【行业动态】海洋气田硫化氢腐蚀研究

一、引言

 我国没有高含硫气田成熟的开发配套技术和经验，含硫气田的管材腐蚀问题一直是生产过程中一个相当棘手的问题，常会带来高成本和高人力投入，有必要对高含 H 2 S 海洋气田进行专题研究，明确材料选择及防控措施。

 海上固定平台的生命周期一般为 20 年左右。为了适应生产需求，各种规模的升级改造以及维护工作亟待开展，而通过有效的防腐手段对其进行安全保障具有极强的现实意义。国外公司对于防腐重视程度高、要求严格，能否适应及掌握这些技术要求往往是打入其市场的敲门砖，是否具备系统化的防腐技术能力往往成为业主判断公司业务能力的重要方面，因而有必要积极梳理和掌握国际防腐技术要求，开展针对性的研究工作，为即将开展的投标工作提供技术支持。

 防腐技术自成体系，依托生产设施升级改造进行安全分析工作具有显著的市场价值：一方面提升了服务业主的附加值，赢得业主信赖，另一方面可以形成独立的安全分析服务包业务，为公司创造直接效益。

 海上工程具有空间有限、集成化程度高、风险高等特点其与陆地工程不同，往往要求更加严格的防腐技术标准和技术手段，例如采标不同、设施布置要求不同、风险可接受水平不同等，有必要开展专题研究，掌握关键性防腐技术方法和理论。

 国内外事故案例表明，缺乏有效的防腐技术以及分析建议落实不到位是事故发生的深层次原因之一。针对海上油田生产设施的安装、检修及升级改造等工作，需要有系统化和专业化的防腐手段来保障工程的可靠性以及规避对原有设施的不利影响。

 二、H 2 S 腐蚀原理与影响因素

 腐蚀过程和机理是不同的，可以分为化学腐蚀与电化学腐蚀两大类。化学腐蚀为金属与周围介质直接发生化学反应而引起的破坏称为化学腐蚀。主要是指金属在干燥气体中的氧化及在非电解质中的腐蚀。

 电化学腐蚀为金属与周围介质发生电化学作用而引起的破坏称为电化学腐蚀。腐蚀的进行有自由电子参加，在金属的表面有电流从一个区域流到另一区域。

 根据腐蚀破坏的形式，将腐蚀分为均匀腐蚀和局部腐蚀两大类。均匀腐蚀即全面的连续腐蚀，腐蚀作用发生在整个金属表面上，以相近的腐蚀速度伸向金属内部。局部腐蚀是腐蚀损坏只局限于一定区域，包括孔蚀、脱层腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、选择性腐蚀等。

 （一）H 2 S 腐蚀原理在材料选择时首先要考虑金属材料的抗硫化物应力开裂性能，但是在酸性环境的设计选材过程中，仍然应考虑由于电化学失重腐蚀、氢致开裂、应力定向氢致裂纹、软区开裂等H2S 腐蚀的影响，主要包括电化学腐蚀、硫化物应力开裂、氢致开裂等方面。

 （二）H2S 腐蚀影响因素碳钢或低合金钢发生 SSC 的酸性环境的严重程度主要与 H 2 S 分压 （PH 2 S） 和溶液的 pH 值有关，另外与管材成分、CO 2 、温度以及介质流速等因素有关。H 2 S 分压和溶液 pH 值对腐蚀的影响可以通过严重程度分区图来评价，如果不能证实计算或者现场测量技术的可靠性，可用 pH 值法确定。

 三、海洋气田 H 2 S 腐蚀应对措施

 某海洋气田位于离海岸线 150km 的浅海区域，设计天然气产量约为 1200MMSCFD，生产系统操作压力 600kPag，温度92℃，H 2 S 分压 30.6kPa，CO 2 分压 52.7kPa，pH 值约为 4.1，系统处于严重腐蚀环境，因此在天然气处理与集输过程中应充分考虑 H 2 S 对管线和设备的腐蚀影响。某些海洋气田可采用湿气集输方案，可以降低高含硫天然气集输风险，简化工艺处理流程。由于湿气输送无法避免游离水的存在，因此防止 H 2 S 腐蚀就成了首要问题。

 （一）管材方案高含硫化氢环境下，普通碳钢成本低、技术成熟、规格全，但是抗腐性能差，需要注入缓蚀剂，可靠性低；不锈钢或特种钢材抗腐性能强，但是成本高；玻璃或非金属钢材抗腐性能强，重量轻，但是抗冲压差、成本高；防腐处理管材或复合钢材的成本底、抗腐性能强，但是规格范围小，应用范围差。海洋气田有时采用 Alloy 625 复合钢管和普通碳钢管以及防腐措施作为选材方案。

 选用复合钢管，必须对厂家的产品进行严格控制，其中包括：生产厂家应有良好的复合工艺，复合层与基层的结合力其抗剪应力值一般应不低于 100MPa，产品应有可靠的复合质量，产品有过工程实际等。

 （二）腐蚀裕量考虑足够的腐蚀裕量是当前平台防腐设计中经常采用的方法，但是指标不治本，无法从根本上解决防腐问题。

 （三）配管方案配管方案主要包括管件、法兰及阀门、支架等方面。管件要选择与主材相同或相近的防腐材料，仪表材质及管件需要特殊处理，不推荐使用复合材料、不锈钢材料。法兰与阀门需要根据公称压力等级选择，例如当等级为 PN2.0 时，法兰垫片需要选择非金属类型。支架与管道之间推荐采用活连接。如果采用焊接方式，需要采用相同或相近材料且进行热应力处理。

 （四）缓蚀剂加入缓蚀剂能够有效提高金属的抗腐性能且对介子性能不产生影响，另外设备简单、维护方便，因而成为工程上经济和高效的抗腐方案。然而，缓蚀剂添加的精确控制存在难度，在某些情况下，缓蚀剂容易与物流形成胶状物，影响生产，为此需要考虑配伍实验，综合考虑缓蚀剂的选择。

 （五）气体流速控制气体流速往往与腐蚀速率成正向线性关系，特别是存在固体颗粒时，会极度加剧腐蚀。在某些情况下，随着气体流速的降低，管道底部容易积液，进而发生水线腐蚀等其他腐蚀情况，因而需要整体设计气体流速。

 （六）清管作业从管理和操作层面入手是有效实现防腐目的的有效方式，海洋气田海管介子常为高含硫化氢的湿气，由于压力、温度等环境条件的变化，可能在海管低洼处形成液相，从而造成电化学腐蚀，水合物的形成也容易堵塞管道。为此需要提高清球作业频率，在一定时间段内，通过有效清污实现防腐目的。

 （七）防腐监控在设施操作运行过程中，需要采用有效手段对硫化氢含量高的集输系统进行腐蚀监控，例如采用腐蚀挂片、电阻探针等，同时可以通过取样点进行定期铁离子分析，也可以设置手动超声波测厚装置。

 四、结论

 防腐技术是海洋工程的重要研究领域，该技术系统化强，防腐和方法手段庞杂，针对海洋性气候以及处理介质的特点往往对防腐技术有了更加严格的要求，且细微的调整对于整个防腐方案有巨大的影响。了解 H 2 S 典型工况下的腐蚀机理与防护措施为解决高含 H 2 S 海洋气田的管线设计提供了参考。针对H 2 S 对天然气管线的几种腐蚀形式，通过合理的选材与配管方案，选择合适的腐蚀裕量，添加合理的缓蚀剂，设计合理管径控制气体流速，合理清管及强化腐蚀监控系统可以对硫化氢气田管线提供有效防护。海洋工程受限于空间和成本制约，硫化氢腐蚀防控尚未形成体系化和规范化做法，在防腐工程和关键设备及材料方面的攻关任重道远。