某油田低壓集輸管線腐蝕穿孔失效分析

譚川江，蔣 宏，張 麗，史繼文

（塔里木油田公司，庫(kù)爾勒841000）

1 概況

某油田低壓集輸管線，于2011年1月投運(yùn)，材質(zhì)為20號(hào)鋼，規(guī)格為φ219mm×6mm，輸送介質(zhì)為油氣水，設(shè)計(jì)壓力為2.5MPa，2012年8月該管線彎頭6點(diǎn)鐘方向發(fā)生穿孔泄漏，使用時(shí)間僅約為1.5a，鑒于該管線使用時(shí)間短、泄漏嚴(yán)重等情況，具有典型性，于是對(duì)該管段進(jìn)行失效性分析，找到腐蝕穿孔的原因，并采取有效措施，防止類似穿孔事件的發(fā)生。

圖1 低壓集輸管線穿孔現(xiàn)場(chǎng)照片F(xiàn)ig.1 The perforated scene photos of low pressure gathering pipeline

2 失效分析

根據(jù)管道腐蝕情況及外觀形貌，切割樣品，分別從宏觀表面、管材化學(xué)成分、金相組織、XRD、微觀形貌及能譜等方面，對(duì)管件進(jìn)行失效原因分析。

2.1 宏觀分析

清洗管件表面，外表面有黑色涂層包覆，有1處直徑為5mm孔，外壁其余部分未見明顯腐蝕。將管件沿縱向剖開，可以看到沿穿孔處縱向軸線連續(xù)分布有4個(gè)大小不一的條狀腐蝕坑，其中最大腐蝕坑長(zhǎng)度為5cm，寬度為2.8cm，腐蝕坑中部發(fā)生穿孔，從腐蝕坑形貌判斷，穿孔為內(nèi)壁腐蝕引起，見圖2。

2.2 化學(xué)成分分析

從管件上取樣，按照GB／T 4336－2002標(biāo)準(zhǔn)，用ARL 4460直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

通過(guò)比對(duì)各化學(xué)元素成分的含量，表明管件材料的化學(xué)成分符合GB／T 699－1999標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)20號(hào)鋼的要求。

圖2 送檢樣品外觀（圓圈所指處為穿孔）Fig.2 The exterior of the failed pipe

2.3 金相分析

在管件腐蝕穿孔處和無(wú)明顯腐蝕處分別取樣，依據(jù) GB／T 13298－1991、GB／T 6394－2002和GB／T 10561－2005標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)樣品的金相組織及非金屬夾雜物進(jìn)行了分析，樣品金相組織見圖3。

分析結(jié)果表明，無(wú)明顯腐蝕部位樣品金相組織為鐵素體＋珠光體（F＋P），晶粒度等級(jí)8.0級(jí)，穿孔處及其附近部位樣品金相組織為球化了“珠光體＋鐵素體”（P球化＋F），晶粒度等級(jí)無(wú)法評(píng)定，樣品的非金屬夾雜物均為 A0.5，B0.5，D0.5。鑒于穿孔處附近樣品與基體存在不同金相組織，對(duì)該管件腐蝕坑（未穿孔）部位金相組織進(jìn)行復(fù)檢，復(fù)檢結(jié)果為鐵素體＋珠光體（F＋P）。

2.4 微觀形貌及能譜分析

在穿孔處和未穿孔腐蝕坑處取樣，經(jīng)過(guò)清洗后，進(jìn)行掃描電鏡及能譜分析。腐蝕坑內(nèi)附著疏松厚實(shí)的腐蝕產(chǎn)物，腐蝕坑微觀形貌見圖4。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果Tab.1 Results of chemical composition analysis %

圖3 各樣品金相組織Fig.3 Microstructure of each sample

能譜分析表明除去泥漿中硅、氧、鈣等元素外，腐蝕坑內(nèi)還含有硅和氯元素，其中腐蝕坑底部硫元素含量很高，說(shuō)明腐蝕產(chǎn)物為硫化物，鋅元素主要為井留物，分析結(jié)果如圖6。

圖4 管件內(nèi)壁腐蝕坑微觀形貌圖Fig.4 The pit morphology on the inner wall of the pipe corrosion

2.5 XRD分析

在腐蝕坑處取樣進(jìn)行XRD分析，分析結(jié)果證明腐蝕產(chǎn)物成分主要為FeS，腐蝕產(chǎn)物XRD分析結(jié)果見圖6（圖中SiO2為泥砂成分）。

2.6 室內(nèi)腐蝕試驗(yàn)

依據(jù)JB／T 7901－1999標(biāo)準(zhǔn)模擬現(xiàn)場(chǎng)工況條件，進(jìn)行金屬全浸腐蝕試驗(yàn)，以測(cè)定材料在特定工況下的平均腐蝕速率，具體試驗(yàn)條件見表3。

圖5 穿孔處及腐蝕坑處腐蝕產(chǎn)物能譜圖Fig．5 EDS of the corrosion products at the corrosion pits

圖6 腐蝕產(chǎn)物XRD分析結(jié)果Fig．6 XRD of corrosion products

試驗(yàn)樣品共兩組，1組為從腐蝕坑附近截取的珠光體球化組織試樣，1組從無(wú)明顯腐蝕處截取的鐵素體＋珠光體組織試樣，試驗(yàn)結(jié)果如下，正常組織樣品平均腐蝕速率為0．041mm／a，變形組織樣品平均腐蝕速率為0．037mm／a，兩種組織樣品的平均腐蝕速率無(wú)較大差別，按照NACE RP 0775標(biāo)準(zhǔn)對(duì)腐蝕程度的劃分判定，均屬于中度腐蝕［5］。

表3 模擬工況室內(nèi)試驗(yàn)條件Tab．3 Test conditions

3 失效原因綜合分析

按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)管件進(jìn)行了各項(xiàng)性能檢測(cè)，結(jié)果表明20號(hào)鋼低壓匯管材料的化學(xué)成分符合GB／T 699－1999標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)20號(hào)鋼的要求，但穿孔處金相組織與基體金相組織有較大差異，穿孔處及其附近發(fā)生珠光體組織球化。

20號(hào)鋼在常溫下的一般組織為“鐵素體＋珠光體”，而珠光體球化是長(zhǎng)期在高溫下使用或短時(shí)在超溫狀態(tài)運(yùn)行下，20號(hào)鋼最常見的一種高溫?fù)p傷。通過(guò)查看現(xiàn)場(chǎng)，可能原因是管線焊接過(guò)程中局部高溫受熱，珠光體球化會(huì)導(dǎo)致材料的屈服點(diǎn)、抗拉強(qiáng)度、沖擊韌性、蠕變極限和持久極限下降，但從對(duì)兩種不同組織材料的浸泡腐蝕試驗(yàn)來(lái)看，兩種組織樣品的平均腐蝕速率差別較小，珠光體球化與穿孔腐蝕不存在直接關(guān)系，并且該管件材料在模擬工況下的平均腐蝕速率為中度腐蝕，腐蝕速率較低。失效的低壓集輸管線局部產(chǎn)生珠光體球化的原因及其與穿孔腐蝕的關(guān)系還有待進(jìn)一步研究。

能譜分析表明，腐蝕產(chǎn)物中含有硅和氯等元素，XRD分析證實(shí)腐蝕產(chǎn)物主要為FeS，據(jù)此可以判斷，管線內(nèi)輸送介質(zhì)中的H2S和氯離子對(duì)于腐蝕穿孔應(yīng)當(dāng)是起到了很重要的作用。

低壓集輸管線的主要輸送介質(zhì)來(lái)自兩口單井，井口溫度26～42℃，含水率高于67%，地層水Cl－含量高于100mg／L，pH 為5．84～6．35；天然氣中CO2含量為1．81%～2．49%，H2S含量為0～110mg／L，具有“高含水、高含Cl－、中含CO2、低含H2S”腐蝕特征，CO2或H2S氣體在濕氣或有水的環(huán)境中易發(fā)生化學(xué)腐蝕，輸送過(guò)程中存在段塞流和紊流等不穩(wěn)定的流動(dòng)形態(tài)，段塞流在流動(dòng)過(guò)程中會(huì)不斷產(chǎn)生渦流，這些渦流會(huì)按照動(dòng)量平衡的原理對(duì)腐蝕產(chǎn)物膜造成沖擊破壞，流動(dòng)過(guò)程中不僅會(huì)形成渦流對(duì)腐蝕產(chǎn)物膜造成損傷，而且液體段塞團(tuán)會(huì)卷入氣體，形成大量氣泡，這些氣泡破裂可對(duì)局部區(qū)域產(chǎn)生巨大沖擊作用，從而造成腐蝕產(chǎn)物膜的破壞，加劇局部腐蝕。輸送介質(zhì)中Cl－促進(jìn)點(diǎn)蝕的發(fā)生，Cl－容易在金屬表面吸附，且具有較小的半徑，可以穿透腐蝕產(chǎn)物膜，在點(diǎn)蝕核形成后不斷發(fā)展直至穿孔。

4 結(jié)論及建議

通過(guò)對(duì)管材化學(xué)成分、金相組織、XRD、微觀形貌及能譜等方面進(jìn)行失效分析，表明腐蝕穿孔由管道內(nèi)壁底部局部腐蝕所導(dǎo)致，輸送介質(zhì)中高含水、高含Cl－，并且含有H2S、CO2等腐蝕介質(zhì)，是導(dǎo)致腐蝕穿孔的主要原因；加之輸送壓力低、流動(dòng)的不穩(wěn)定性，管線底部積水，最終造成底部腐蝕及穿孔。通過(guò)此次失效性分析，對(duì)以后工作具有指導(dǎo)意義。設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)選用合適的材質(zhì)，管線輸送含腐蝕介質(zhì)的油氣水時(shí)，應(yīng)做內(nèi)防護(hù)或加注緩釋劑，防止或減緩H2S、CO2和Cl－等腐蝕介質(zhì)的腐蝕；在管線焊接施工過(guò)程中，應(yīng)合理控制焊接溫度，并對(duì)焊接部位進(jìn)行熱處理；在管線運(yùn)行過(guò)程中，定期進(jìn)行清管作業(yè)，減少管線底部積水。