Требуется определить давление в любой точке на расстоянии Хот начала газопровода.
Записав по формуле (138) для двух участков газопровода (от его начала до т. Х и от т. Х до конца газопровода) массовые расходы газа и, учитывая постоянство расхода по длине газопровода, приравняем правые части уравнения, получим:
, (156)
Откуда . (157)
Отсюда следует, что давление по длине газопровода уменьшается по параболическому закону (рис.32). Из характера кривой вытекает, что по длине газопровода градиент давления постепенно увеличивается, т.е. гидравлический уклон не является постоянным.
В начале газопровода, когда давление и плотность газа высокие, а удельный объем газа () мал, потери давления в газопроводе незначительны, т.е. градиенты давления малы. По мере удаления газа от начала трубопровода давление падает, а удельный объем газа увеличивается, что приводит к увеличению скорости движения газа и, соответственно, росту потерь давления на трение, пропорциональных квадрату скорости (уравнение Дарси-Вейсбаха).
Т.к. в газопроводах закон падения давления по длине имеет нелинейный характер, то среднее давление определяется как среднеинтегральное (148).
7.2 Расчет сложного газопровода
Сборный коллектор газа большой протяженности (рис.31) представляет собой сложный газопровод: к нему подключено несколько газовых линий от групповых замерных установок. Данный коллектор необходимо прокладывать с изменяющимся диаметром. Диаметры отдельных участков определяют исходя из количества проходящего по ним газа.
Таким образом, при расчете сложных газопроводов их следует разбивать на отдельные участки, равные промежуткам между подключениями к данному газопроводу других газопроводов. Каждый такой участок рассчитывают как простой газопровод. Потеря давления на всем протяжении газопровода будет равна сумме потерь давлений на всех участках. Тогда давление в конечной точке газопровода можно определить по формуле:
, (158)
где Рк, РН - соответственно конечное и начальное давления, н/м2;
vn - расходы газа на отдельных участках, млн. м3/сут;
ln - длины отдельных участков, м;
К - коэффициент, равный 0.0343/;
n - число участков;
dк - диаметр конечного участка.
8. Внутренняя коррозия трубопроводов
нефтяной эмульсия скважина коррозия
Ежегодно на нефтепромысловых трубопроводах происходит около 50-70 тыс. отказов. 90% отказов являются следствием коррозионных повреждений. Из общего числа аварий 50-55% приходится на долю систем нефтесбора и 30-35% - на долю коммуникаций поддержания пластового давления.
42% труб не выдерживают пятилетней эксплуатации, а 17% -даже двух лет. На ежегодную замену нефтепромысловых сетей расходуется 7-8 тыс. км труб или 400-500 тыс. тонн стали.
В чем же причина и каков механизм процесса внутренней коррозии трубопроводов, транспортирующих нефть и воду?
8.1 Теоретические основы процесса электрохимической коррозии металлов
Коррозия - это разрушение металлов в результате химического или электрохимического воздействия окружающей среды, это окислительно-восстановительный гетерогенный процесс, происходящий на поверхности раздела фаз.
Хотя механизм коррозии в разных условиях различен, по виду разрушения поверхности металла различают:
Равномерную или общую коррозию, т.е. равномерно распределенную по поверхности металла. Пример: ржавление железа, потускнение серебра.
Местную или локальную коррозию, т.е. сосредоточенную на отдельных участках поверхности. Местная коррозия бывает различных видов:
В виде пятен - поражение распространяется сравнительно неглубоко и занимает относительно большие участки поверхности;
В виде язв - глубокие поражения локализуются на небольших участках поверхности;
В виде точек (питтинговая) - размеры еще меньше язвенных разъеданий.
Межкристаллитную коррозию - характеризующуюся разрушением металла по границам кристаллитов (зерен металла). Процесс протекает быстро, глубоко и вызывает катастрофическое разрушение.
Избирательную коррозию - избирательно растворяется один или несколько компонентов сплава, после чего остается пористый остаток, который сохраняет первоначальную форму и кажется неповрежденным.
Коррозионное растрескивание происходит, если металл подвергается постоянному растягивающему напряжению в коррозионной среде. КР может быть вызвано абсорбцией водорода, образовавшегося в процессе коррозии.
По механизму протекания различают химическую и электрохимическую коррозию.
Химическая коррозия характерна для сред не проводящих электрический ток.
Коррозия стали в водной среде происходит вследствие протекания электрохимических реакций, т.е. реакций сопровождающихся протеканием электрического тока. Скорость коррозии при этом возрастает.
Электрохимическая коррозия возникает в результате работы множества макро- или микрогальванопар в металле, соприкасающемся с электролитом.
Причины возникновения гальванических пар в металлах:
Соприкосновение двух разнородных металлов;
Наличие в металле примесей;
Наличие участков с различным кристаллическим строением;
Образование пор в окисной пленке;
Наличие участков с различной механической нагрузкой;
Наличие участков с неравномерным доступом активных компонентов внешней среды, например, воздуха, и, таким образом, образуются гальванические элементы, микропары, то есть образуются анодные и катодные участки. Анодом является металл с более высоким отрицательным потенциалом, катодом является металл с меньшим потенциалом. Между ними возникает электрический ток.
Процесс коррозии можно представить следующим образом.
На аноде: (реакция окисления)
Fe - 2 e Fe 2+ (1)
На анодных участках атомы железа переходят в раствор в виде гидратированных катионов Fe 2+, то есть происходит анодное растворение металла и процесс коррозии распространяется вглубь металла.
Оставшиеся свободные электроны перемещаются по металлу к катодным участкам.
На катоде: (реакция восстановления)
2 Н+ + 2 e 2 Нaдс. (2)
При рН < 4,3 происходит разряд всегда присутствующих в воде ионов водорода и образование атомов водорода с последующим образованием молекулярного водорода:
Н + Н Н2 . (3)
При рН > 4,3 доминирует взаимодействие электронов с кислородом, растворенным в воде:
О2 + 2 Н2О + 4 е 4 ОН-- (4)
Катионы Fe 2+ и ионы ОН-- взаимодействуют с образованием закиси Fe:
Fe2+ + 2 OH-- Fe(OH)2. (5)
если в воде достаточно свободного кислорода, закись Fe может окислиться до гидрата окиси Fe:
4Fe(OH)2 + О2 + 2 Н2О 4Fe(OH)3 , (6)
который выпадает в виде осадка.
Итак, в результате протекания электрического тока анод разрушается: частицы металла в виде ионов Fe 2+ переходят в воду или эмульсионный поток. Анод, разрушаясь, образует в трубе свищ.
Рассмотрим, от каких факторов зависит скорость коррозии.
8.1.1 Факторы коррозионного разрушения трубопроводов
1. Температура и рН воды
Можно выделить 3 зоны:
1) рН < 4,3 . Скорость коррозии чрезвычайно быстро возрастает с понижением рН. (Сильнокислая среда).
2) 4,3 < рН < 9-10. Скорость коррозии мало зависит от рН.
3) 9-10 < рН < 13. Скорость коррозии убывает с ростом рН и коррозия практически прекращается при рН = 13. (Сильнощелочная среда).
В первой зоне на катоде протекает реакция разряда ионов водорода и образование молекулярного водорода (реакции 2,3); во второй и третьей зоне - идет реакция образования ионов гидроксила ОН-- (реакция 4).
Повышение температуры ускоряет анодные и катодные процессы, так как увеличивает скорость движения ионов, а, следовательно, и скорость коррозии.
2. Содержание кислорода в воде
Как было отмечено выше, железо труб подвергается интенсивной коррозии в кислой среде при рН < 4,3 и практически не корродирует при рН > 4,3, если в воде отсутствует растворенный кислород.
Если в воде есть растворенный кислород, то коррозия железа будет идти и в кислой, и в щелочной среде.
3. Парциальное давления СО2
Огромное влияние на разрушение металла труб коррозией оказывает свободная углекислота (СО2), содержащаяся в пластовых водах. Известно, что при одинаковом рН коррозия в углекислотной среде протекает более интенсивно, чем в растворах сильных кислот .
На основании исследований установлено, что системы с РСО2 0,02 МПа считаются коррозионно-неопасными, при 0,2 РСО2 0,02 - возможны средние скорости коррозии, а при РСО2> 0,2 МПа - среда является высококоррозивной.
Объяснение влияния СО2 на коррозионную активность среды связано с формами нахождения СО2 в водных растворах. Это:
- растворенный газ СО2;
- недиссоциированные молекулы Н2СО3;
- бикарбонат ионы НСО3-;
- карбонат-ионы СО32-.
В равновесных условиях соблюдается баланс между всеми формами:
СО2 + Н2О Н2СО3 Н+ + НСО3- 2Н+ + СО32- . (7)
СО2 может влиять по двум причинам:
1. Молекулы Н2СО3 непосредственно участвуют в катодном процессе :
H2CO3 + e Надс + HCO3- (8)
2. Катодному восстановлению подвергается бикарбонат-ион:
2НСО3- + 2e Н2 + СО32- (9)
3. Н2СО3 играет роль буфера и поставляет ионы водорода Н+ по мере их расходования в катодной реакции (2):
H2CO3 H+ + HCO3- (10)
При взаимодействии Fe2+ c НСО3- или Н2СО3 образуется осадок карбоната железа FeСО3:
Fe2+ + HCO3 - FeCO3 + H+ (11)
Fe2+ + H2CO3 FeCO3 + 2H+ (12)
Все исследователи обращают внимание на огромное влияние продуктов коррозии железа на скорость процесса коррозии.
4FeCO3 + O2 2Fe2O3 + 4CO2 (13)
Эти осадки являются полупроницаемыми для коррозионно-агрессивных компонентов среды и замедляют скорость разрушения металла.
Таким образом, можно выделить две характерные особенности действия диоксида углерода.
1. Увеличение выделения водорода на катоде.
2. Образование карбонатно-оксидных пленок на поверхности металла.
Минерализация воды
Растворенные в воде соли являются электролитами, поэтому увеличение их концентрации до определенного предела повысит электропроводность среды и, следовательно, ускорит процесс коррозии.
Уменьшение скорости коррозии связано с тем, что:
1) уменьшается растворимость газов, СО2 и О2, в воде;
2) возрастает вязкость воды, а, следовательно, затрудняется диффузия, подвод кислорода к поверхности трубы (к катодным участкам, реакция 4).
5. Давление
Повышение давления увеличивает процесс гидролиза солей и увеличивает растворимость СО2. (Для предсказания последствий - см. пп. 3 и 4).
6. Структурная форма потока
Относительные скорости течения фаз (газа и жидкости) в газожидкостных смесях (ГЖС) в сочетании с их физическими свойствами (плотностью, вязкостью, поверхностным натяжением и т.д.) и размерами и положением в пространстве трубопровода определяют формирующиеся в них структуры двухфазных (многофазных) потоков. Можно выделить семь основных структур: пузырьковая, пробковая, расслоенная, волновая, снарядная, кольцевая и дисперсная.
Каждая структура ГЖС влияет на характер коррозионного процесса.
Вопрос о связи коррозионных процессов в трубопроводах со структурами потоков, транспортируемых по ним ГЖС, всегда интересовал и продолжает интересовать специалистов по коррозии. Имеющаяся информация о связи структур течения ГЖС с коррозией является еще недостаточно полной.
Но тем не менее известно, например, что кольцевая (дисперсно-кольцевая) структура ГЖС снижает интенсивность коррозии трубопровода; снарядная (пробково-диспергированная) может способствовать коррозионно-эрозионному износу трубопровода по нижней образующей трубы на восходящих участках трассы, а расслоенная (плавная расслоенная) - развитию общей и питтинговой корозии в зоне нижней образующей трубы и в, так называемых, "ловушках" жидкости (особенно при выделении соленой воды в отдельную фазу).
Биокоррозия, коррозия под действием микроорганизмов.
С этой точки зрения имеют значение сульфат-восстанавливающие анаэробные бактерии (восстанавливают сульфаты до сульфидов), обычно обитающие в сточных водах, нефтяных скважинах и продуктивных горизонтах.
В результате деятельности сульфат-восстанавливающих образуется сероводород Н2S, который хорошо растворяется в нефти и в дальнейшем взаимодействует с железом, образуя сульфид железа, выпадающий в осадок:
Fe + H2S FeS + H2 (14)
Под влиянием Н2S изменяется смачиваемость поверхности металла, поверхность становится гидрофильной, то есть легко смачивается водой, и на поверхности трубопровода образуется тонкий слой электролита, в котором и происходит накопление осадка сульфида железа FeS.
Сульфид железа является стимулятором коррозии, так как участвует в образовании гальванической микропары Fe - FeS, в которой является катодом (то есть разрушаться будет Fe как анод).
Некоторые ионы, например ионы хлора, активируют металлы. Причиной активирующей способности ионов хлора является его высокая адсорбируемость на металле. Хлор-ионы вытесняют пассиваторы с поверхности металла, способствуют растворению пассивирующих пленок и облегчают переход ионов металла в раствор. Особенно большое влияние ионы хлора оказывают на растворение железа, хрома, никеля, нержавеющей стали, алюминия.