含CO2高压气田集气站加热炉换热盘管材质的选择

郭　莹　大庆油田工程有限公司

含CO2高压气田集气站加热炉换热盘管材质的选择

郭莹
大庆油田工程有限公司

徐深气田集气站采用天然气加热炉对气井来气进行换热，通过对现场破裂加热炉盘管的分析检验，可以认定盘管破裂的原因是由于酸性介质的腐蚀造成的。从各井的天然气组分分析来看，能够对工艺管道及设备构成腐蚀的成分是天然气中的CO2及气田水中的Cl-。因此应根据气相中CO2分压和采出水中Cl-含量的不同，来确定加热炉换热盘管材质选用碳钢、316 L或2205双相不锈钢的技术界限。

高压气田；加热炉；换热盘管；腐蚀；Cl-；CO2分压；材质

引言

高压气田集气站大多采用加热、节流、降压处理流程，徐深气田压力高、CO2分压高、气井采出水中Cl-含量高，天然气加热炉换热盘管长期处于高温、高流速的腐蚀环境，腐蚀情况比较严重，盘管易穿孔，造成天然气泄漏。因此，加热炉换热盘管的腐蚀控制是整个气田集输处理设计中的重点，分析影响加热炉盘管腐蚀的因素，选择可靠、经济的材质，对优化气田集输设计、保证生产安全有重要意义。表1为徐深气田3种不同气井气组成情况，以这3口井为例说明加热炉换热盘管材质的选择。

表1　气井酸性组分

1　影响因素

1.1CO2分压

在CO2腐蚀的各种因素中，CO2分压起着重要的作用，目前在油气工业中根据CO2分压判断CO2腐蚀的经验规律如表2所示。

由表2可见，钢的腐蚀速率随CO2分压的增加而增大［1］。

1.2温度

温度是CO2腐蚀的重要参数，在60℃附近CO2腐蚀在动力学上有质的变化。FeCO3的溶解度随温度升高而降低，在60℃以下，钢铁表面生成松软不致密的FeCO3，钢材表面光滑，腐蚀为均匀腐蚀；在60～80℃左右，钢铁表面形成具有一定保护性的腐蚀产物FeCO3膜，该温度区域内虽然腐蚀速率下降，但是点腐蚀等局部腐蚀突出，对生产影响更大。因此，温度是通过化学反应和腐蚀产物特性来影响钢铁的腐蚀行为。图1为实验室所得CO2腐蚀速率随温度的变化曲线。

表2　CO2分压引起腐蚀的经验规律

图1　腐蚀速率随温度变化曲线

1.3Cl-的腐蚀影响

Cl-是去极化剂，会穿透不锈钢表面的钝化膜，在膜下发生酸化催化效应，引发不锈钢材料的点蚀，腐蚀速率很快。另外，在与CO2共存的情况下，能够穿透CO2腐蚀产物形成的保护膜，破坏其稳定性，从而加剧CO2腐蚀。

2　问题分析

从各井的天然气组分分析来看，能够对工艺管道及设备构成腐蚀的成分是天然气中的CO2及气田水中的Cl-。

（1）徐深1-205井CO2分压0.529 MPa，处于CO2腐蚀的严重区间内。Cl-的含量为882.99 mg/L，构成了严重腐蚀条件，酸性介质应同时考虑CO2和Cl-的影响。

（2）徐深6-3井CO2分压0.19 MPa，CO2产生重度腐蚀。

（3）徐深6-105井CO2分压0.22 MPa，处于CO2腐蚀的严重区间内。另外，Cl-的含量为36.09 mg/L，不构成腐蚀条件，酸性介质只需要考虑CO2的影响。

3　加热炉换热盘管材质选择

由于在加热炉盘管内，天然气一般被加热至50℃左右。这种条件下，除了CO2腐蚀速率接近最大以外，对于一般的不锈钢，也已经处于Cl-引起腐蚀开裂的敏感温度界限。对于徐深气田3口井加热炉换热盘管材质选择，重点是能够满足在该工况条件下同时对CO2和Cl-均有较好的抗蚀效果。

3.1碳钢

加热炉内盘管在2～5 m范围内多次180°转向，流速大，对弯头部位冲刷腐蚀非常严重，一旦出现小的腐蚀凹坑，CO2和Cl-会在此部位加剧腐蚀，直至渗漏。而且为了保证较好的换热效果，盘管壁厚不能太大，限制了提高腐蚀裕量的设计。碳钢对Cl-的腐蚀不敏感。

3.2316L钢

Cr能提高钢的耐CO2腐蚀性能主要是因为表面形成稳定的膜以及膜的自行修复能力所致。Ni的加入通常能提高高合金钢材的耐CO2腐蚀性能。

Cr-Ni钢在Cr含量为12%时对CO2的腐蚀抗力很高，即使在CO2分压很大时也一样，但是在环境中出现Cl-时，便会产生点蚀、缝隙腐蚀及应力腐蚀开裂。因此Cr-Ni钢不具备耐氯离子腐蚀的功能［2］。

3.32205双相不锈钢

双相不锈钢由奥氏体相和铁素体相所组成，既保留了铁素体不锈钢耐氯化物应力腐蚀的特点，又具有奥氏体不锈钢抗晶间腐蚀、耐冲刷腐蚀的优点，同时还具有优良的耐孔蚀性能。因此在CO2和Cl-的环境中采用该材质作为加热炉盘管具有较强的适应性［3］。

4　结论

“ISO 15156—3：2003，MOD”中规定当介质pH≥4.0时，Cl-对316L钢不引起腐蚀的最大浓度为1 000 mg/L，而2205双相不锈钢不受pH值及Cl-浓度的限制［4］。通过对徐深气田3口气井分别进行两次取样分析，气田采出水中的Cl-浓度均高于原预测值，并且考虑到采气分公司的大部分气井都会采取压裂措施进行增产，由于压裂液的影响将导致采出水中Cl-浓度短时间内数值增高；换热盘管在炉腔内多次通过弯头改变转向，来节省空间，而在弯头处更容易导致介质的聚集；同时进入加热炉盘管内的介质中含有游离水，这些都加重了加热炉换热盘管的腐蚀。从安全生产角度考虑将Cl-对316L钢不引起腐蚀的最大浓度定为300 mg/L。

因此，应根据现场在用加热炉使用情况的调研和对不同气质条件及操作条件的分析，针对不同CO2分压和Cl-含量，确定加热炉换热盘管材质。加热炉换热盘管材质的选用技术界限见表3。

表3　加热炉换热盘管管材选用技术界限

根据表3的选择原则徐深气田三口气井换热盘管材质的选择见表4。

表4　加热炉盘管材质的选择

徐深气田气井中所含CO2分压高、气田采出水中的Cl-浓度也有变化，同时生产中采用加注缓蚀剂方法来减少腐蚀，因此在生产中还应定期监测介质酸性组分含量，以保障安全生产。

［1］苏建华，许可方，宋德琦，等.天然气矿场集输与处理［M］.北京：石油工业出版社，2004：296-299.

［2］张钟铧，郭金宝.CO2对油气管材的腐蚀规律及国内外研究进展［J］.宝钢技术，2000，4（4）：56-57.

［3］潘思仲，孙浩，李星日，等.22Cr双相不锈钢的腐蚀特点［J］.石油化工腐蚀与防护，2010，27（6）：14-15.

［4］曹晓燕，郭成华，姜放，等.石油天然气工业油气开采中用于含硫化氢环境的材料：GB/T20972.3-2008［S］.北京：中国标准出版社，2008：11-22.

（栏目主持焦晓梅）

10.3969/j.issn.1006-6896.2015.7.030

郭莹：工程师，2005年毕业于中国石油大学（华东）油气储运专业，从事油气加工设计工作。（0459）5903262、guoying_dod@petrochina.com.cn

2015-03-11