某海底管道腐蝕失效分析

李發(fā)根 韓 燕 趙雪會

(中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院，石油管工程重點實驗室 陜西 西安 710077)

1 概 況

某海域兩平臺間海底管線長度為2.3 km，設(shè)計落差1.2 m，于2003 年6 月投入使用。管線采用油氣混輸，初期下岸端壓力范圍為1.5 MPa ～2.0 MPa，2009 年以后維持在2.0 MPa 左右，下岸溫度60℃，上岸溫度降為55℃，輸送介質(zhì)CO2含量為2.49%。管線服役后，含水量逐漸上升，2010 年6 月時含水率已達40%。輸送管線為雙層管結(jié)構(gòu)，其中內(nèi)管為規(guī)格273.1 mm×11.1 mm 的X65 管線。管道外腐蝕采用犧牲陽極陰極保護，內(nèi)部采用加注緩蝕劑和防垢劑作為內(nèi)防腐措施，加注方式為連續(xù)加注，并在管線上岸處安裝有腐蝕監(jiān)測掛片。

2010 年6 月22 日，X65 內(nèi)管發(fā)生刺漏，刺漏位置位于管線下游膨脹彎上岸端前的直管段。檢查送檢管道發(fā)現(xiàn)在6 點鐘方向有四處穿孔，最大孔徑40 mm，穿孔周圍留有白色鹽垢，鹽垢下方有少量腐蝕坑，直徑均不超過5 mm，宏觀形貌見圖1。將管段沿縱向剖開，沿穿孔處縱向軸線陸續(xù)分布有12 個條狀腐蝕坑，如圖2 所示。穿孔形貌總體呈現(xiàn)內(nèi)壁大外壁小，初步分析穿孔為內(nèi)腐蝕引起。

圖1 刺漏管段宏觀照片(箭頭所指處為穿孔)

圖2 刺漏管段內(nèi)部宏觀照片(箭頭所指處為穿孔)

2 試驗分析

2.1 化學(xué)成分分析

從刺漏管段未腐蝕管體上取樣進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。從分析結(jié)果看，化學(xué)成分符合API Spec 5L標準要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 Wt%

2.2 金相分析

對刺漏管段管體未腐蝕處和腐蝕穿孔處取樣進行組織結(jié)構(gòu)觀察與對比分析，結(jié)果表明未腐蝕管體和腐蝕穿孔處組織無差異，均為B粒且未發(fā)現(xiàn)粗大組織，腐蝕坑底部沒有裂紋(見圖3 ～圖5)，非金屬夾雜物分析結(jié)果見表2。

圖3 未腐蝕部位樣品金相組織

圖4 腐蝕坑表面形貌

圖5 腐蝕坑周圍組織

表2 非金屬夾雜物分析結(jié)果

2.3 腐蝕產(chǎn)物分析

采用掃描電鏡及能譜對穿孔處和未穿孔腐蝕坑處試樣的微觀形貌和成分分析可知，腐蝕坑處四周覆蓋有淺紅色附著物，附著物結(jié)構(gòu)疏松，分布不均，掀開附著物下部是黑色腐蝕產(chǎn)物，同時裸露腐蝕坑處也同樣附著黑色腐蝕產(chǎn)物，微觀形貌見圖6。能譜分析發(fā)現(xiàn)黑色腐蝕產(chǎn)物主要由C、O、S、Cl 和Fe 元素組成，而在周圍的附著物中又發(fā)現(xiàn)了Ba 元素，如圖7 所示。結(jié)合XRD 衍射分析，可知管道主要發(fā)生了CO2腐蝕，腐蝕產(chǎn)物主要為Fe-CO3和Fe3O4，另外表層腐蝕產(chǎn)物中還存在BaSO4沉積物，如圖8 所示。

圖6 管樣內(nèi)壁腐蝕微觀形貌

圖7 腐蝕產(chǎn)物能譜分析圖

圖8 腐蝕產(chǎn)物XRD 分析結(jié)果

2.4 綜合分析

材料腐蝕失效的主要因素包括兩大類:一是材質(zhì)因素，二是環(huán)境因素。通過對材質(zhì)理化性能檢測可知該失效管樣化學(xué)成分符合API 5L 標準要求，腐蝕處金相組織未見異常，腐蝕穿孔并非材質(zhì)質(zhì)量原因?qū)е隆?/p>

海底管線采用油氣混輸，流體介質(zhì)含水率高達40%，而且Cl 離子含量為18 974 mg/L，天然氣中CO2含量達到0.05 MPa，輸送溫度介于55℃～60℃之間，綜合來看該種腐蝕工況具有較高CO2腐蝕性，從刺漏管端腐蝕產(chǎn)物能譜及XRD 分析也表明管道內(nèi)部發(fā)生了CO2腐蝕。該段管線輸送介質(zhì)含水率高，刺漏管段位于整條管線下流并且存在高程差，液相流速不足0.5 mm/s，該流速下極易促成管道底部積液，進而導(dǎo)致管道底部腐蝕。管道為碳鋼材料，耐蝕性能有限，現(xiàn)場腐蝕監(jiān)測也驗證了這點，如圖9 所示，腐蝕速率最高達到0.116 mm/a，已達到中等腐蝕程度。同時，管體內(nèi)部附有較多BaSO4沉積物，結(jié)構(gòu)疏松分布不均，為局部區(qū)域垢下腐蝕創(chuàng)造了條件，另外輸送介質(zhì)中含有較高的Cl 離子，由于半徑小極易穿透垢樣，促使垢下形成閉塞腐蝕電池導(dǎo)致酸性增加，從而促進局部腐蝕的發(fā)生［1～3］。

圖9 腐蝕產(chǎn)物XRD 分析結(jié)果

該段管線內(nèi)部輸送介質(zhì)流態(tài)以層流和段塞流為主，同時管道服役過程中輸送壓力不穩(wěn)定，會加速流動條件的波動。在層流狀態(tài)下加注緩蝕劑達到有效地緩蝕是比較困難的，管道底部局部的紊流并不能使流體與緩蝕劑充分地混合。段塞流在流動過程中會不斷產(chǎn)生渦流，渦流會按照動量平衡的原理對腐蝕產(chǎn)物膜造成沖擊破壞，流動過程中不僅會形成渦流對腐蝕產(chǎn)物膜造成損傷，而且液體段塞團會卷入氣體，形成大量氣泡，這些氣泡破裂可對局部區(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［4、5］。

總之，該段管線工況環(huán)境具有較高腐蝕性，管段材料耐蝕性能有限，一旦加注緩蝕劑防腐措施效果不佳，管道將會發(fā)生嚴重腐蝕。

3 結(jié)論及建議

1)刺漏管段主要發(fā)生了CO2腐蝕，高腐蝕性環(huán)境、介質(zhì)流態(tài)、管段位置和疏松結(jié)垢等多種因素交集促使管線底部積水，緩蝕劑防腐效果不佳，最終造成底部腐蝕及穿孔。

2)建議定期清管作業(yè)，減少管道底部積水，加強緩蝕劑等防腐措施有效性管理。

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