油气田气田腐蚀与防腐技术

1、油气田腐蚀与防护技术油气田腐蚀与防护技术张诚中原油田采油工程技术研究院中原油田采油院汇报内容汇报内容目录中原油田采油院一、腐蚀简介腐蚀的损失：腐蚀的损失：直接损失：直接损失： 腐蚀造成直接损失约为GDP的4%，石化行业中腐蚀损失一般高于6%。中国2008年GDP约为30万亿人民币，即腐蚀损失约1.2万亿人民币。汶川大地震直接经济损失为8451亿元。腐蚀损失约是汶川大地震损失的1.4 倍。每年由于腐蚀而报废的金属设备和材料，约相当于金属年产量的1/3。 全世界每年因金属腐蚀造成的直接经济损失超过了亿美元，是地震、水灾、台风等自然灾害造成损失总和的倍。间接损失：间接损失： 停工减产、产品质量下降、

2、污染环境、危害人体健康、造成严重事故。 腐蚀的定义： 材料在周围环境介质的作用下，逐步发生的物理化学变化而引起的性能降级。包括非金属，比如陶瓷材料等。中原油田采油院腐蚀是不可避免的 对于绝大多数材料，在自然界存在时G=H-TS 电化学腐蚀 材料防腐缓蚀剂等其他手段腐蚀速率要求不得超过0.076mm/a，三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院3.2.1 防腐材料选择程序、选材依据：列出对材质的要求利用经验找出可能使用的材质根据应考虑的因素进行适应性评价试验选择最经济的材料三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院3.2.2影响材料在腐蚀性环境开裂的主要

3、因素 1）冶金因素： 化学成分、热处理、微观结构、屈服和拉伸强度/硬度、冷加工变形、制造流程 2）应力状态 残余应力、外部应力、应力加载方式 3）硫化氢环境材料临界应力强度因子KISSC三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院3.2.3选用碳钢和低合金钢时需要考虑的因素选用碳钢和低合金钢时需要考虑的因素化学成分、制造方法、成形方式、强度、材料的硬度和局部变化、冷加工量、热处理条件、材料微观结构、微观结构的均匀性、晶粒大小和材料的纯净度；H2S分压或在水相中的当量浓度；水相中的Cl-浓度；水相酸碱值；是否存在元素硫或其他氧化剂；非产层流体侵入或与非产层流体接触；温度；应力状

4、态及总拉伸应力（外加应力和残余应力）；1. 暴露时间。三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院3.2.4耐蚀合金选用时需要考虑的因素：（1）气相中CO2分压；（2）气相中H2S分压；（3）使用的温度；（4）水相的碱性（pH值）；（5）Cl-或其他卤化物的浓度；（6）是否有元素硫存在。 三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计材料类别在H2S环境中潜在的开裂机理备注SSCSCCGHSC奥氏体不锈钢SPS某些冷加工的合金，因含有马氏体所以对SSC或HSC敏感固溶镍基合金SPS冷加工状态和/时效状态的镍基合金

5、含有次生相，而且当与钢形成电偶时，可能对HSC敏感。这些合金在很强的冷加工和充分时效的状态下，与钢耦合时，可能产生HSC铁素体不锈钢PP马氏体不锈钢PSP不管是否含有残余奥氏体，含Ni和Mo的合金都可能遭受SCC双相不锈钢SPS当温度低于最高使用和实验温度时，开裂敏感性可能最高，因此应考虑超过任一温度的范围值。沉淀硬化不锈钢PPP沉淀硬化镍基合金SPP冷加工状态和/或时效状态的某些镍基合金含有次生相，而且当与钢形成电偶时，可能对HSC敏感中原油田采油院三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计3.2.53.2.5材料材料初步选择初步选择中原油田采油院三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与

6、防腐蚀设计中原油田采油院3.2.63.2.6材料服役安全性能评价材料服役安全性能评价（1 1）抗应力腐蚀性能测定方法）抗应力腐蚀性能测定方法 NACE TM 0177-2005提供了四种测定应力腐蚀实验方法和判别标准。包括： (1)方法A（恒载荷拉伸实验） (2)方法B（弯梁实验） (3)方法C（C形环法） (4)方法D（双悬臂梁，DCB实验） 另有慢拉伸速率应变法（SSRT法）等。三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院（2）材料耐氢脆能力测定方法： 要求： 裂纹面积比（CSR）2%， 裂纹长度比（CLR）15%， 裂纹厚度比（CTR）5% 三、材料选用与防腐蚀设计三、

7、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院（3）材料电化学腐蚀速率测定： 模拟环境，油气井用材料经常采用高温高压反应釜进行挂片试验，测定腐蚀失重速率以及点蚀情况。 经常需要测定电偶腐蚀的腐蚀速率。三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计缺陷在于：缺陷在于： 所得腐蚀数据是概率值所得腐蚀数据是概率值 大多数的腐蚀破坏以局部腐蚀为主大多数的腐蚀破坏以局部腐蚀为主 腐蚀速率并非是不变的腐蚀速率并非是不变的 承受应力或氢侵入时腐蚀速率会增加承受应力或氢侵入时腐蚀速率会增加(1)(1) 需要研究所承受的应力、腐蚀产物膜的性能需要研究所承受的应力、腐蚀产物膜的性能以及氢的渗透与破坏。以及氢的渗透与破坏。中

8、原油田采油院 （4）耐蚀性评价中应注意的几个问题（1）任何时候，任何情况下都不要假定或推测材料的使用环境条件，不要在“可能”、“大概”的前提下去选择材料。（2）既要考虑材料的优点，更要注意材料的弱点和可能发生的腐蚀问题。（3）使用不同材料组合时，要考虑材料之间的相容性。（4）材料的性能不是恒定的，经过实际使用时由于应力作用下的形变和环境氢的渗入，材料性能本身可能发生改变。因此需要重视设备实际使用经验，积累腐蚀数据、案例，特别是设备腐蚀破坏事故的有关资料。 三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计 （1）系统中油、气、水的流动

9、方向发生突变的位置。在这些部位往往容易产生湍流和流速的急剧变化。 （2）系统中存在死角、缝隙、旁路支管、障碍物或其它呈突出状态的部位。这些部位容易腐蚀，原因有三：一是这些部位容易产生滞留区，沉积物或腐蚀产物的积聚容易引发形成闭塞电池；二是这些区域形状特点会造成这些部位的局部腐蚀气体的分压升高；三是这些部位容易发生湍流引起冲刷腐蚀。 （3）设备装置的受应力区。如焊缝、铆接处、螺纹连接处，经受温度交替变化或应力循环变化的区域。这些部位易产生应力腐蚀、焊缝腐蚀、缝隙腐蚀和腐蚀疲劳等。 （4）设备中两种金属接触部位，易发生电偶腐蚀。3.3 防腐蚀结构设计防腐蚀结构设计3.3.1易发生腐蚀的部位易发生腐

10、蚀的部位中原油田采油院三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计 3.3.2 高酸性气田腐蚀控制对管柱及采气站场结构设计的一般要求：（1）注意材料的相容性和设备之间的相互腐蚀性影响。避免强电偶连接和大阴极小阳极的连接方式。（2）管柱和设备的结构应尽可能简单，减少腐蚀电池形成的机会。（3）管壁的表面状态应当均匀、平滑、清洁，上扣机具不应造成大的压痕（如普光采用的微压痕钳上扣）。 (4) 结构上应尽量避免缝隙、液体停滞、应力集中、局部过热等不均匀因素。 （5）管柱和流体通道内应避免流速突然变化和发生湍流。（6）防止单质硫沉积和水合物的形成中原油田采油院尽量集中附件、简化主体设计不良良入孔安全

11、阀排出管排出管入孔安全阀三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院表面;应简单、平滑、清洁，避免尖角和切痕。焊缝应整理和打磨，除去凹出物，填充孔隙，突出的紧固件愈少愈好尖角粗糙雪痕圆角平滑不良良I不良（焊接缺陷）良良（磨去凸出物良（填充孔隙）最好较好三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院3.3.3 防腐蚀结构设计的若干细则 （1）排液防止液体停滞 金属结构和设备的外形应避免积水，减少易积水的间隙，凹槽和坑洼；贮罐和容器的内部形状应有利于液体排放；管道系统内部要流线化，使流动顺畅；三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院不良（聚积

12、沉淀）不良（液体停滞）良良（卧式容器向出口倾斜）贮罐和容器应有利于排液三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院（2）消除温度不均避免局部过热： 被焊组件的厚度不要相差很大；和高温气体接触的设备，要避免局部地区温度偏低。 三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院不良（钢支柱散热）良（避免形成冷凝液）保温时避免形成“冷点“热气体冷凝液隔热材料热气体三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院（3）避免(或减少)电偶腐蚀影响 用绝缘材料把异金属部件隔离 ；降低异金属部件之间的电位差异 ；降低电偶对结合处环境的腐蚀性，保持干燥 ；增加异金属

13、部件在溶液中的距离(不要靠得太近) 使腐蚀电池溶液通路的电阻增加；三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院用绝缘的方法防止电偶腐蚀绝缘垫片绝缘垫片绝缘套管管道阀三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院（4）避免缝隙 选择适当的联接方式，对于不可拆卸联接，只要 允许，应优先选用；当设计中缝隙不可以避免时，可以采取适当措施 防止形成闭塞条件；固体悬浮物质的沉积以及SRB腐蚀是造成缝隙的另一个重要原 因。三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院缝隙用焊接代替铆接和螺纹联接不良不良好不良（螺纹联接）良（钎焊）三、材料选用与防腐蚀设计三、

14、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院（5）减少冲刷(磨损) 改善流体的流动状态，减少湍流和涡旋的形成 ；流速要适当。 避免流动方向突然改变，以减小流体的冲击作用。 管道系统中流动截面积不要突然改变，以避免扰动流动状态。 减少气体中夹带悬浮固体物质，除去气体和蒸气中的冷凝液滴，可以大大降低液流和气流对设备的磨损。 三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院冲刷避免流动方向突然变化d良不良最小3ddd最小长度3d最小半径3d不良良良三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院消除残余应力影响的措施 （1）避免局部应力集中 （2）考虑设备在运行中因热膨胀、震动、冲

15、击等原因可能引起的变形。 （3）用热处理、振动时效、超声波时效消除残余应力，如焊接残余应力。（4）用表面喷丸、喷砂、锤打等方法消除表面用表面喷丸、喷砂、锤打等方法消除表面拉应力并引入压应力，可以增加合金材料抵拉应力并引入压应力，可以增加合金材料抵抗应力腐蚀破裂的能力，也可以大幅度提高抗应力腐蚀破裂的能力，也可以大幅度提高材料材料抗腐蚀疲劳抗腐蚀疲劳的能力。的能力。 三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计（6 6）消除应力）消除应力 中原油田采油院10-410-310-210-110010110210310410-410-310-210-1100101102103104SM-2050C

16、276SM-2535、 、 SM-2550、 、 028、 、G3、 、825、 、718、 、925H2S 分压 (atm)CO2 分压 (atm)3.4 3.4 普光气田的防腐普光气田的防腐蚀设计实例蚀设计实例三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计1）高含H2S与CO22）高温高压，流体在井筒内可能处于超临界状态3）地层水矿化度高，Cl-含量高4）不含凝析油，有元素硫析出3.4.1材料选择材料选择中原油田采油院整套油管全部采用抗整套油管全部采用抗H H2 2S S和和COCO2 2的的G3G3高高镍基合金钢。镍基合金钢。套管下部采用套管下部采用825825合金钢，上部采用合金钢，

17、上部采用高抗硫钢高抗硫钢110SS110SS，下永久式封隔器。，下永久式封隔器。环空加高浓度缓蚀剂保护液。环空加高浓度缓蚀剂保护液。 套管和井口连接位置、套管下部高合套管和井口连接位置、套管下部高合金钢和抗硫碳钢连接位置是发生电偶腐蚀金钢和抗硫碳钢连接位置是发生电偶腐蚀的敏感部位的敏感部位。电偶腐蚀电偶腐蚀电偶腐蚀电偶腐蚀3.4.2 管柱设计管柱设计三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院微牙痕作业工具微牙痕作业工具大钳作业与微牙痕作业对油管损害对比大钳作业与微牙痕作业对油管损害对比微牙痕作业微牙痕作业大钳作业大钳作业 油管的机械损伤会大大降低油管的抗油管的机械损伤会大大

18、降低油管的抗SSCSSC能力，必须能力，必须采用专用的下井工具，减少对油管的损伤，同时保证对采用专用的下井工具，减少对油管的损伤，同时保证对油管丝扣的密封性能。油管丝扣的密封性能。3.4.3专用工具专用工具三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计中原油田采油院 VAM TOP扣和套管组成连接后内部平滑，消除涡流 密封面在端部，形成的缝隙非常狭小，降低缝隙腐蚀 整体分散应力，避免与流体接触区域产生过大的应力集中三、材料选用与防腐蚀设计三、材料选用与防腐蚀设计3.4.4扣型选择扣型选择中原油田采油院1随时掌握系随时掌握系统的腐蚀趋统的腐蚀趋势与动态。势与动态。2判断腐蚀控判断腐蚀控制技术措

19、施制技术措施的实施效果的实施效果。3及时发现不及时发现不正常的腐蚀正常的腐蚀因素。因素。4实施有效腐实施有效腐蚀管理的基蚀管理的基本保证。本保证。四、腐蚀的监测与检测四、腐蚀的监测与检测 腐蚀监腐蚀监/ /检测就是利用各种手段对材料检测就是利用各种手段对材料/ /设备的腐蚀速率以及腐蚀状况进行测量。设备的腐蚀速率以及腐蚀状况进行测量。分为离线检测和在线监测：分为离线检测和在线监测： 离线检测：设备运行一段时间后，检查设备的腐蚀状况，如有无裂纹，剩余离线检测：设备运行一段时间后，检查设备的腐蚀状况，如有无裂纹，剩余 壁厚，剩余强度等。壁厚，剩余强度等。 在线监测：设备处于运行状态，利用各种探头测

20、量其腐蚀速率，以及能影响在线监测：设备处于运行状态，利用各种探头测量其腐蚀速率，以及能影响 腐蚀速率的各种工艺参数，并据此调整工艺参数，控制腐蚀的发腐蚀速率的各种工艺参数，并据此调整工艺参数，控制腐蚀的发 生与发展，使设备处于良好的可控运行状态。生与发展，使设备处于良好的可控运行状态。中原油田采油院4.2 4.2 油气田的腐蚀检测与检测：油气田的腐蚀检测与检测：4.2.14.2.1井筒的腐蚀监测：井筒的腐蚀监测： 井下挂环、井径法、电磁探伤测井、井下超声电视测井等井下挂环、井径法、电磁探伤测井、井下超声电视测井等4.2.24.2.2地面设施的腐蚀监测地面设施的腐蚀监测全面腐蚀全面腐蚀 : :电

21、阻探针电阻探针 (ER) (ER) 电感探针电感探针挂片法挂片法线性极化探针线性极化探针 (LPR)(LPR)电指纹法电指纹法氢探针氢探针局部腐蚀局部腐蚀: : 电化学噪声电化学噪声 ( (仅仅定性的仅仅定性的) )智能清管智能清管耦合多电极矩阵传感器耦合多电极矩阵传感器( (定量的定量的, 0.02 mpy or 0.5 , 0.02 mpy or 0.5 m/yr)m/yr)四、腐蚀的监测与检测四、腐蚀的监测与检测中原油田采油院电感探针电化学探针电阻探针电阻探针耦合多电极挂片中原油田采油院监测方法对比监测方法对比方法名称主要原理适用介质环境得到信息优点缺点挂片（挂环）通过金属挂片损耗量除以

22、时间来确定腐蚀速率。任何环境1 整个试验周期内的平均腐蚀速度2. 确定腐蚀类型1费用少2测定腐蚀与结垢量，确定腐蚀类型3能鉴别局部腐蚀测量周期长电阻探针(ER) 测量电阻探头的金属损耗量而测量腐蚀。探头腐蚀后面积减小，电阻增大。任何环境1配合自控和数据处理技术，可以连续测量腐蚀速率的变化1适用范围广2测定时间较短不能鉴别局部腐蚀线性极化(LPR) 用两电极或三电极测量极化电阻。电解质溶液介质瞬时腐蚀速率实现实时监测只适用于导电介质介质分析通过与腐蚀过程相关成分分析判断腐蚀趋势任何环境引发腐蚀因素的强弱1费用少2现场容易实施成分与实际失重腐蚀无定量的对应关系四、腐蚀的监测与检测四、腐蚀的监测与检

23、测中原油田采油院监测方法对比监测方法对比方法名称主要原理适用介质环境得到信息优点缺点氢通量法通过测量氢探头内压力的变化预测腐蚀的变化有H2S存在或其它可能引起氢脆的介质环境腐蚀环境的变化测定氢通量，反映H2S腐蚀变化不能反映腐蚀速率电指纹(FSM)通过在给定范围电场变化的测量，对实施部位进行监测。金属管道和容器给定范围的电场变化与初始值的对比非插入式，无损监测1 监测部位单一2 投入成本高电感探针通过检测电磁场的变化检测金属腐蚀任何环境检测电磁场强度变化灵敏度高，反应快探针使用时间较短智能清管器监测与清管结合，通过植入漏磁检测内壁腐蚀情况集输管道通过检测了解内壁腐蚀状况对管道内壁腐蚀情况可直接

24、了解受管径和结构限制四、腐蚀的监测与检测四、腐蚀的监测与检测中原油田采油院各种腐蚀测量方法都由各种腐蚀测量方法都由其优越性和局限性。要其优越性和局限性。要实现准确的测量和迅速实现准确的测量和迅速控制，单一的测量方法控制，单一的测量方法是不能满足要求的。需是不能满足要求的。需要多种技术的联合使用要多种技术的联合使用才能达到目的。才能达到目的。监测方法的选择监测方法的选择四、腐蚀的监测与检测四、腐蚀的监测与检测中原油田采油院利用细小的金属丝来利用细小的金属丝来模拟金属腐蚀的微小模拟金属腐蚀的微小阳极或阴极区域。通过阳极或阴极区域。通过测量电极间的电流大小测量电极间的电流大小及流动方向来得知不同及流

25、动方向来得知不同金属丝的腐蚀程度。金属丝的腐蚀程度。CMAS原理原理: 实物图实物图 几种新兴的监测技术几种新兴的监测技术四、腐蚀的监测与检测四、腐蚀的监测与检测耦合多电极法耦合多电极法中原油田采油院CMAS原理原理 四、腐蚀的监测与检测四、腐蚀的监测与检测耦合多电极法耦合多电极法中原油田采油院 由美国西南研究院开发，基于磁致伸缩效应（Magnetostrictive Sensor ，MsS）的长距离超声导波系统，在管道检测的精度对外宣称为2%-3%，据研究认为该技术可以发现管道发生的腐蚀缺陷，并较为准确地确定其长度方向上的位置，但不能确定缺陷的性质，需要通过其他检测手段进行确认。同时，该技术

26、现场检测的有效长度受到焊缝、支架、弯管等因素的影响较大。 四、腐蚀的监测与检测四、腐蚀的监测与检测磁致伸缩导波检测磁致伸缩导波检测 当传播中的导波遇到结构的突变(焊缝或者缺陷)，一部分导波就会被反射回原检测点产生微小的振动，这种振动将引起铁磁性材料的磁畴按照一定方向运动，引起材料的磁化状态发生变化(磁致伸缩效应的逆效应)而被传感器所检测到，以达到检测构件状况的目的。中原油田采油院四、腐蚀的监测与检测四、腐蚀的监测与检测氢通量法氢通量法 管线应力腐蚀风管线应力腐蚀风险与渗入金属基体的险与渗入金属基体的原子氢浓度和材料自原子氢浓度和材料自身临界阀值有关。研身临界阀值有关。研究材料的氢渗透行为，究材

27、料的氢渗透行为，确定发生氢致开裂和确定发生氢致开裂和应力腐蚀的门槛值，应力腐蚀的门槛值，利用氢探针监测到的利用氢探针监测到的原子氢浓度与管材阀原子氢浓度与管材阀值比较可以得到材料值比较可以得到材料应力腐蚀开裂趋势应力腐蚀开裂趋势中原油田采油院普光现场监测方法普光现场监测方法1号井加热炉CC ERLPRCIFMIF计量分离器一级节流二级节流三级节流CCERMIF CIFCC ER2号井加热炉CC ER CIFMIF一级节流二级节流三级节流CC ER3号井加热炉CC ER CIFMIF一级节流二级节流三级节流CC ERSPCCERSPCCER污水处理CCER收球桶旁通去P301某站监测点分布示意图

28、某站监测点分布示意图四、腐蚀的监测与检测四、腐蚀的监测与检测中原油田采油院普光现场监测方法普光现场监测方法线性极线性极化探针化探针电 阻 探电 阻 探针针挂片监测挂片监测取样点取样点某站计量分离器液相出口监测点实物图某站计量分离器液相出口监测点实物图四、腐蚀的监测与检测四、腐蚀的监测与检测中原油田采油院四、腐蚀的监测与检测四、腐蚀的监测与检测监测方法实例监测方法实例某站生产流程腐蚀趋势某站生产流程腐蚀趋势（1）挂片法）挂片法中原油田采油院四、腐蚀的监测与检测四、腐蚀的监测与检测（2）电阻探针法）电阻探针法祄MultiTrend for Windows ?2002 CorrOcean ASA祄某

29、站某站ER1202曲线曲线2009.10.29-2009.12.24 中原油田采油院某站某站LPR1401曲线曲线2009.12.23-2010.1.6 线性极化探针数据更离散，相邻时间点所显线性极化探针数据更离散，相邻时间点所显示读数值相差十几倍，这与其基于的工作原示读数值相差十几倍，这与其基于的工作原理有一定关系，同时与环境和设备的稳定性理有一定关系，同时与环境和设备的稳定性有关。有关。（3）线性极化探针）线性极化探针四、腐蚀的监测与检测四、腐蚀的监测与检测中原油田采油院FSMTrend for Windows ?2001 CorrOcean ASA2#阀室阀室FSM监测数据矩阵图监测数据矩阵图2010.3.18 12:00:02矩阵图矩阵图2010.3.18 12:00