酸性气田集输管材的选用

朱景义 赵海燕 巴玺立 李志彪 潘力

（1.中国石油天然气股份有限公司规划总院；2.中国石油集团工程有限公司北京项目管理分公司）

0 引言

气田集输采用气液混输工艺能够简化地面集输工艺流程、减少管材投资、降低管理费用［1］。但是，采用气液混输工艺的酸性气田在实际运行中，由于碳钢管道腐蚀较为严重，造成壁厚减薄、强度减弱，继而引发管道穿孔或爆管事件，严重影响了正常生产，且存在较大安全隐患。

1 腐蚀机理和管道失效情况

目前，气田集输管道以碳钢管为主。酸性气田在气液混输工况下，H2S或 CO2溶于水形成弱酸，引起碳钢管道较为严重的腐蚀。其中，H2S腐蚀为电化学腐蚀、氢致开裂和硫化物应力腐蚀开裂，典型特征是局部腐蚀；CO2腐蚀主要是电化学腐蚀和局部电偶腐蚀，典型特征是均匀腐蚀和局部腐蚀。此外，C1-会促进局部腐蚀，使腐蚀向管材基体纵深发展而形成氯化物点蚀，最终导致管道穿孔。影响H2S、CO2和C1-腐蚀速率的主要因素有介质pH值、介质温度、H2S分压、CO2分压、C1-浓度和管道流速等。

酸性气田气液混输管道运行工况往往较为复杂，如，在塔里木油田牙哈、迪那、克深和塔中等区块，气井高压高产，井流物普遍含 CO2，部分区块含有H2S，C1-浓度大部分在10×104mg/L以上，部分井井口温度高达90 ℃。此类极端苛刻的气质条件和集输工况，对集输管道材质的适用性提出了极高的要求。部分区块选用的碳钢管道多次出现失效事件，表现出一定的不适用性，突出表现为 CO2腐蚀失效。

如，迪那气田集气干管自2009年投产以来共发生过12起失效事件［2］，经分析均为60 ℃以上的CO2腐蚀，腐蚀位置有管道三通处的局部腐蚀也有直管段的均匀腐蚀。牙哈气田也发生过多次碳钢管失效事件，最终通过更换为双金属复合管解决。迪那气田集气干管CO2腐蚀失效情况见图1所示。

图1 迪那气田集气干管CO2腐蚀失效情况

2 可选管材适用性分析

现阶段气田集输管道可选材质类型主要有碳钢管、耐腐蚀合金管和双金属复合管等。

2.1 碳钢管

碳钢管制造工艺成熟、规格齐全、管材造价低、抗氯化物腐蚀能力较强，在各气田应用广泛。但碳钢管 CO2腐蚀较为严重，温度是主要影响因素，在运行温度T≥50 ℃的敏感区腐蚀速率迅速上升，CO2分压对腐蚀速率影响较小。根据现场运行经验，目前尚无有效缓蚀剂适用于 T≥50 ℃的含CO2工况，这也是迪那等区块在投加缓蚀剂后仍然发生严重管道腐蚀的原因之一。因此，含CO2工况下当T≥50 ℃时碳钢管不适用；当 T＜50 ℃时，碳钢的 CO2腐蚀速率下降明显，处于轻度或中度腐蚀，此时碳钢管+缓蚀剂方案具有较好的适用性。

含H2S工况下，碳钢管+缓蚀剂方案在国内外已有成熟使用经验，抗硫管材规格型号齐全，具有良好的适用性。

2.2 耐腐蚀合金管

可用于集输管道的耐腐蚀合金类型有 316L不锈钢、2205双相不锈钢和825镍基合金。

1）316L不锈钢

316L不锈钢具有较强的耐腐蚀性、良好的机械力学和焊接性能，但316L不锈钢对C1-比较敏感，温度和C1-浓度越高越易发生氯化物腐蚀。对含CO2工况，316L不锈钢适用性较好，在一定限制条件范围内其耐蚀性能满足气田集输使用要求。由于316L不锈钢易发生硫化物应力开裂，在含H2S气田其应用范围被严格限制，具体可参考ISO 15156-3-2015《Petroleum and Natural Gas Industries—Materials for Use in H2S-Containing Environments in Oil and Gas Production—Part 3: Cracking-Resistant CRAs（Corrosion-Resistant Alloys）and Other Alloys》（石油天然气工业油气开采中用于含 H2S环境的材料第3部分：抗开裂CRAs（耐蚀合金）和其他合金）。

2）2205双相不锈钢

2205双相不锈钢主要由奥氏体和铁素体两相组成，具有良好的机械力学性能和耐腐蚀性。在有氯化物存在的含CO2工况，2205双相不锈钢具有比316L更加优秀的抗点蚀及应力腐蚀的能力，适用于各类含CO2气田集输工况。2205双相不锈钢同样易发生硫化物应力开裂，且由于双相结构比316L不锈钢更易受低 pH和高H2S分压影响，表现为相间氢致开裂和穿晶腐蚀，因此在各类含H2S工况下不宜使用。

3）825镍基合金管

825镍基合金是钛稳定化处理的全奥氏体镍铁铬合金，具有耐各种形式腐蚀破坏的能力，并且兼有很好的力学和加工性能。镍基合金在温度小于149 ℃时能够用于任何 H2S分压、Cl-浓度以及 pH值环境［3］。试验研究和实际应用显示，825镍基合金同样适用于各类含 CO2工况以及 H2S与CO2共存工况。但825镍基合金熔点较低，导热系数较碳素钢低得多，焊接工艺要求高、难度大。

综上所述，316L不锈钢适用于限制条件范围内的含CO2工况；2205双相不锈钢适用于各类含CO2工况；在各类含H2S工况，316L不锈钢适用性较差，2205双相不锈钢不适用；825镍基合金耐蚀性能最好，适用于各类酸性气田集输工况。

2.3 双金属复合管

双金属复合管是以碳钢管为基体，以耐腐蚀合金为内衬防腐层，可充分发挥碳钢管的机械性能和耐腐蚀合金的耐蚀性能，从而降低管道建设和运行成本。按照基管和衬管的复合工艺划分，双金属复合管分为衬里（机械式）和内覆（冶金式）两大类。机械式复合工艺有水下爆燃复合、水力液压复合等，冶金式复合工艺有复合板焊接法、离心铸造法等。通常冶金复合管性能优于机械复合管，但冶金复合生产工艺复杂、制造成本较高，目前应用的主要是机械式复合管。

目前，双金属复合管可选内衬材质主要有316L不锈钢、2205双相不锈钢和825镍基合金等。2205双相不锈钢屈服强度较高，与L415及以下钢级复合时只能采用冶金复合，制管难度较大；825复合管制造工艺与316L复合管相似，但价格较高。因此，目前内衬材质主要使用316L不锈钢。

双金属复合管由于结构独特，焊接施工要求极高，对管材圆度、焊材、焊接环境、焊接工序、保护措施、焊后处理及检验等都有严格要求。在双金属复合管应用初期，由于焊接施工经验较少，曾出现一次焊接合格率低导致大量返工的情况。

目前，在酸性气田集输系统中，316L双金属复合管主要应用于 T≥50 ℃的含 CO2工况，其防腐蚀性能与316L不锈钢管基本一致。在高含Cl-工况下316L双金属复合管也限制使用，建议根据温度、Cl-浓度和pH值确定其适用性。

3 耐腐蚀管材经济性分析

双金属复合管和耐腐蚀合金管均具有较好的耐腐蚀性，在某些集输工况下二者从技术上均满足要求，但工程造价差异较大。

采用2017年度主材价格（含税），计算分析常用设计压力下（以16 MPa为例）两类管材的价格，价格对比见表1。表1中，双金属复合管壁厚为碳钢基管壁厚+耐腐蚀合金衬管壁厚，价格数据为每公里主材价格。

表1 不同管道材质主材价格对比（2017年价格数据）

通过对不同管道材质主材价格的分析可以看出，在经济性方面，总体上316L双金属复合管具有优势，825镍基合金双金属复合管价格较高，约为316L双金属复合管的2.5倍左右；316L不锈钢管和825镍基合金管屈服强度低，同压力下壁厚大、用量多，主材价格高于316L双金属复合管，且在直径168.3 mm及以上随着管径增大价格差距加大，825镍基合金管单价高，约为316L双金属复合管的6～9倍；2205双相不锈钢屈服强度较高，用钢量少，在直径168.3 mm以下管径与316L双金属复合管价格相差不大或略有优势。

4 酸性气田集输管材选用建议

4.1 含CO2工况

T＜50 ℃时推荐使用碳钢管同时辅助投加缓蚀剂；T≥50 ℃时推荐采用316L不锈钢双金属复合管，管径168.3 mm及以下管道可选用2205双相不锈钢管，316L不锈钢使用限制条件见表2。

表2 316L不锈钢在含CO2工况下使用限制条件［4］

4.2 含H2S工况

推荐使用抗硫碳钢管同时辅助投加缓蚀剂，管材选用具体要求可参考SY/T 0599—2006《天然气地面设施抗硫化物应力开裂和抗应力腐蚀开裂的金属材料要求》。

4.3 H2S与CO2共存工况

T＜50 ℃时主要考虑 H2S腐蚀，管材选用同仅含 H2S工况；T≥50 ℃时需同时考虑 H2S和 CO2腐蚀，情况最为复杂，可选管材有抗硫碳钢管同时辅助投加缓蚀剂、825双金属复合管和 825镍基合金管，管材的具体选用应通过技术经济比选确定。