En ie rn   Chn   f h r  l gn e i gCO., TD.Tin i 3 0 5 ,Chn )   L aj n 041 ia 

Ab t a t B s d o  h   h r c e   fh g — 2   f s o e g s f l   e e o me t h s p p r sr c : a e   n t e c a a t r o   i h H   o f h r   a   i d d v l p n ,t i a e   S e  
a l z s t   o r son me ha i m  f pi e i  t a p tng hi h—    t a  s a d brn   na y e   he c r o i   c n s o   p lne r ns ori   g H2 na ur lga   n   i gs S f r r   e e a   a ur s t   o e t p pei   r m  2   o r so   o wa d s v r lme s e   o pr t c  i lne f o H   c r o i n. S

Ke   wo d : n t r l a ;h d o e   u fd ;o f h r   a   il y rs a u a  s y r g n s li e fs o e g s f d;c r o i n g e o r so  

0 引 言   
近年 来 , 随着 天然 气开 采产 量不 断提 高 , 在油 田开 发与 集输 过程 中 H。 S的含量 也 不断 增加 , 而且 含硫 天 

然 气 中一 般还 含有 c   具有 十 分强 的腐 蚀性 , 力容器 及 管道 的腐 蚀与 开裂 等事故 不 断上升 。国外对高 含  o, 压
硫 气 田的开发 已有 几 十年 的 经验 , 我 国在 此 方 面 的技 术 尚处 于 探 索 研 究 阶 段 , 而 目前 国 内 尚无 高 含 Hz 、 S  c 海 洋气 田成 熟 的开发 配套 技术 和 经验 , o。 使这 类储 量 至今 还未 开发 动用 , 未发 挥其 在 国 民经 济建 设 中 的重  要 作用 。因此 , 针对 高含 H s海 洋气 田应 进行 深 入 细致 的分 析研 究 ,   完善 材 料选 择 与 防护 措 施 来 防止 或 减  轻 其腐 蚀 , 以确 保设 备 与管 线 的使 用 寿命 和安 全运 行具 有重 要 意义 。  

1 腐 蚀 机 理   
在海 洋 气 田开发 过程 中 , s对集 输设 备 与 管 线 的腐 蚀 大 致 分 为 三 种 : H。 电化 学腐 蚀 、 化 物 应 力 开 裂  硫
(S ) S C 和氢诱 发 裂纹 ( C , HI ) 另外 还存 在 H S与 C 的共 同作 用 。   O。   1 1 电化 学腐 蚀  . 天 然气 开发 过程 中会 同时含 有 H。 S和水 , 形成 H。 S溶 液 。在 H。 S溶 液 中 , 有 H ,S一 Hz 含  和 S分子 ,  

它 们对 金属 的腐 蚀 是氢 去极 化过 程 , 释放 出的 H  是 强 去 极 化剂 , 易 在 阴极 夺 取 电子 , 进 阳极铁 溶 解 导  极 促
收 稿 日期 :2 1 一 50 ; 修 改稿 收 到 日期 :2 1 — 22   0 1O —4 0 20 —4

作 者 简 介 :陈

静 ( 9 9)女 , 程 师 。 17 一 , 工  

?

5 ? 4  

中 国 海 洋 平 台 

第2 7卷

第 3 期 

致 金属 的全 面腐 蚀 , 就是 我们 通常所 说 的均匀腐 蚀 、 也 坑蚀 和 点蚀 。随着 时 间的 推移 , 种 腐蚀 会 使设 备 的  这
壁厚 不断 减薄 , 直至不 能满 足强 度要 求而使 设备 报废 。  
1 2 硫 化 物 应 力 开 裂  .

硫化 物应 力开裂 ( S ) S C 是金 属材 料在 H  S分压 足够 高 的湿 环 境 中受 拉 应力 和 H。 S腐 蚀 的 联合 作 用 所  引起 的材 料脆 化和 开裂 过程 , 主要 表现 为 : 设备 在继续 承压 时 , 复不 到正 常运 转状 态 , 坏承压 系统 的  其 使 恢 破

完整 性 , 设备 丧 失基本 功能 。与 其它应 力腐蚀 相 同 , 断裂 前 无任 何 显示 , 有 很 强 的突发 性 。多数 情 况  使 在 具
下 在经 历不 长的 服役期 , 工作 截面 没有 明显腐 蚀减 薄 的情况 下突然 发生 , 因而 具有极 强 的危 害作用 。  
1 3 氢 致 开 裂  .

由于 H。 水 中 电化 学反应 而产 生 的 H 得 到 电子 变 成 氢原 子 , 离 的氢 原子 渗 入 金 属 内部 , 钢 材  S在 游 在 内部 的某些 品格 缺 陷或 夹杂 处 聚集而 结合成 氢分 子 , 此时 体积 急 剧增 大 , 在钢 材 内部 产 生 巨大 的 内应 力 , 使  钢材 内部 产生裂 纹 , 料 变脆 。低 强 钢可产 生氢 鼓现 象 , 材 高强 钢则 在 钢材 内部 发 生 阶梯 式 开裂 , 目前 通 称  即
为氢诱 发裂 纹 ( C 。 HI )  HI C与 S C是两 类基 本互 不相关 的开 裂 。HI S C在含 H S 田上 ,   气 常见于 低 、 中强 度设 备用 钢 上 。在设 

备 内表 面最 接 近腐 蚀介 质 的地 方 , C表 现 为氢鼓 泡 。HI HI C使金 属 材料 的韧性 下 降 , 在 初期 不 会对 金 属  但 材料 的承 载能 力产 生明显 的影 响 。当韧 性 过 度下 降 , 其 是各 层 的裂 纹 相互 贯 通 时 , C就 会影 响到 金 属  尤 HI
材料 在工 作应 力下 的安全 , 因此它 是一种 潜在 的危 险 。   1 4 C 2 H: .   O 、 S共存条 件 下的腐 蚀  研究 表 明 : Hz 在 s含 量小 于 7 0 ×1 MP a时 , O C  是主 要 的腐 蚀介 质 ; S含 量在 P o/  s O H。 c。 P >2 0时 , 材 

料 表面形 成一 层 与系统 温度 和 P 值有关 的 F S膜 , 致腐蚀 速率 降低 ; P 。/   < 2 0时 , H e 导 在    P O 系统 中 H    S 为主导 影 响了腐蚀 产物 膜 的形成 机制[ 。C   H。 存条 件下 的腐 蚀影 响因 素很 多 , 括 温度 、 体 分压 、 1 ] O 、 S共 包 气  
介 质成 分 、 液相流 态 以及材 质 因素等 。  

2 防腐 蚀 措 施   
防止 Hz S腐蚀最 好 的方法 就是 在集 输之前 将 其 回收处理 , 由于 国内海洋 气 田开 发工 程 中大 多 采用 固  但 定 式平 台对天然 气进 行开 采 与处理 , 而平 台规模 受 到经 济性 的影 响 , 如果 选 用 常规 Ca s硫 回收 处理 酸 气 , l u   首先要 面 对 的是 设 备 的大型化 问题 , 其次 是热 量利用 和 与脱硫 装置 的匹 配 问题 , 降低 高含硫 天然 气集 输风  为 险 , 输 工艺 流程应 尽可 能简 化 , 田集 气采 用湿气 输送 工艺 在 国外 是较 为成 熟 、 集 气 经济 的 , 这样 的条 件下进  在 行高 含 H。 S的天 然气集 输 , 防止 H。 S腐蚀 就成 了海洋气 田开发 的首要 问题 。  
2 1 选 择 防腐蚀 管材  . ( )管材 方案  1 选 择合 适 的管材可 以有 效 的防止 应力 开裂 和 氢致 开 裂 。在 高含 H。 S海 洋气 田开 发 中可 供选 择 的管 材  方 案及 其优 缺点 见表 1  :
表 1 高 含 H。 S气 田 各 类 管 材 的 优缺 点 比 较 

总体 来看 , 合金 钢 的性能 优越 , 当前 应用 也 比较广 泛 , 目前成 本 和规 模 还达 不 到工 业 化 要 求 。而 根据  但

目前 大部 分海 洋含 Hz s气 田的腐 蚀性 分析 和技术 经济 评价 , 用普通 碳钢 管或 复合钢 管是 经济 合理 的 。 采  

第 3期 



静, 等

高含 硫 化 氢 海 洋 气 田开 发 中管 线 的 腐 蚀 与 防 护 

?5 ? 5  

复合 钢管 由外 管 和 内衬 管 两部分 组成 , 管 为普通 钢 钢管 , 外 内衬 管 由耐蚀 合 金 等材 料 制 成 , 内管 壁 厚通 

常为 0 5mm~3mm。一般 情况 下 , 管用 于 承压 , .    外 内衬 管用 于抗 腐蚀 。复 合钢 管的抗 腐蚀 能力 是 由内衬材 
质 决定 的 , 对其 抗腐 蚀 能力 的评 价 就 是 对 内衬 材 质 的评 价 。内衬 材 料 必 须 符 合 美 国 国家 腐 蚀 工 程 师协 会 
( NAC ) E 标准 MR一17 0 — 5中的规 定 : 硫油 气 田使 用 的金属 材 料 , 含 其屈 服 极 限不 大于 6 5MP 、 度 不 大 于  5  a 硬
H RC22  。 [  

( ) 管材成 分  2


般认 为管 材 的化学 成分 A1TiV、 C 、 、 B、 u等元 素 能提 高钢 的抗 S C性 能 , 、 、 Mn N、 等 对低 合  S NiS P、 、 H

金钢 抗 S C不利 。另 外 C 是 一种 极强 的 耐腐蚀 元 素 。在 管 线 中添加 一定量 的铬 元 素可 以 降低 钢管 的 S C S r S 

和 HI C的敏感 性 。一 般认 为控 制含 C 量 在 0 1 一0 3 可 以 很好 的协 调钢 的抗腐 蚀 能 力 和 提 高强 韧 性  r .% . 
关 系。  
( ) 加 工 工 艺  3

焊接 性是 材 料加工 工 艺性 能 的一个 重要 指标 。可 以利 用碳 当量 ( E 法来 估算 钢材 的焊接 性 , 把包 括  C ) 即 碳 在 内 的元 素和其 它合 金元 素 对硬 化 ( 化 和冷裂 等 ) 脆 的影 响折 合成 碳 的影 响 :  

C E—c +Mn   鱼±   %+  
u  0 

+T M+C M N i u 
上 0 

式 中 : Mn C 、 、 NiC C、 、 r Mo V、 、 u为钢 中该元 素 含量 的百 分数 。  


般 情况 下 , E 0 5 时碳 素 结构 钢 和低 合 金 结 构 钢具 有 良好 的 焊接 性 , 随着 C 的增 加 , 材焊  C < .  而 E 钢

接 性变 差 [ 。 3  ] 2 2 采用 合理 的 配管 方案  .

( ) 管件材 质  1 管 件 宜选用 与 主材 相 同或相 近 的抗硫 化物 应力 开 裂或 抗 氢致 开 裂钢 。对 于 仪表 管 嘴 、 空排 凝 等分 支  放 接头, 由于 分支 管/ 件直 径较 小 , 宜采 用复 合材 料 , 不 为使 其耐 腐蚀 性不 降低 , 应进 行特 殊处 理 。  
( ) 法 兰 与 阀 门  2

法 兰 的公称 压力 等级 不 宜低 于 P .   a 且 不 宜选 用平 焊 全平 面 型 的法 兰 ; 于公 称压 力 为 P 2 0 N2 0MP , 对 N .  的 管路 , 兰垫 片宜 选用 非金 属垫 片 ; 法 当选用 缠 绕式 垫片 时 , 配 以高强 度合 金钢 螺栓 ; 宜 法兰 用紧 固件宜 选用  通丝 型 双头 螺栓 , 配 以厚螺母 ; 固件 材料 宜 为抗腐 蚀 开裂钢 。DN≤ 4 并 紧 0的 阀 门宜选 用 法兰 连接 或 端部 带 
短 管 的阀 门 。   ( )支 吊架  3

管 道支 吊架 与被 支撑 的管 道元 件 之间宜 采用 活连 接 。当必 须采 用 焊接 时 , 管道 元 件 直接 接 触 的构 件  与
宜采 用 与被 支件 化学 成分 相 同或相 近 的材料 , 焊后 进 行 消除应 力 热 处理 。对 于 不便 进 行 现场 焊 后热 处 理  且 的支 吊架 , 采用 活 连接 。 宜  
2 3 选 择 适 当 的 腐 蚀 裕 量  .

普通低碳 钢在不 同浓度 H。 S水溶液 中 的腐 蚀 速率 是不 同 的。H。 S水溶 液对 普 通低 碳钢 的腐 蚀 速率 大致 
为 0 1  . 2mm/  ̄0 1  a . 5mm/ , 大不超过 0 1 5mm/ 。如果选 取 的腐蚀 裕量为 4mm~6ml, a最 . 6  a     T 则可保证设 备具  l 有一定 的预期使 用寿命 。并 在介质流 速大处 , 当增 大弯头 、 适 三通 、 变径大小 头的壁厚 ( 增大腐蚀 裕量)  。
2 4 防 止 水 的 析 出 与 水 合 物 形 成  .

干燥 的 H S对金 属材 料无 腐蚀 破坏 作用 , S只有 溶解 在水 中才 具 有腐 蚀 性 ,   H。 另外 在 H。 S存 在 的环境  下 生 产工 艺流 程 中水合 物 生成情 况 也远 比一 般气 田严 重和 频繁 。防止天 然气在 集输 过程 中 出现这样 的 问题 


般 常用 抑制 剂 注入 、 提高 气体 的 流动温 度 和天然 气脱 水 三种 方法 。天然 气脱水 是 最理想 的方 法 , 需要 在  但

平 台设置 脱水 装 置 , 艺较 复杂 , 资较 大 。在平 台上 一般 采 用 提高 天然 气 节流 前 温 度 的方 法 , 与集 气 管  工 投 或 道 平 行敷 设热 水伴 输管 道 , 加入 单 乙基甘 醇 ( G) 二 乙基 甘 醇 ( E 、 ME 、 D G) 甲醇等 能有效 地 防止游 离 水析 出与 
水 合 物 的形成 。  

? 

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第 3期 

2 5 加 注 缓 蚀 剂  .

缓蚀 剂是 一种 用于 腐蚀环 境 中抑制 金属 电化 学腐蚀 的添 加剂 。少量 的缓 蚀剂 能有效 地减 缓金 属表 面腐  蚀 反应 , 从而 降低 可供 钢材 吸收 的氢原 子 , 制氢 诱发 裂纹 ( C 腐 蚀 的速度 , 控 HI ) 对于 光滑 的管 壁 , 蚀 剂 的缓  缓 蚀 效 率可达 9  L 。另外 缓蚀 剂通 常不会 影 响工作介 质 的性能 , 5 4 ] 也无 需对 被保 护 的金 属设 备 表 面进 行 特殊  处理 , 而且 缓蚀 剂 的注入设 备简 单 , 因此是 十分 经济 有效 的方 法 。根据 陆地 上应 用 情 况来 看 L , 井 下 加注  5在 ] 缓蚀 剂后 , 缓蚀 剂与井 底脏 物 、 积单 质硫 等胶结 在一 起 被气 流带 出堵 塞 井 筒和 地 面节 流元 件 , 响 气 井正  沉 影 常牛 产 。因此 , 添加 缓蚀剂 应先 通过 室 内配伍性 实验 , 结合 现场评 价试 验来 选择 缓蚀剂 。  
2 6 设 计合 理管径 控 制气体 流速  .

在我 国很 多油气 田, 当气速 高于 1  s 0m/ 时缓蚀 剂就不再起作 用  , ] 另外 , 流程 度高也会 破坏 保护膜 或缓  紊 蚀剂 吸附膜 。因此 , 气体 流速较高 , 腐蚀速 率也往往较高 , 如果腐 蚀气 体 中含 有 固体 颗粒 , 在较高 气体流 速下  则

加剧腐 蚀 , 因而必须控 制气速上 限。但 是如 果气 体流 速低 , 可能造 成 管线底 部积 液而发 生水 线腐 蚀 , 下腐  也 垢
蚀等, 通常气体 流速大于 4 6m/ , .  s不会形成 积液 , 腐蚀轻微 ; 体流 速小 于 4 6m/ , 气 .  s会形 成积 液 , 腐蚀 较严重 ,   需 加大清管频 率 , 量加注缓蚀剂 。因此在一般 的管线设计 中 , 批 应控 制气体流速在 4 6m/  ̄l  s .  s Om/ 。  
2 7 定 期 清 管  .

如果海 洋气 田海底 集输 管 网输送 介质 为高含 硫湿 天 然气 , 其水 合 物 形成 温度 较 高 , 管输 过 程 中 , 着  在 随

环境 条件 的变化 , 可避免 的有 水及 井底带 出的其他 液 相物 质在 集输 管 网 中析 出 , 积 在 管线 低 洼处 , 种  不 沉 这

典 型的 电解质溶 液 环境不 仅容 易造 成管材 腐蚀 穿孔 , 而且 容易 形成水 合物 阻塞 管道 。  
2 8 完 善腐 蚀监 测 系统  .

腐蚀 监测 就是 对设备 的腐 蚀速 度和某 些 与腐蚀 速度 密切 相 关 的参 数进 行连 续 或 断续 测 量 , 同时根 据 测 
量对 生 产过程 的有 关条 件进行 控制 的技术 。针对高 含 H。 洋气 田集输 系统 高腐蚀 的风 险 , 蚀 监测 系统  s海 腐
可 以采 用腐蚀 挂 片 ( C 、 C ) 电阻探针 ( R) 并设 置取样 点 , E , 定期进 行 铁离 子分 析 。此 外 , 以在 平 台配 置便 携  可

式 氢通 量 ( do te) 术 , 于管 道设 备渗氢 及氢 损伤 的评估 。 Hy r se1技 用  

3 结 论   
( ) 高含 H。 1 S气 田集输设 备 与管线 的腐蚀 主 要包 括 电化学 腐 蚀 、 化物 应 力开 裂 和 氢诱 发 裂 纹 , 硫 以及  H2 S与 c 的共 同作用 ; O2   ( ) 针对 H。 2 s的腐蚀 机理 , 以选用 高腐蚀 裕 量 的碳 钢 或 复合 钢 管 管材 , 强 对 其加 工 工 艺 以及 厂 家  可 加 的控 制 , 用合 理 的管件材 质 以及采 用合 理 的阀 门、 选 法兰 和支 吊架等 配管 方案 , 在集输 过程 中采 用脱 水工 艺 ,   或提 高输 送温 度在 水露 点 以上 , 以及 注入 抑制 剂等措 施 防止游 离水 的影 响 , 加注 适量 的缓 蚀剂 以控 制腐蚀 速  率, 控制 管线 输送 气体 流速 在规定 的范 围 内 , 并且加 强 海管 的清 管措 施 , 善海 洋平 台集 输 过程 中的腐 蚀 监  完 测 , 以为高 含 Hz 可 s的海洋 气 田集输提 供全 方位 的 防护 ;   ( ) 国内大规 模 的高含 H。 3 S气 田开发 生产 工业 实 践较 少 , 大 部分 处 于 陆地 , 海 洋 开发 工 程 的 管材  且 在 研 发 、 硫 阀 门、 抗 自动测 控 、 防腐蚀 技术 、 智能 监测 、 安全 风 险控 制 等方 面仅处 研发起 步 阶段 , 高含硫 气 田的集  输 工艺 技术 还处 于学 习模仿 阶段 。因此对 高含 H  s海洋气 田的防腐 工程 的攻关 任重 而道 远 。   参 考文献 
[] 王 澎 .Hz 天 然 气 处 理 设 备 的 腐 蚀 及 相 应 对 策 [] 1  S对 J.天 然气 与 石 油 , 0 0 2 () 3—6 2 1 , 8 2 : 43 .   [3 NA E MR 1 5 Maei sfruei   -o tiigE v o met   i adg spo ut n[ ] 2  C   0 7 , tr l o s  H2 cna n   n i n n snol n  a rd co s . a  n S n r i   i   [ ] 压 力 容 器 实 用 技 术 丛 书 编 写 委 员 会 .压 力 容 器用 材 料 及 热 处 理 [ 3 M].北 京 : 学 工 业 出版 社 ,20 . 化 05   [ ] 赵 伟 ,于会 景 .高 含 硫 气 田管 道 腐 蚀 原 因分 析 与 防 护 措 施 [] 4 J.化 学 工 程 与 装 备 , 00 3 :66 . 2 1 () 6—9   [ ] 黎 洪 珍 , 涛 等 .高 含 硫 气 井 存 在 的问 题 及 对 策 探 讨 [] 5 杨 J .钻 采 工 艺 , 0 8 3 ( )1 81 1 2 0 ,1 6 :1—2 .   [ ] 刘 伟 ,蒲 晓 林 等 .油 田硫 化 氢 腐 蚀 机 理 及 防 护 的 研 究 现 状 及 进 展 [] 6 J.石 油 钻 探 技 术 , 0 8 3 () 8 —6 2 0 , 6 1 : 38 .  


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