压缩天然气高压储气井的腐蚀分析与新型强度校核方法的探索

admin · 发表于 2021-5-23 09:57:37

朱波1※，冯晓倩1，过宾2

1 山东省特种设备检验研究院有限公司，山东济南，250101

2 山东检易通数据科技有限公司，山东泰安，271000

摘要：压缩天然气高压储气井作为城市主要的调峰调压装置广泛的应用于国内压缩天然气加气站中。受到内外在环境的影响，储气井存在不同程度的腐蚀现象，影响了正常的运行。本文分析了高压天然气储气井内、外腐蚀机理，研究了腐蚀对于机械性能影响的原因，提出了强度校核的改进算法。

关键词：压缩天然气高压储气井，腐蚀，机械性能，强度校核，改进算法

一、前言

据统计，在2013年全国各地制造的储气井数量已经超过8,000台。高压气地下储气井作为储存压缩天然气的装置是一种新型的第三类压力容器，主要解决CNG加气站、城市燃气调峰和工业储气等问题，具有节省占地面积、建设成本低、安全性好、失效范围小、使用寿命长、管理方便、运行维护费用低等优点，故而在我国得以大量应用[1]。

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图 1 LPE-CQJ9-10/25-00储气井结构形式

高压气地下储气井主要深埋在地下50m-500m，容积为1~40m3 [2]，相较容易受到自然环境和社会环境影响的地面储气瓶组，有着明显的安全性。储气井为单腔、立式结构型式，以甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司设计的容器图号为LPE-CQJ9-10/25-00为例，由储气井、井口控制装置以及配套管道组成，整体结构如图 1所示：

二、 腐蚀原因分析

随着使用期增长，地下储气井使用中由于受到地层和存储气质等影响，不可避免的出现腐蚀[3]、裂纹等缺陷。当腐蚀现象严重时，更会出现天然气泄露的情况，从而引发安全事故。一般来说，压缩天然气地下储气井的腐蚀现象都是由腐蚀性介质所引起的，包括H2S、溶解氧、CO2、SRB等[4][5]。

1) H2S腐蚀

储气井的井筒一般采用符合API Spec 5CT标准的钢质材料，由于在储气井内部长期存在诱发其产生内腐蚀的组分，尤其是H2S的存在，在储气井的强度试验中使用清水，就会容易形成H2S与水的湿硫化氢的腐蚀环境，因此会发生腐蚀。一般认为H2S在水中发生离解：

H2S→H++HS-

HS-→H++S2-

钢在H2S水溶液中发生电化学反应，阳极反应为：

Fe→Fe2++2e-

Fe2++S2-→FeS

阴极反应为：

2H++2e-→H2↑

阴极反应产生的活性很强的氢原子渗透、扩散进入钢材内部，在夹杂物处积聚并形成氢分子，随着氢分子数量的增加，其压力不断增大，最后导致夹杂物尖端产生鼓泡，从而产生一定程度的局部腐蚀和氢致开裂。

2) 有机残留物

由于储气井深埋于地下，土壤中物质种类较多，加之长期有地下水及各种有机物的存在，从而引起高压气地下储气井的外腐蚀。硫酸盐还原菌（Sulfate Reducing Bacteria，简称SRB）是一种厌氧型微生物，对钢质材料的腐蚀为主，广泛存在于土壤、海水、河水、地下管道以及油气井等缺氧环境中[6]。SRB 腐蚀的主要机理实际上在于氢化酶，它在无氧或缺氧条件下，能够利用附着于金属表面的有机物作为碳源，并利用细菌生物膜内产生的氢，发生氧化还原反应将硫酸盐还原成硫化氢从而造成腐蚀。这种代谢过程也可以利用腐蚀原电池产生的氢，从而引起腐蚀原电池的阴极去极化，导致腐蚀加速进行[7]。

3) 碳氢化合物

在腐蚀研究理论中，碳氢化合物对地下储气井的腐蚀同样影响极大。在高压气地下储气井钻井过程中，伴随着地层的化学过程，CO2及H2S等组分也同时存在，CO2遇到地层水而反应生成碳酸，从而进一步电离产生H+，反应过程为：

CO2+H2O→H2CO3

H2CO3→H+ + HCO3-

HCO3-→H+ + CO32-

进而产生氢去极化腐蚀，阳极反应为：

Fe→Fe2++2e-

阴极反应为：

2H++2e-→H2↑

腐蚀产生的碳酸盐在储气井表面不同区域形成自催化作用极强的腐蚀电偶，从而加快了储气井的腐蚀。另外，H2S的存在使得高压气地下储气井的表面腐蚀产物及沉积物更加活跃，形成FeS沉积，从而促进了储气井的腐蚀。在氢气集中区域，储气井材料的服役拉力叠加，形成氢裂和硫化物应力腐蚀开裂。

4) 氧腐蚀

大多数人认为储气井固井段有水泥环的紧密包裹，已经起到隔绝空气的作用。然而，由于土壤透气性的差异，不同程度地存在氧气。溶解在水中的空气中的分子态氧溶解水中，对储气井筒体产生了氧化去极化腐蚀作用，使自身被还原成OH-，而金属被氧化成相应的金属阳离子。其腐蚀反应过程的阳极反应为：

Fe→Fe2++2e-

阴极反应为：

O2 + 2H2O + 4e-→4OH-

在OH-离子和Fe2+离子生成后，会各自向阳极与阴极扩散，生成的Fe2+与周围介质中OH-结合生成铁的氢氧化物，从而形成氧化腐蚀电池，从而加剧了碳氢化合物引起的腐蚀。一般来讲，腐蚀速率与溶解氧的浓度成正相关。

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图 2氧腐蚀原理图

5) 大气腐蚀

大气腐蚀主要是对暴露在大气环境中的储气井体产生的腐蚀，在化工场所、临海区域和盐碱地带尤为突出，其原因在于大气中的氧、盐粒子、二氧化碳、硫化物、氯化物等含量丰富，溶解于水汽之中附着在储气井表面形成水膜，使之形成导电性很强的电解质溶液。由于不同材料之间的连接或材料本身的偏析，在电解质溶液中就形成原电池，在腐蚀介质的作用下，加速电位较低的碳钢的腐蚀。

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图 3储气井原电池腐蚀原理图

三、 对力学性能的影响

储气井的腐蚀一般都是由一个锈蚀点出现，再逐步扩散发展的。腐蚀程度不一样，其形态也不尽相同。当受到腐蚀比较轻时，其表面会出现大量的斑迹，对于斑迹不深的腐蚀，可认为是均匀腐蚀。当腐蚀程度进一步加剧时，锈斑就会逐渐加重并最终出现锈坑，通常使表面受到的腐蚀程度就更为明显，且锈坑的大小以及深浅出现差异。

材料的屈服载荷和极限载荷与最小剩余截面积有关，而最小剩余截面积取决于腐蚀的宽度和深度。在腐蚀的作用下，坑点周围的应力会在受力的情况下出现集中现象，造成受力能力减弱。随着腐蚀程度的不断加剧，受到的应力分布也变得越不均匀，受腐蚀部位的应力会明显增大，因此腐蚀部位更为容易受到损伤。

四、储气井的强度校核

（1）强度校核的一般原则

对腐蚀深度超过腐蚀裕量、名义厚度不明、结构不合理、或者检验人员对强度有怀疑的储气井，应进行强度校核。强度校核的有关原则:

a)原设计已明确所用强度设计标准的，可按照该标准进行强度校核；

b)剩余壁厚按照实测壁厚最小值减去至下次检验日期的腐蚀量，作为强度校核的壁厚；

c)校核用压力应为储气井允许使用压力；

d)强度校核时的井筒壁温取设计温度或者操作温度。

（2）储气井基本材料属性

高压地下储气井井筒的常用材料主要有N80，N80Q以及P110材质，其参数如下表所示。

类型	外径值 mm	公称厚度 mm	屈服强度 MPa	抗拉强度 MPa
N80	177.8	10.36	552	689
N80Q	244.48	11.99	552	689
P110	244.48	11.05	758	862

（3）壁厚校核选用标准

储气井壁厚校核包括静强度和疲劳强度校核两部分，所涉及的标准及用途如下表所示：

标准号	标准名称	用途
GB/T 19830-2011	《石油天然气工业油气井套管或油管用钢管》	用以套管和井筒材料的屈服强度和抗拉强度等力学参数的查询
JB4732-1995 （2005确认）	《钢制压力容器-分析设计标准》	指导材料的许用应力值的选取和查询材料的S-N曲线
API Spec 5CT-2005	《套管和油管规范(中文)》	油气井套或油管用钢管的基本要求
SY/ 6535-2002	《高压气地下储气井》	查询材料的疲劳循环次数
TSG 21-2016	《固定式压力容器安全技术监察规程》	指导压力容器的检验检测和压力试验

（4）常规壁厚强度校核思路

l 强度校核的基本流程：

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图 4 传统强度校核流程图

l 静强度校核的基本步骤

1) 确定许用应力：

查GB/T 19830-2011《石油天然气工业油气井套管或油管用钢管》，查找材料的屈服强度file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps13.png和抗拉强度file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps14.pngfile:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps15.png，参照JB 4732-1995（2005确认），确定该材料类型储气井的许用应力：

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps16.pngfile:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps17.png=min(file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps18.pngfile:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps19.png/1.5，file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps20.pngfile:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps21.png/2.6)

2) 计算腐蚀速率：

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps22.png

其中file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps23.png是腐蚀速率，mm/a；file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps24.png是上次检测最小壁厚值，若为首次检验，则为公称壁厚值，mm；file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps25.png是实测最小壁厚值，mm；file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps26.png是距离上次检测的时间间隔，a。

3) 预计剩余壁厚：

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps27.png

其中file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps28.png是计算剩余壁厚值，mm；file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps29.png是预计的下次检验周期，a。

4) 计算静应力值：

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps30.pngfile:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps31.png

其中file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps32.png是应力值，MPa; file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps33.png是最高工作压力，MPa; file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps34.png为储气井内径，mm。

5) 判断：

若file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps35.pngfile:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps36.png，套管剩余壁厚强度满足使用要求。

l 筒体疲劳强度校核

1) 定义压力循环范围：一般选用10MPa ~最大静应力。

2) 在高、低压工况内压下，计算筒体应力：

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps37.pngfile:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps38.png

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps39.png

3) 计算应力强度幅值：

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps40.pngfile:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps41.png

4) 疲劳强度判断：

参照SY/T 6535-2002选取疲劳循环次数（使用时间）进行校验，查JB4732-95（2005确认）标准附录C中对应的S-N曲线（从保守角度出发，取标准中的图C-4及表C-l）。查询对应的疲劳强度file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps42.png，若计算应力强度file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps43.pngfile:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps44.png，即筒体剩余壁厚的疲劳强度满足使用要求，反之亦然。

l 计算方法的缺点

壁厚的强度校核需要检验人员定义检验周期file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps45.png和最高工作压力file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps46.png两个参数，需要检验人员不断调整数据并进行迭代计算，难以实现一次性无误计算，降低了现场检验效率。同时，对于建站多年并未运行的储气井的壁厚强度校核存在较大的误差，需要人为设定修正系数，降低了数据的真实性和可靠性。

（5）新型壁厚强度校核思路

新型壁厚强度校核方法使用闭环设计思路，仅需要检验人员定义检验周期file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps47.png或最高工作压力file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps48.png其中一个参数，在满足相关标准和计算公式的条件下，给出该状态下的最大输出值。当检验员对结果存有怀疑时，检验人员可以根据储气井的使用情况和健康状态对计算值进行修正，最终输出相关的参数信息并现场出具报表。该方法不仅仅提高了计算效率而且降低了计算的误差。设计流程图如下：

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图 5新型强度校核方法流程图

l 定义最大工作压力，输出最长运行时间

1) 满足条件静应力校核条件

定义最大工作压力P，计算静应力为极限值file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps50.png，此时最大剩余壁厚值可通过计算：

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps51.png

剩余壁厚file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps52.png为：

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps53.png

剩余壁厚file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps54.png也等于：

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps55.png

由此下次检验周期T为：

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps56.png

2) 满足循环应力校核条件

定义最大工作压力P，计算循环应力为极限值file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps57.png，此时最大剩余壁厚可通过下式计算：

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps58.png

剩余壁厚file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps59.png：

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps60.png

剩余壁厚file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps61.png也等于：

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps62.png

由此下次检验周期T为：

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps63.png

时间T应选取该两种校核条件下的最小值。

l 输入最长运行时间，输出最大工作压力

1) 满足条件静应力校核条件

当确定最长运行时间T确定，则最大压力应满足静应力公式：

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps64.png

此时最大压力P为：

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps65.png

2) 满足循环应力校核条件

当最长运行时间T确定，则最大压力应满足循环应力公式：

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps66.png

其中应力公式为：

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps67.png

故应力幅值也可以表示为：

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps68.png

整理公式，最大压力值P为：

file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps69.png

压力P应选取该两种校核条件下的最小值。

l 人为修正数据

此时运算与传统方式基本一致，但是定义检验周期 file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps70.png 和最高工作压力file:///C:\Users\HUAWEI\AppData\Local\Temp\ksohtml7776\wps71.png值要小于输入值。

五、结论

本文根据储气井的常见形式分析了储气井腐蚀的形式，并研究了由于材料腐蚀造成力学性能下降的原因。同时根据现阶段常规的强度校核方式，提出了“闭环”的强度校核思路，简化了强度计算流程，提高了计算效率，为储气井强度校核信息化软件的开发提供了基础的算法支撑。

参考文献：

[1]. 陈耀华，李文波，陈祖志，高压气地下储气井固井质量不合格原因分析，西部探矿工程，2019年第2期，P73-75.

[2]. 付寿刚，何贵龙，刘建海等，高压储气井在压缩天然气供气站的应用，煤气与热力，2004,24（5）：251-253.

[3]. 杜兴吉，凌张伟，郭伟灿，缪存坚，储气井超声波相控阵自动检测系统的研制，焊管，2018，Vol.41,No.07.P32-P35.

[4]. 郇宜涛，分析压缩天然气加气站地下储气井的腐蚀与防护，智能制造，Digital Space P.213.

[5]. 杨冲伟，董事尔，翁应彬，彭雪锋，高压气地下储气井的腐蚀机理研究，煤气与热力，2010，Vol.30, No.3，B16-B19.

[6]. TATNALL R E, STANTON K M, EBERSOLE R C. Test for the presence of sulfate-reducing bacteria [J]．General Interest, 1988,27(8):71-80.

[7]. IVERSON W P. Research on the mechanisms of anaerobic corrosion [J]. International Biodeterioration and Biodegradation, 2001, (47):63-70.