深水多相流动动态腐蚀评价系统的研究与应用

武峰山，刘剑，钟康(渤海石油航务建筑工程有限责任公司，天津 300452)

0 引言

“深水多相流动动态腐蚀评价系统”是国家“十三五”重大专项项目28“海洋深水油气田开发工程技术(三期)”的一项重要标志性成果，该系统设计压力为7 MPa，设计温度为0～150 ℃，是中海油研究总院联合海油发展管道公司共建的国内首个工业级别的高温高压腐蚀评价系统，旨在解决当前困扰近海及深水油气田开发中的多相流动动态腐蚀问题，形成科学的腐蚀评价技术和控制对策。

1 系统概述

深水多相流动动态腐蚀评价系统包括：油供应系统、水供应系统、CO2供应系统、制冷介质供应系统、化学药剂注入单元、氮气吹扫单元、电力供应单元、中等尺度多相腐蚀试验管段、实验介质及水处理单元及排放系统、数据采集和控制系统。整个系统的工艺流程如图 1 所示。按照模块化、集约化的原则，深水多相流动动态腐蚀评价系统中，多相流混输腐蚀模拟模块和气相顶部腐蚀模拟模块共享主要基础设施和部分动力设备。

图1 工艺流程图

试验系统的管道材质为316L不锈钢，管径为114.3 mm，名义壁厚6.02 mm，设计温度150 ℃，设计压力7 MPa，最大流速：液相 5 m/s、气相 10 m/s，输送介质可以为含 CO2、有机酸等的油、气和水的混合物。试验管段包含有水平管段，垂直向上管段，垂直向下管段，倾角分别为 2°、3°和 5°的倾斜管段，以及湿气顶部腐蚀试验管段，并在各管段上安装有相应的监检测设备。

2 系统设备组成

系统设备包含动设备、静设备、热工设备、检测设备、PLC控制系统、电气系统。

2.1 动设备

动设备主要为油、水、气供应、循环设备，包含有补气压缩机、循环压缩机、循环泵、油相循环泵、冷却水泵、加药泵、凉水塔等。

2.2 静设备

静设备主要为油、水、气存储、分离撬块，污水收集撬块，包含有水储罐、油储罐、补气缓冲罐、气液腐蚀分离器、高压气体缓冲罐等。

2.3 热工设备

热工设备主要用于油、气、水进入系统时加热到所需温度，离开系统时降温；包含有冷却器、气体换热器、4台电加热器。

2.4 检测设备

检测设备主要为腐蚀检测设备、辅助检测设备；包含有腐蚀探针[1]、电化学测试LPR[2]、高压内窥镜、流态检测系统、高速摄像系统、TLC顶部腐蚀检测系统等。其中自主研发的高压内窥镜可以在温度120 ℃、压力3 MPa、3 m/s流速的严苛工作条件下，镜体不发生晃动，能够清晰分辨管道内流体流动状态。通过不同视角的内窥镜旋转观测，可以实现顶部冷凝状况监测和高气液比流态监测；自主研发的流态检测系统可以在温度120 ℃、压力7 MPa的严苛工作条件下稳定运行，并且能够有效识别含水率0～100%、含油率0～100%、含气率0～90%的各类流体流型，包括段塞流、波状流、层流、泡状流等流型；自主研发的高速摄像系统由高速摄像机、工控机(内含软件)、光照系统、镜头及高压视镜组成，拍摄管道内流态与流态检测系统比对。自主研发的TLC顶部腐蚀检测系统用于湿天然气的气相缓蚀剂效果，此设备带有可观测内部腐蚀的探头。

2.5 PLC控制系统

系统由控制中枢PLC、监控组态软件、实验设备等部分组成，共同完成控，制、报警和存档等功能，见自控流程图如图2所示。

图2 自控流程图

2.6 电气系统

低压开关柜：选用GCS抽出式开关柜，每个回路配置通讯模块，方便与就地盘信号传输，实现远程自动控制。

电缆：电力电缆及控制电缆采用交联聚乙烯绝缘电缆，埋地电缆为钢带铠装电缆。照明、接地按照规范要求配备。

3 系统功能

可模拟输送介质中含 CO2的湿气、气水和油气水三相混输海底管道，研究不同运行工况下、在不同结构(立管、弯管、水平管段、倾斜管段)位置处的腐蚀速率(电感探针、LPR探针、腐蚀挂片)、腐蚀形貌、CO2含量、pH值、壁面剪切力、气体露点以及腐蚀机制；

可模拟海底管道实际运行状态下，不同缓蚀剂加注方式、加注浓度条件下，海管内部结构位置处的腐蚀速率变化情况，评价缓蚀剂在海管内实际流动状态下的对海管内部延缓腐蚀效果，也可扩展用于杀菌剂、防垢剂等药剂的动态评价；

作为基础试验平台，通过定制的试验设计、装置开发和改造，实现更多的试验功能(如：管道新材料/新工艺/新技术的方案验证、中试试验、可靠性检验，例如定制试验管段后可开展海管内涂层及节点补口技术在实际工况下耐输送介质作用的可靠性检验；定制试验管段后进行海管漏点修复新材料/新技术的可靠性检验)。

4 能耗

主要能耗为电力、自来水、氮气和二氧化碳等，最大电耗：10 824 kW·h/d，油耗 0～1.5 t/次，水耗：24 t/d，氮气用量：0～1 000 Nm3/次，二氧化碳用量： 0～800 Nm3/次。

实验运行过程中主要能耗来源于三部分：(1)压缩机、泵、电加热器、凉水塔、自控系统、照明系统、电伴热等设备用电；(2)冷却用循环水；(3)实验用白油、N2、CO2、水源。

5 废气、废液排放

腐蚀评价系统的废气排放主要来自各个容器的安全阀、呼吸阀的排放以及挥发的气体，其中高压气体缓冲罐安全阀按照堵塞工况考虑，泄放量最大，泄放量为10 000 Nm3/h。

腐蚀评价系统的废液主要来自试验污水、污油以及清洗废水。其中污水、清洗废水排放至污水收集罐，陶瓷膜过滤合格后排放；污油排放至污水收集罐，未添加化学药剂的油品回收至油储罐，添加化学药剂的油品返回油化公司集中处理。

6 结语

深水多相流动动态腐蚀评价系统依托海油发展管道公司塘沽基地建设，将围绕困扰近海及深水油气田开发中的多相流动动态腐蚀等巨大挑战，立足自主创新，从理论、创新技术研发和现场应用技术等方面入手，稳步攻破制约海上油气田安全开发和运行的流动安全技术难题。

深水多相流动动态腐蚀评价系统是具有海洋石油特色的“国内领先、国际先进、开放流动”的深水多相流实验平台。利用平台，开展针对油气田多相动态腐蚀的系统研究，形成科学的评价技术和控制对策，解决制约海上油气田安全开发和运行的流动安全技术瓶颈，为保障我国海上油气田的安全运行提供技术手段和技术支撑。