謝明1,2,3 吳貴陽1,2,3 賴俊西4

1.中國石油西南油氣田分公司天然氣研究院； 2.國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心；

2.3.中國石油高含硫氣藏開采先導(dǎo)實(shí)驗(yàn)基地； 4.中國石化西南石油局有限公司

摘要：我國頁巖氣開采普遍使用水力加砂壓裂工藝，頁巖氣采輸過程中，注入井底的石英砂隨氣液介質(zhì)返排至地面集輸系統(tǒng)并高速?zèng)_刷彎頭和閥門，極易造成集輸系統(tǒng)短時(shí)間穿孔失效，給頁巖氣高效開采帶來了嚴(yán)重的安全隱患。通過實(shí)驗(yàn)室模擬頁巖氣現(xiàn)場(chǎng)工況，研究了不同含砂量、不同介質(zhì)流速、不同沖擊攻角條件下管道材料的損傷行為，為液固介質(zhì)高速?zèng)_刷條件下管道腐蝕與防護(hù)提供了參考依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：頁巖氣；金屬材料；沖刷腐蝕；損傷機(jī)理

我國頁巖氣開采普遍使用水力加砂壓裂工藝，單井加液量達(dá)7×10 4～9×10 4 m3，加砂量達(dá)5×103～7×103 t。水力加砂壓裂完畢后，頁巖氣采輸過程中，注入井底的石英砂隨氣液介質(zhì)返排至地面集輸系統(tǒng)并高速?zèng)_刷彎頭和閥門，最高流速超過15 m/s，極易造成集輸系統(tǒng)短時(shí)間穿孔失效，給頁巖氣高效開采帶來了嚴(yán)重的安全隱患。由于生產(chǎn)工況和管道類型的不同，造成沖蝕速度、沖擊角度及含砂量等條件變化很大，對(duì)管道損傷的預(yù)測(cè)和防護(hù)造成很大困難。因此，研究不同條件下管道材料的損傷行為規(guī)律，對(duì)管道安全運(yùn)行與腐蝕防護(hù)有很重要的工程意義。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及條件

實(shí)驗(yàn)在液固兩相流噴射式?jīng)_刷腐蝕實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)前，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況通入一定量的CO2后注入N2，保證液體中沒有O2存在，避免O2對(duì)實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生影響[1]，如圖 1所示。

實(shí)驗(yàn)用噴嘴直徑3 mm，噴嘴出口和試樣表面 間的垂直間距為3 mm。噴射出口速度通過變頻器控制，實(shí)驗(yàn)條件如表 1所示，分別考察不同含砂量、不同介質(zhì)流速、不同沖擊攻角對(duì)材料沖刷腐蝕的影響。

實(shí)驗(yàn)材料為頁巖氣常用的L360N碳鋼，成分如表 2所示。實(shí)驗(yàn)所需試樣加工后尺寸如圖 2所示。實(shí)驗(yàn)前，試樣表面采用石英砂紙依次水磨到800#，酒精清洗吹干后備用[2]。試樣失重采用精度為0.1 mg的分析天平稱量，每個(gè)條件的實(shí)驗(yàn)至少重復(fù)三次，保證實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性和代表性。

采用 H R B W 測(cè)試材料的硬度 ， 測(cè)量值分別為73.19、 73.26、 73.31，故材料平均硬度為73.25 HRBW。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 含砂量的影響機(jī)制

正攻角90°條件下試樣表面的沖蝕宏觀形貌如圖 3所示。由于沖蝕損傷，射流在材料表面形成一個(gè)圓形的蝕坑。同一攻角不同流速條件下沖蝕坑的面積近似相同。材料失重大多集中在該損傷區(qū)域，因此為了計(jì)算材料的減薄速率，近似地認(rèn)為失重全部來自于該沖蝕面積內(nèi)。實(shí)際上其他區(qū)域的損傷也貢獻(xiàn)了失重，所以真實(shí)的減薄速率比近似的計(jì)算值要低。后續(xù)計(jì)算不同流速及攻角條件的減薄速率時(shí)，采用相同的方法計(jì)算沖蝕面積[3]，碳鋼密度按7.82 g/cm3計(jì)。

90°攻角和8 m/s流速?zèng)_蝕條件下含砂量與沖蝕損傷之間的關(guān)系曲線如圖 4所示。由圖 4可知，所有含砂量條件下，沖蝕失重均隨時(shí)間的延長而逐漸增加。在實(shí)驗(yàn)初期（約60 min），幾種含砂量條件下的沖蝕失重增長趨勢(shì)基本相同。之后高含砂濃度條件下的失重逐漸高于其他濃度。將不同含砂量條件下實(shí)驗(yàn)240 min后的累積失重進(jìn)行對(duì)比，如圖 5所示。整體趨勢(shì)可以分為兩類，低含砂量條件下（1 wt%～5 wt%），累積失重隨含砂量變化雖有波動(dòng)，但整體較小。當(dāng)含砂量增大到7 wt%時(shí)，沖蝕失重迅速上升，年腐蝕速率達(dá)48 mm/a。由此可以推知，在5 wt%～7 wt%之間存在一臨界含砂濃度，當(dāng) 含砂濃度低于該臨界值時(shí)，沖蝕損傷較小，一旦超過該臨界值，損傷量將急劇增大。

2.2 流速的影響機(jī)制

5 wt%含砂量、 90°攻角條件下，流速對(duì)沖蝕損傷的影響規(guī)律如圖 6所示。 4個(gè)沖擊速度下，材料失重均隨沖蝕時(shí)間的延長基本呈線性增長，只是增長的速率不同。高流速條件下的失重大于低流速條件下的失重。 240 min沖蝕累積失重隨沖蝕速度的變化曲線如圖 7所示�？梢悦黠@地看出，液體流速5～18 m/s范圍內(nèi)，實(shí)驗(yàn)終了的累積失重隨沖蝕速度的增大而增大，基本呈線性增長。沖蝕相同時(shí)間內(nèi)（240 min），5 m/s條件下的腐蝕損傷速率為32 mm/a， 18 m/s條件下的累積失重約是5 m/s條件下的2.4倍。

2.3 攻角的影響機(jī)制

如圖 8、圖 9、圖 10所示，當(dāng)攻角為30°時(shí)，砂粒犁削材料表面的劃痕最長，劃痕沿流體沖刷的方向性最明顯，損傷最嚴(yán)重。犁溝邊緣有明顯的材料變形堆積現(xiàn)象，呈典型的塑性變形特征。隨著攻角的逐漸增大，犁削型劃痕的長度逐漸縮短，損傷由犁溝型逐 漸轉(zhuǎn)變成沖擊坑型。如上這種損傷形貌特征的轉(zhuǎn)變，意味著不同的磨損機(jī)理。只要沖擊角度小于90°，就存在一定的犁削作用。即使在較小的流速下，液固兩相流中較小的顆粒也能夠造成材料表面的磨損，但相比高流速而言，造成相同損傷量的時(shí)間更長。因此，當(dāng)攻角變大，正應(yīng)力明顯減小時(shí)，材料表面的沖蝕損傷也就變?nèi)�，�?dǎo)致樣品的質(zhì)量損失減小[4]。此外，沖擊角度對(duì)于材料質(zhì)量損失的影響還要依賴于材料的屬性。對(duì)于塑性材料而言，小攻角會(huì)造成較高的質(zhì)量損失，這是因?yàn)樵谛」ソ菚r(shí)，顆粒對(duì)材料的剪切作用占了主導(dǎo)地位。

3 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)室模擬頁巖氣現(xiàn)場(chǎng)工況，研究了不同含砂量、不同介質(zhì)流速、不同沖擊攻角條件下管道材料的損傷行為，結(jié)果表明：

（1）低含砂量條件下（1 wt%～5 wt%），含砂濃度對(duì)累積失重的變化影響不大。當(dāng)含砂量增大到7 wt%時(shí)，沖蝕失重迅速上升。

（2）液體流速5～18 m/s范圍內(nèi)， 90°攻角、5 wt%含砂量條件下的沖蝕損傷隨流速的增加近似呈線性增加。 5 m/s條件下的腐蝕損傷速率為32 mm/a，18 m/s條件下是5 m/s條件下的2.4倍；

（3）攻角在30°～90°范圍內(nèi)，液體流速8 m/s、5 wt%含砂量條件下30°攻角的損傷最大， 60°攻角的損傷最小。

參考文獻(xiàn)：

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[3] G.a. Zhang, L.y. Xu, Y.f. Cheng. Investigation oferosion–corrosion of 3003 aluminum alloy in ethyleneglycol–water solution by impingement jet system[J].Corrosion Science, 2009(51): 0-283.

[4]  趙彥琳，柳灝，姬忠禮. 316不銹鋼在含砂兩相射流中長時(shí)間沖蝕的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào)，2018(01)： 361-365.

作者簡介：謝明，男， 1989年生，工程師�，F(xiàn)就職于中國石油西南油氣田分公司天然氣研究院，主要從事頁巖氣腐蝕與防護(hù)工作。聯(lián)系方式： 15202857308， xie_ming@petrochina.com.cn。