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中心；

2.3.中國石油高含硫氣藏開采先導實驗基地； 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返排至地面集輸系統并高速沖刷彎頭和閥門，極易造成集輸系統短時間穿孔失效，給頁巖氣高效開采帶來了嚴重的安全隱患。通過實驗室模擬頁巖氣現場工況，研究了不同含砂量、不同介質流速、不同沖擊攻角條件下管道材料的損傷行為，為液固介質高速沖刷條件下管道腐蝕與防護提供了參考依據和技術指導。

關鍵詞：頁巖氣；金屬材料；沖刷腐蝕；損傷機理

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7×10 4～9×10 4 m3，加砂量達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返排至地面集輸系統并高速沖刷彎頭和閥門，最高流速超過15 m/s，極易造成集輸系統短時間穿孔失效，給頁巖氣高效開采帶來了嚴重的安全隱患。由于生產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，對管道損傷的預測和防護造成很大困難。因此，研究不同條件下管道材料的損傷行為規律，對管道安全運行與腐蝕防護有很重要的工程意義。

1 實驗設備及條件

實驗在液固兩相流噴射式沖刷腐蝕實驗機上進行。實驗前，根據現場工況通入一定量的CO2后注入N2，保證液體中沒有O2存在，避免O2對實驗過程產生影響[1]，如圖 1所示。

實驗用噴嘴直徑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，實驗條件如表 1所示，分別考察不同含砂量、不同介質流速、不同沖擊攻角對材料沖刷腐蝕的影響。

實驗材料為頁巖氣常用的L360N碳鋼，成分如表 2所示。實驗所需試樣加工后尺寸如圖 2所示。實驗前，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，每個條件的實驗至少重復三次，保證實驗數據的可靠性和代表性。

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

2 實驗結果及討論

2.1 含砂量的影響機制

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域，因此為了計算材料的減薄速率，近似地認為失重全部來自于該沖蝕面積內。實際上其他區域的損傷也貢獻了失重，所以真實的減薄速率比近似的計算值要低。后續計算不同流速及攻角條件的減薄速率時，采用相同的方法計算沖蝕面積[3]，碳鋼密度按7.82 g/cm3計。

90°攻角和8 m/s流速沖蝕條件下含砂量與沖蝕損傷之間的關系曲線如圖 4所示。由圖 4可知，所有含砂量條件下，沖蝕失重均隨時間的延長而逐漸增加。在實驗初期（約60 min），幾種含砂量條件下的沖蝕失重增長趨勢基本相同。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驗240 min后的累積失重進行對比，如圖 5所示。整體趨勢可以分為兩類，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，但整體較小。當含砂量增大到7 wt%時，沖蝕失重迅速上升，年腐蝕速率達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 含砂濃度低于該臨界值時，沖蝕損傷較小，一旦超過該臨界值，損傷量將急劇增大。

2.2 流速的影響機制

5 wt%含砂量、 90°攻角條件下，流速對沖蝕損傷的影響規律如圖 6所示。 4個沖擊速度下，材料失重均隨沖蝕時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。可以明顯地看出，液體流速5～18 m/s范圍內，實驗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。沖蝕相同時間內（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 攻角的影響機制

如圖 8、圖 9、圖 10所示，當攻角為30°時，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，損傷最嚴重。犁溝邊緣有明顯的材料變形堆積現象，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 漸轉變成沖擊坑型。如上這種損傷形貌特征的轉變，意味著不同的磨損機理。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間更長。因此，當攻角變大，正應力明顯減小時，材料表面的沖蝕損傷也就變弱，導致樣品的質量損失減小[4]。此外，沖擊角度對于材料質量損失的影響還要依賴于材料的屬性。對于塑性材料而言，小攻角會造成較高的質量損失，這是因為在小攻角時，顆粒對材料的剪切作用占了主導地位。

3 結論

通過實驗室模擬頁巖氣現場工況，研究了不同含砂量、不同介質流速、不同沖擊攻角條件下管道材料的損傷行為，結果表明：

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

（2）液體流速5～18 m/s范圍內， 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，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：

[1] X. hu, A. neville. The electrochemical response ofstainless steels in liquid–solid impingement[J]. Wear,2005(258): 0-641.

[2] Jiang Xu, Chengzhi Zhuo, Dezhong Han. Erosion–corrosion behavior of nano-particle-reinforced Nimatrix composite alloying layer by duplex surfacetreatment in aqueous slurry environment[J]. CorrosionScience, 2009(51): 1045-1055.

[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間沖蝕的實驗研究[J]. 工程熱物理學報，2018(01)： 361-365.

作者簡介：謝明，男， 1989年生，工程師。現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工作。聯系方式： 15202857308， xie_ming@petrochina.com.cn。