高含硫天然气净化厂管线腐蚀监测方法的优选与应用——以普光气田为例

商剑峰 李 坛 刘元直 林宏卿 张晓刚 肖国清

1.中国石化中原油田普光分公司 2.“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室·西南石油大学

川气东送工程主气源地普光气田原料气中H2S含量高达15%。其天然气净化厂采用MDEA（甲基二乙醇胺）法脱硫，采用三甘醇法脱水。天然气脱硫方法分为干法和湿法两大类［1］，MDEA法脱硫是湿法脱硫的一种，适合处理量较大的高含H2S和CO2天然气［2］。天然气脱水方法有冷却法、吸收法和吸附法等，三甘醇脱水法属于吸收法，以三甘醇作为吸收剂，具有热稳定性好、吸湿性高、容易再生等优点［3］。另外，采用常规克劳斯二级转化法回收硫磺，再配以加氢还原吸收尾气处理和酸性水汽提的工艺技术路线。工艺装置主要包括脱硫、脱水、硫磺回收、尾气处理、硫磺成型和酸性水汽提装置。该净化系统酸性负荷大、工艺节点多、材质包含多种碳钢和多种不锈钢及复合管材。

高酸性介质在管道中流动和滞留，易引起钢材的均匀腐蚀、局部腐蚀和冲刷腐蚀［4］，并面临硫化物应力腐蚀开裂和氢致开裂风险，腐蚀监测及控制不当易导致管线腐蚀穿孔、刺漏，甚至破裂［5－7］。高含硫净化厂管线的腐蚀监测和控制对保证净化厂的安全高效运行具有重要意义。高含硫气田净化系统在线腐蚀监测方面，目前还未形成完整的腐蚀监测体系和腐蚀管理数据库。因此根据净化厂各工艺流程管线的服役特点设置腐蚀监测点，给出相适应的监测方法十分必要。

1 常用腐蚀监测技术适应性分析

腐蚀监测技术是在线测试腐蚀速率的重要手段，腐蚀监测数据是金属管道腐蚀控制的根据。目前，国内外常见的腐蚀监测手段有以下几种。

1）挂片失重法是测量金属腐蚀最可靠的方法之一。其优点是：适用于任何工作环境；较真实地反映了材质的腐蚀速度，可直接用来预测特定部件的使用寿命，还可用于校正其余监测方法的腐蚀数据。不足之处在于：不能获得瞬时腐蚀速率，不能反映工艺参数变化对腐蚀的即时影响。

2）线性极化法（LPR）是目前最常用的金属腐蚀快速测试方法之一［8］。优点在于：响应速度快，可测定瞬时腐蚀速度。不足之处在于不适用于气相环境。因而在净化厂大量工艺环节涉及的气相腐蚀环境中不宜采用。

3）电阻法测量的是金属元件的横截面积因腐蚀减少所引起的电阻变化。其优点在于可用于气相及液相、导电及不导电的介质中连续进行测量。不足之处在于：只适应于均匀腐蚀，否则不容易解释测量结果，且只能测定累计腐蚀量，腐蚀产物导电则将产生测量误差。净化厂在脱硫工艺环节腐蚀介质中伴有氯离子的点蚀，电阻法也不适应于局部腐蚀的监测。

4）电感测量法是以测量金属损失为基础，测试元件质量发生变化引起电感的变化，电感信号经放大后输出质量损失信息。其优点在于：通过元件灵敏度的选择，可以较快地测定出腐蚀速度的变化；可用于在气相及液相、导电及不导电的介质中连续进行测量。不足之处在于：不适合测定瞬时腐蚀速度和局部腐蚀，探头表面腐蚀产物的电磁性将产生测量误差。

5）超声波测厚法可以对运转中的设备反复进行测量，但是难以获得足够的灵敏度来跟踪记录腐蚀速度的变化。该方法不损伤管线，随时监测壁厚，并能进行逐点测量。不足之处在于：受仪器灵敏度的限制，两次检测时间间隔短、金属壁厚变化不大时分辨率差；高温部位检测较困难，准确性差。

6）氢监测法测量的是腐蚀环境中氢原子在钢中的渗透量。根据监测的氢压与时间的关系，来确定腐蚀环境中电化学反应的剧烈程度［9－10］，不能直接计算得到腐蚀速率。

7）离子含量分析法通过定期分析生产过程中的铁离子含量，可以定性地确定设备的腐蚀变化情况。此法适合于纯CO2腐蚀、Cl－腐蚀的生产系统。对于含H2S气体的生产系统，由于腐蚀产物FeS呈固体沉积，因此取水样分析时，其结果也存在较大偏差。

8）电化学噪声技术是通过对超声波的反射变化，监测金属是否存在裂纹、空洞等的技术［11］。电化学噪声技术的最大特点是自然、真实地反映金属表面状态，是一种原位无损的监测技术。该技术有助于研究局部腐蚀、表面膜的动态特征等，可以监测均匀腐蚀、孔蚀、裂蚀、应力腐蚀开裂等腐蚀，并且能够判断金属腐蚀的类型。国际上电化学噪声技术已经成熟，但价格昂贵。

9）管道全周向监测方法（FSM）也称为“电指纹法”。通过在给定范围内进行相应次数的电位测量，对局部进行监测和定位。FSM是一种非插入式的监测方法，通过一段与管道材质完全一致的测试短管与工艺管道焊接或法兰连接在一起，其寿命与管道的设计寿命匹配，在管道的运行过程中不需要更换测试电极［12］。但成本非常高。

净化厂各单元服役管道具有各种酸气负荷、各种流速、各种温度及不同的相态特征，这些都将影响腐蚀监测的效果。管线腐蚀监测需根据其腐蚀环境特点和服役工况进行选择。同时，因不同腐蚀监测方法在监测设备管理与监测数据管理方面造成了不便，因此建议采用适应性较强的单一的在线腐蚀监测方法。在流场有变化的管段推荐采用定点全周向柔性超声波测厚监测法，取代昂贵的全周向监测方法（FSM）。

2 腐蚀监测点设置及监测结果

净化厂主要装置如脱硫、脱水、硫磺回收、尾气处理、硫磺成型和酸性水汽提装置等单元，均以金属管或双金属复合管作为输送介质的通道。双金属复合管在防腐蚀方面具有很高的可靠性和良好的综合经济效益［13］，因此该净化厂某些管线（如液力透平出口管线、再生塔底重沸器气相返回口管线、胺液再生塔顶空冷器出口管线和第二级硫冷凝器酸性气入口管线）采用的是不锈钢衬里的复合管。

由前分析可知，电感探针监测和失重挂片监测能满足高含硫净化厂管线服役工况。为节约投资，装置采用同一种腐蚀监测方法——电感探针监测，同时在各监测点设置了失重挂片监测。腐蚀监测点的设置情况及监测周期为1年的监测数据如表1～3所示。

表1 公用部分监测单元设置及对应监测结果表

表2 脱硫单元监测单元设置及对应的监测结果表

表3 其他单元监测单元设置及对应监测结果表

表1中A为西区高空放空总管，B为东区高空放空总管，C为低压放空总管。可以看出，东、西区高空放空总管腐蚀速率较大。其腐蚀速率在0.030 4～0.075 3mm／a之间，按照 NACE RP0775标准的规定，属于中度腐蚀。从现场挂片分析来看，清洗后两处试片厚度减薄，表面腐蚀变得不均匀，存在局部腐蚀。主要腐蚀产物为铁的氧化物和少量铁的硫化物。

表2中D为天然气进装置管线，E为进料过滤分离器底部液体出口管线，F为水解反应器出口空冷器出口管线，G为液力透平出口管线，H为再生塔底重沸器气相返回管线，I为胺液再生塔顶空冷器出口管线，J为酸性气自胺液再生塔顶回流罐至硫磺回收单元管线，K为胺液再生塔顶回流管线。从监测数据可以看出，整个脱硫单元腐蚀速率都很低，有些部位未监测出腐蚀。

表3中L为脱水塔天然气入口管线，M为脱水塔出口富TEG管线，N为第二级硫冷凝器酸性气入口管线，O为末级硫冷凝器尾气出口管线，P为急冷水泵出口管线，Q为酸水汽提塔顶气管线。由表3可见，第二级硫冷凝器酸性气入口管线，急冷水泵出口管线和酸水汽提塔顶气管线腐蚀速率较大。按照NACE RP0775标准对腐蚀程度的规定，第二级硫冷凝器酸性气入口管线和酸水汽提塔顶气管线为中度腐蚀，急冷水泵出口管线腐蚀速率在0.125～0.254mm／a之间属于严重腐蚀。从挂片结果来看，第二级硫冷凝器酸性气入口管线挂片和酸水汽提塔顶气处挂片清洗后两处试片厚度减薄，表面腐蚀变得不均匀，存在局部腐蚀；急冷水泵出口管线挂片去除表面腐蚀产物后，表面已经凹凸不平，存在严重的局部腐蚀，挂片明显因腐蚀而变薄。

各监测点两种方法监测结果见图1。探针监测结果和挂片结果基本一致，仅在腐蚀速率数值上存在一定偏差。可见，净化厂第二级硫冷凝器酸性气入口管线（N）、急冷水泵出口管线（Q）、酸水汽提塔顶管线（P）和东西区高空放空总管（A、B、C）为腐蚀薄弱环节。而腐蚀薄弱部位的管线材质均为碳钢（L245、20号钢和20R），因此在这些薄弱部位需加强腐蚀监测或采取相应防腐措施。

图1 各监测点挂片和腐蚀探针腐蚀数据对比图

现场腐蚀监测结果表明，通过分析在线探针腐蚀监测数据，可找出工艺管线腐蚀的薄弱环境，为净化系统腐蚀控制技术措施的优化提供基础数据。而在一些弯头、大小头、三通和阀门附近，介质流场变化，电感探针和失重挂片的安装难于实施，且难以真实反映管道在圆周方向和轴向的腐蚀状况。对此类可能发生严重腐蚀的区域，应采用全周向监测方法（FSM）或全周向柔性超声波定点测厚监测方法。但FSM监测价格更高，故推荐使用柔性超声波定点测厚监测方法，避免多人次间歇测量造成的测量误差。

3 结论及建议

1）建议采用适应性较强的单一在线腐蚀监测方法进行净化厂管线腐蚀监测，并使用失重挂片法校正所用监测方法的腐蚀数据。

2）从腐蚀挂片和探针监测结果来看，该净化厂第二级硫冷凝器酸性气入口管线，急冷水泵出口管线，酸性水汽提塔顶和东西区高空放空总管为腐蚀薄弱环节；其他监测单元腐蚀速率都很低。

3）现场应用结果表明，电感探针监测和失重挂片监测是管线监测的良好手段，能够满足高含硫净化厂管线各个工艺节点的服役工况，且其投资相对较低，便于现场应用。电感探针腐蚀监测结果与失重挂片腐蚀速率基本一致，监测数据可信。

［1］ 张远德，汪鸿鹏，郭天林.天然气集输脱水脱硫工艺研究及发展方向［J］.油气田地面工程，2011，30（11）：59－60.ZHANG Yuande，WANG Hongpeng，GUO Tianlin.Natural gas dehydration and desulfurization process and it′s development orientation［J］.Oil－gasfield Surface Engineering，2011，30（11）：59－60.

［2］ 陈昌介，何金龙，温崇荣.高含硫天然气净化技术现状及研究方向［J］.天然气工业，2013，33（1）：112－115.CHEN Changjie，HE Jinlong，WEN Chongrong.A state of the art of high－sulfur natural gas sweetening technology and its research direction［J］.Natural Gas Industry，2013，33（1）：112－115.

［3］ 吴基荣，毛红艳.高含硫天然气净化新工艺技术在普光气田的应用［J］.天然气工业，2011，31（5）：99－102.WU Jirong，MAO Hongyan.Application of new technologies on high－H2S gas conditioning in the Puguang Gas Field［J］.Natural gas industry，2011，31（5）：99－102.

［4］ 鲜宁，姜放，施岱艳.含H2S／CO2气田中基于腐蚀风险的管道完整性设计［J］.天然气与石油，2012，30（5）：68－70.XIAN Ning，JIANG Fang，SHI Daiyan.Pipeline system integrity design based on corrosion risk assessment in H2S／CO2gas field［J］.Natural Gas and Oil，2012，30（5）：68－70.

［5］ 陈赓良.醇胺法脱硫脱碳装置的腐蚀与防护［J］.石油化工腐蚀与防护，2005，22（1）：27－31.CHEN Gengliang.Corrosion of alcohol－amine desulfurization decarbonization units and protection［J］.Corrosion ＆Protection in Petrochemical Industry，2005，22（1）：27－31.

［6］ 李鹭光，黄黎明，谷坛，等.四川气田的腐蚀特征及防腐蚀措施［J］.石油与天然气化工，2007，36（1）：14－17.LI Luguang，HUANG Liming，GU Tan，et al.Corrosion characters and inhibition methods for Sichuan gas fields［J］.Chemical Engineering of Oil ＆ Gas，2007，36（1）：14－17.

［7］ 李峰，孙刚，张强，等.天然气净化装置腐蚀行为与防护［J］.天然气工业，2009，29（3）：104－106.LI Feng，SUN Gang，ZHANG Qiang，et al.Corrosion behavior and prevention of gas sweetening unit in natural gas processing plants［J］.Natural Gas Industry，2009，29（3）：104－106.

［8］ 张强，唐永帆，谷坛.川渝气田净化厂脱硫装置腐蚀监测技术研究及应用［J］.石油与天然气化工，2010，39（6）：548－551.ZHANG Qiang，TANG Yongfan，GU Tan.Research and application on corrosion monitoring technology in sweetening units of Sichuan－Chongqing gas field purification plants［J］.Chemical Engineering of Oil ＆ Gas，2010，39（6）：548－551.

［9］ GERUS B R D，CASSIN J N.Corrosion in the burnt timber wet sour gas gathering system［J］.Materials Performance，1978，17（3）：25－28.

［10］ LAWSON V B，DUNCAN C，TRESEDER R S.Pipeline failures in the Grizzly Valley sour gas gathering system［J］.Materials Performance，1988，27（4）：10－16.

［11］ KAPUSTA S，RAGHU D，RICHARD J.Managing corrosion in sour gas systems：Testing，design，implementation and field experience［C］∥paper 08641presented at Corrosion 2008，16－20March 2008，New Orleans，Louisana，USA.Houston：NACE International，2008.

［12］ THOMAS J，BARR E.The Kaybob South mystery：A case study of pipeline integrity management strategies in an aging sour gas infrastructure［C］∥paper 04171presented at Corrosion 2004，28March －1April 2004，New Orleans，Louisana，USA.Houston：NACE International，2004.

［13］ 曾德智，杜清松，谷坛，等.双金属复合管防腐技术研究进展［J］.油气田地面工程，2008，27（12）：64－65.ZENG Dezhi，DU Qingsong，GU Tan，et al.Research development of bi－metal pipe anti－corrosion technology［J］.Oil－gasfield Surface Engineering，2008，27（12）：64－65.