CN113933234B - 一种集输管道选材的评判方法 - Google Patents

一种集输管道选材的评判方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种集输管道选材的评判方法，属于稠油开发集输领域。旨在解决集输管道材料的选择问题，简化选材过程，保障集输安全；其技术路线为：利用正交实验法对失重法腐蚀实验进行7影响因素3水平设计；基于失重法腐蚀实验建立不同材料的平均腐蚀速率预测模型；利用腐蚀性能指标方程计算材料的腐蚀性能指标；通过拉伸试验机进行拉伸性能测试，计算腐蚀后材料的拉伸性能指标；利用腐蚀性能指标和拉伸性能指标进行优选，确定最优材料。本发明的有益效果：考虑七种因素，适用范围广，可推广性强；理论计算同实验数据相结合，准确度高。

Description

一种集输管道选材的评判方法
技术领域
本发明属于稠油开发集输领域，特别涉及一种集输管道选材的评判方法。
背景技术
随着世界对能源的需求不断增长，石油资源中占比较大的稠油油藏引起世界广泛的关注。多元热流体驱替可显著提高海上稠油的采收率，已在渤海油田成功应用，取得良好的增产效果。注入的多元热流体主要由高温高压水、氮气、硫化氢、二氧化碳、残余氧、二氧化硫和水蒸气等组成，开采出的原油中含有硫化氢、二氧化碳、残余氧、二氧化硫等腐蚀性气体，还可能含有矿物离子等杂质，且温度较高，极易对管道造成严重的腐蚀问题，进而导致安全隐患或生产损失。为了保证集输管道的安全运行，管材的选择尤为关键。
目前，在石油化工管道材质选用已有石油化工行业标准SH/T 3059-2012《石油化工管道设计器材选用规范》，该项标准规定了管道材料的常用钢材使用温度表。根据ISO15156《石油和天然气工业——油气开采中用于含硫化氢环境的材料》第3部分，给出了在油气开采及天然气处理厂含硫化氢环境中，设备用耐蚀合金和其他合金的选择及评定的要求和推荐作法。综合SY/T 6610-2017《含硫化氢油气井井下作业推荐作法》、NACE MR 0175《石油和天然气工业-油气开采中用于含硫化氢环境的材料》、Q/SH 0015《含硫化氢含二氧化碳气井油套管选用技术要求》等标准要求，形成了硫化氢、二氧化碳和不同温度酸性环境下的材质选择图版。然而，以上标准均满足在硫化氢和二氧化碳共存条件下的材质选择，且没有考虑到材质的实用性。因此，急需一种简便且适用的集输管道材料的优选方法，为集输管道安全提供保障。
发明内容
本发明的目的在于解决集输管道材料的选择问题，简化选材过程，保障集输安全；本发明通过理论计算与实验手段相结合，提供一种集输管道选材的评判方法，适用性强范围广，准确度高。
为实现上述目的，本发明提供了一种集输管道选材的评判方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
S100、利用正交实验法对失重法腐蚀实验进行7影响因素3水平设计，采用高温高压动态反应釜对不同材料的集输管道在7种影响因素不同取值下的运行工况进行失重法腐蚀实验；7种影响因素包括温度T、输气压力P、硫化氢含量
Figure 510372DEST_PATH_IMAGE002
、二氧化碳含量
Figure 834037DEST_PATH_IMAGE004
、二氧化硫含量
Figure 285878DEST_PATH_IMAGE006
、氧气含量
Figure 884350DEST_PATH_IMAGE008
和氯离子浓度
Figure 370826DEST_PATH_IMAGE010
；计算各影响因素取值范围的平均值，各影响因素取值范围的最大值，最小值，平均值为各影响因素3水平的取值；
S200、基于失重法腐蚀实验得到不同材料在不同实验条件下的平均腐蚀速率，进行多项式拟合，建立不同材料的平均腐蚀速率预测模型，利用平均腐蚀速率预测模型计算腐蚀速率v corr；
S300、利用腐蚀性能指标方程
Figure 130972DEST_PATH_IMAGE012
计算材料的腐蚀性能指标S v ，式中，S v 为材料的腐蚀性能指标，v 0为不同材料不同工况条件下的安全指标，取值为-0.076mm/a；
S400、通过拉伸试验机对集输管道材料进行腐蚀前后的拉伸性能测试，利用拉伸性能指标方程计算腐蚀后材料的拉伸性能指标I；
S500、根据计算的得到的腐蚀性能指标S v 和拉伸性能指标I，当指标S v 和I中任意一项大于1时，材料不满足集输管道的要求；当指标S v 和拉伸性能指标I均小于1时，所选材料满足集输管道的要求，若存在多种材料满足集输管道的要求时，选择腐蚀性能指标S v 和拉伸性能指标I之和为最小值的材料作为集输管道材料。
上述的一种集输管道选材的评判方法，所述集输管道的材料分为L245NS、2Cr13、316L三种钢材。
上述的一种集输管道选材的评判方法，所述不同材料的平均腐蚀速率预测模型包括L245NS钢材的平均腐蚀速率预测模型
Figure 132426DEST_PATH_IMAGE014
；2Cr13钢材的平均腐蚀速率预测模型
Figure 269009DEST_PATH_IMAGE016
；316L钢材的平均腐蚀速率预测模型
Figure 612921DEST_PATH_IMAGE018
。
上述的一种集输管道选材的评判方法，所述的拉伸性能指标方程为
Figure 278389DEST_PATH_IMAGE020
；式中，I为拉伸性能指标，δ 1 为材料腐蚀后的抗拉强度，MPa；δ 0 为材料的标准抗拉强度，MPa。
上述的一种集输管道选材的评判方法，所述7种影响因素的取值范围分别为温度的取值范围为60℃~180℃，压力的取值范围为0.1MPa ~1.5MPa，硫化氢含量的取值范围为1000ppm~20000ppm、二氧化碳摩尔含量的取值范围为5%~60%，二氧化硫含量的取值范围为0ppm~100ppm，氧气摩尔含量的取值范围为0~3%、氯离子浓度的取值范围为0mg/L~15000mg/L。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）建立了温度、压力、硫化氢含量、二氧化碳含量、二氧化硫含量、氧气含量和氯离子浓度七种因素的腐蚀预测模型，考虑因素齐全，适用范围广，可推广性强。（2）将理论计算同实验数据相结合，使得预测结果更加准确，保障集输安全。
附图说明
图1是本方法的技术路线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
为实现上述目的，本发明提供了一种集输管道选材的评判方法，如图1所示，该方法包括下列步骤：
S100、利用正交实验法对失重法腐蚀实验进行7影响因素3水平设计，采用高温高压动态反应釜对不同材料的集输管道在7种影响因素不同取值下的运行工况进行失重法腐蚀实验；7种影响因素包括温度T、输气压力P、硫化氢含量
Figure 173664DEST_PATH_IMAGE021
、二氧化碳含量
Figure 645097DEST_PATH_IMAGE004
、二氧化硫含量
Figure 106165DEST_PATH_IMAGE022
、氧气含量
Figure 208113DEST_PATH_IMAGE008
和氯离子浓度
Figure 387422DEST_PATH_IMAGE023
；计算各影响因素取值范围的平均值，各影响因素取值范围的最大值，最小值，平均值为各影响因素3水平的取值；
S200、基于失重法腐蚀实验得到不同材料在不同实验条件下的平均腐蚀速率，进行多项式拟合，建立不同材料的平均腐蚀速率预测模型，利用平均腐蚀速率预测模型计算腐蚀速率v corr；
S300、利用腐蚀性能指标方程
Figure 396966DEST_PATH_IMAGE024
计算材料的腐蚀性能指标S v ，式中，S v 为材料的腐蚀性能指标，v 0为不同材料不同工况条件下的安全指标，取值为-0.076mm/a；
S400、通过拉伸试验机对集输管道材料进行腐蚀前后的拉伸性能测试，利 用拉伸性能指标方程计算腐蚀后材料的拉伸性能指标I；
S500、根据计算的得到的腐蚀性能指标S v 和拉伸性能指标I，当指标S v 和I中任意一项大于1时，材料不满足集输管道的要求；当指标S v 和拉伸性能指标I均小于1时，所选材料满足集输管道的要求，若存在多种材料满足集输管道的要求时，选择腐蚀性能指标S v 和拉伸性能指标I之和为最小值的材料作为集输管道材料。
进一步的，所述集输管道的材料分为L245NS、2Cr13、316L三种钢材。
进一步的，所述不同材料的平均腐蚀速率预测模型包括L245NS钢材的平均腐蚀速率预测模型
Figure 975190DEST_PATH_IMAGE025
；2Cr13钢材的平均腐蚀速率预测模型
Figure DEST_PATH_IMAGE026
；316L钢材的平均腐蚀速率预测模型
Figure 920144DEST_PATH_IMAGE027
。
进一步的，所述的拉伸性能指标方程为
Figure 586748DEST_PATH_IMAGE028
；式中，I为拉伸性能指标，δ 1 为材料腐蚀后的抗拉强度，MPa；δ 0 为材料的标准抗拉强度，MPa。
进一步的，所述7种影响因素的取值范围分别为温度的取值范围为60℃~180℃，压力的取值范围为0.1MPa ~1.5MPa，硫化氢含量的取值范围为1000ppm~20000ppm、二氧化碳摩尔含量的取值范围为5%~60%，二氧化硫含量的取值范围为0ppm~100ppm，氧气摩尔含量的取值范围为0~3%、氯离子浓度的取值范围为0mg/L~15000mg/L。
下面结合具体输气管线对一种集输管道选材的评判方法做进一步说明。
实施例1 X1集输管道材料优选
基于正交实验法对失重法腐蚀实验进行7影响因素3水平设计，结合各影响因素的取值范围：温度的取值范围为60℃~180℃，压力的取值范围为0.1MPa ~1.5MPa，硫化氢含量的取值范围为1000ppm~20000ppm、二氧化碳摩尔含量的取值范围为5%~60%，二氧化硫含量的取值范围为0ppm~100ppm，氧气摩尔含量的取值范围为0~3%、氯离子浓度的取值范围为0mg/L~15000mg/L。
计算各影响因素取值范围的均值分别为：温度的均值为120℃，压力的均值为0.8MPa，硫化氢含量的均值为10500ppm、二氧化碳摩尔含量的均值为32.5%，二氧化硫含量的均值为50ppm，氧气摩尔含量的均值为1.5%、氯离子浓度的均值为7500mg/L；得到各影响因素的三水平。
基于失重法腐蚀实验得到L245NS、2Cr13、316L三种钢材在不同实验条件下的平均腐蚀速率，进行多项式拟合，建立L245NS、2Cr13、316L三种钢材的平均腐蚀速率预测模型为，
L245NS钢材的平均腐蚀速率预测模型
Figure DEST_PATH_IMAGE029
；2Cr13钢材的平均腐蚀速率预测模型
Figure DEST_PATH_IMAGE030
；316L钢材的平均腐蚀速率预测模型
Figure DEST_PATH_IMAGE031
。
根据实测数据，得到X1集输管道距离长度为500m；测得管道内含硫稠油原油的7种影响因素如表1所示。
表1
Figure DEST_PATH_IMAGE033
利用三种钢材的平均腐蚀速率预测模型，计算得到L245NS钢材的腐蚀速率为-0.0708mm/a；2Cr13钢材的腐蚀速率为-0.0757mm/a；316L钢材的腐蚀速率为-0.68mm/a。
利用腐蚀性能指标方程
Figure DEST_PATH_IMAGE034
得到L245NS、2Cr13、316L三种钢材的腐蚀性能指标分别为0.932、0.996、8.948。
进一步的，通过拉伸试验机对集输管道材料进行腐蚀前后的拉伸性能测试，利用拉伸性能指标方程
Figure DEST_PATH_IMAGE035
计算腐蚀后材料的拉伸性能指标I，得到L245NS、2Cr13、316L三种钢材的腐蚀性能指标分别为0.552、0.646、0.878。
结合腐蚀性能指标S v ，拉伸性能指标I，选取腐蚀性能指标和拉伸性能指标之和的最小值的材料，优选出L245NS钢材作为X1集输管道的适用材料。
实施例2 G55集输管道材料优选
基于正交实验法对失重法腐蚀实验进行7影响因素3水平设计，结合各影响因素的取值范围：温度的取值范围为60℃~180℃，压力的取值范围为0.1MPa ~1.5MPa，硫化氢含量的取值范围为1000ppm~20000ppm、二氧化碳摩尔含量的取值范围为5%~60%，二氧化硫含量的取值范围为0ppm~100ppm，氧气摩尔含量的取值范围为0~3%、氯离子浓度的取值范围为0mg/L~15000mg/L。
计算各影响因素取值范围的均值分别为：温度的均值为120℃，压力的均值为0.8MPa，硫化氢含量的均值为10500ppm、二氧化碳摩尔含量的均值为32.5%，二氧化硫含量的均值为50ppm，氧气摩尔含量的均值为1.5%、氯离子浓度的均值为7500mg/L；得到各影响因素的三水平。
基于失重法腐蚀实验得到L245NS、2Cr13、316L三种钢材在不同实验条件下的平均腐蚀速率，进行多项式拟合，建立L245NS、2Cr13、316L三种钢材的平均腐蚀速率预测模型为，
L245NS钢材的平均腐蚀速率预测模型
Figure DEST_PATH_IMAGE036
；2Cr13钢材的平均腐蚀速率预测模型
Figure 509572DEST_PATH_IMAGE030
；316L钢材的平均腐蚀速率预测模型
Figure DEST_PATH_IMAGE037
。
根据实测数据，得到G55集输管道距离长度为893m；测得管道内含硫稠油原油的7种影响因素如表2所示。
表2
Figure DEST_PATH_IMAGE039
利用三种钢材的平均腐蚀速率预测模型，计算得到L245NS钢材的腐蚀速率为-0.096mm/a；2Cr13钢材的腐蚀速率为-0.041mm/a；316L钢材的腐蚀速率为-0.718mm/a。
利用腐蚀性能指标方程
Figure DEST_PATH_IMAGE040
得到L245NS、2Cr13、316L三种钢材的腐蚀性能指标分别为1.263、0.549、9.447。
进一步的，通过拉伸试验机对集输管道材料进行腐蚀前后的拉伸性能测试，利用拉伸性能指标方程
Figure DEST_PATH_IMAGE041
计算腐蚀后材料的拉伸性能指标I，得到L245NS、2Cr13、316L三种钢材的腐蚀性能指标分别为0.785、0.836、0.702。
结合腐蚀性能指标S v ，拉伸性能指标I，仅2Cr13钢材的腐蚀性能指标S v 和拉伸性能指标I同时小于1，优选出2Cr13钢材作为G55集输管道的适用材料。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：（1）建立了温度、压力、硫化氢含量、二氧化碳含量、二氧化硫含量、氧气含量和氯离子浓度七种因素的腐蚀预测模型，考虑因素齐全，适用范围广，可推广性强。（2）将理论计算同实验数据相结合，使得预测结果更加准确，保障集输安全。
最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应该理解：依然可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种集输管道选材的评判方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S100、利用正交实验法对失重法腐蚀实验进行7影响因素3水平设计，采用高温高压动态反应釜对不同材料的集输管道在7种影响因素不同取值下的运行工况进行失重法腐蚀实验；7种影响因素包括温度T、输气压力P、硫化氢含量
Figure FDA0003603182420000011
二氧化碳含量
Figure FDA0003603182420000012
二氧化硫含量
Figure FDA0003603182420000013
氧气含量
Figure FDA0003603182420000014
和氯离子浓度
Figure FDA0003603182420000015
计算各影响因素取值范围的平均值，各影响因素取值范围的最大值，最小值，平均值为各影响因素3水平的取值；
S200、基于失重法腐蚀实验得到不同材料在不同实验条件下的平均腐蚀速率，进行多项式拟合，建立不同材料的平均腐蚀速率预测模型
Figure FDA0003603182420000016
式中，a，b，c，d，e，f，g，h为常数；a，b，c，d，e，f，g，h的取值在L245NS、2Cr13、316L三种钢材中不同；不同材料的平均腐蚀速率预测模型包括L245NS钢材的平均腐蚀速率预测模型
Figure FDA0003603182420000017
；2Cr13钢材的平均腐蚀速率预测模型
Figure FDA0003603182420000018
；316L钢材的平均腐蚀速率预测模型
Figure FDA0003603182420000019
S300、利用腐蚀性能指标方程
Figure FDA0003603182420000021
计算材料的腐蚀性能指标Sv，式中，Sv为材料的腐蚀性能指标，无量纲量；vcorr为腐蚀速率，单位mm/a；v0为不同材料不同工况条件下的安全指标，取值为-0.076mm/a；
S400、通过拉伸试验机对集输管道材料进行腐蚀前后的拉伸性能测试，利用拉伸性能指标方程
Figure FDA0003603182420000022
计算腐蚀后材料的拉伸性能指标I；式中，I为拉伸性能指标，δ1为材料腐蚀后的抗拉强度，MPa；δ0为材料的标准抗拉强度，MPa；
S500、根据计算的得到的腐蚀性能指标Sv和拉伸性能指标I，当指标Sv和I中任意一项大于1时，材料不满足集输管道的要求；当指标Sv和拉伸性能指标I均小于1时，所选材料满足集输管道的要求，若存在多种材料满足集输管道的要求时，选择腐蚀性能指标Sv和拉伸性能指标I之和为最小值的材料作为集输管道材料。
2.根据权利要求1所述的一种集输管道选材的评判方法，其特征在于，所述7种影响因素的取值范围分别为温度的取值范围为60℃～180℃，压力的取值范围为0.1MPa～1.5MPa，硫化氢含量的取值范围为1000ppm～20000ppm、二氧化碳摩尔含量的取值范围为5％～60％，二氧化硫含量的取值范围为0ppm～100ppm，氧气摩尔含量的取值范围为0～3％、氯离子浓度的取值范围为0mg/L～15000mg/L。
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