緩沖罐腐蝕失效原因分析

南　斌，邢金濤，杜立劍，李　祚，顧　濤

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測(cè)中心（陜西西安710018）

緩沖罐腐蝕失效原因分析

南斌，邢金濤，杜立劍，李祚，顧濤

中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司技術(shù)監(jiān)測(cè)中心（陜西西安710018）

對(duì)長(zhǎng)慶油田某采油廠投用的10具在役緩沖罐進(jìn)行了宏觀檢驗(yàn)、壁厚檢驗(yàn)、理化性能分析，同時(shí)采用了X射線衍射、電子顯微鏡及能譜、緩沖罐內(nèi)介質(zhì)成分等方法對(duì)緩沖罐腐蝕失效原因進(jìn)行了分析，得出了導(dǎo)致緩沖罐腐蝕的原因，最后從加注緩蝕劑、降低介質(zhì)礦化度、定期檢查外防腐層等方面提出了建議。

緩沖罐；腐蝕；長(zhǎng)慶油田

緩沖罐主要對(duì)來液進(jìn)行緩沖和氣液分離，適用于油田增壓站、接轉(zhuǎn)站等場(chǎng)合。

此次檢驗(yàn)的緩沖罐均為中國(guó)石油長(zhǎng)慶油田分公司某采油廠2000年前后投用的設(shè)備，外觀檢查發(fā)現(xiàn)均出現(xiàn)大面積的腐蝕減薄，導(dǎo)致局部穿透泄漏。通過檢驗(yàn)檢測(cè)、取樣分析、模擬實(shí)驗(yàn)等，對(duì)其腐蝕機(jī)理、泄露原因進(jìn)行了客觀全面的分析，摸清了此類容器的具體腐蝕機(jī)理，完善了失效模式的相關(guān)數(shù)據(jù)，為更好地指導(dǎo)油田相似設(shè)備的檢驗(yàn)檢測(cè)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

1　緩沖罐基本情況及檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

1.1緩沖罐基本情況

此次檢驗(yàn)緩沖罐基本情況如表1所示，均為2000年前后投用的設(shè)備，材質(zhì)均為Q235A，設(shè)計(jì)壓力為0.78MPa，使用壓力為0.15～0.3MPa之間，使用溫度在40～45℃之間。

1.2檢驗(yàn)檢測(cè)方案設(shè)計(jì)

1）宏觀檢查。

2）容器受壓元件壁厚測(cè)定［1］。

表1　緩沖罐基本情況

3）容器殼體化學(xué)成分檢測(cè)及金相組織分析。

4）理化性能分析。

5）容器外壁的腐蝕產(chǎn)物分析［2］。

6）容器腐蝕模擬試驗(yàn)。

2　檢驗(yàn)檢測(cè)

2.1宏觀檢驗(yàn)

本次檢驗(yàn)的10具緩沖罐均為保溫容器，從現(xiàn)場(chǎng)情況來看，外保溫良好，無明顯破損部位。但當(dāng)拆除保溫后，看到容器外面銹蝕嚴(yán)重，存在厚達(dá)5.0～6.0mm的腐蝕產(chǎn)物，特別是容器底部區(qū)域、防腐層脫落損壞部位、固定保溫的銷釘?shù)炔课桓g尤為嚴(yán)重。去除腐蝕產(chǎn)物后，可發(fā)現(xiàn)腐蝕區(qū)域存在大量密集腐蝕坑點(diǎn)，大小不均勻，最深可達(dá)3.0～5.0mm。如圖1～圖4所示。

圖1　銷釘周圍腐蝕a

圖2　銷釘周圍腐蝕b

圖3　容器底部腐蝕

圖4　容器底部、銷釘周圍腐蝕

2.2壁厚檢測(cè)

對(duì)這10具緩沖罐保溫層大面積拆除后依次進(jìn)行壁厚測(cè)定，發(fā)現(xiàn)腐蝕減薄嚴(yán)重，特別是封頭、筒體底部區(qū)域腐蝕減薄尤為嚴(yán)重，最小壁厚均小于5.0mm，且具有大面積的特點(diǎn)，腐蝕區(qū)域主要集中在容器底部?jī)蓚?cè)各500mm的范圍，檢測(cè)結(jié)果見表2。

3　理化性能分析

3.1化學(xué)成分檢測(cè)

在1#～8#緩沖罐依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ASTM A751，采用TEST MAETER PRO直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表3。

分析結(jié)果表明，1#～8#緩沖罐材質(zhì)化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)GB 713-2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》的要求［3］。

表2　1#～10#緩沖罐壁厚測(cè)定統(tǒng)計(jì)表

表3　化學(xué)成分分析結(jié)果%

3.2金相組織分析

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561-2005、GB/T 13298-2015和GB/T 6394-2002，分別對(duì)編號(hào)為3#、4#的緩沖罐使用PTI-5000金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)，進(jìn)行金相觀察和分析，檢測(cè)結(jié)果見表4。

表4　試樣金相檢測(cè)結(jié)果

金相分析結(jié)果顯示，3#、4#緩沖罐金相組織均為鐵素體+珠光體，未發(fā)生材質(zhì)劣化。

3.3力學(xué)性能測(cè)試

因設(shè)備在用，故無法取樣進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試。

4　緩沖罐壁厚減薄及腐蝕原因分析

4.1緩沖罐外壁腐蝕產(chǎn)物X射線衍射分析

對(duì)3#和4#緩沖罐底部清理出來的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行X射線衍射物相分析，具體見圖5、圖6。

圖5　3#緩沖罐底部的腐蝕產(chǎn)物

圖6　4#緩沖罐底部的腐蝕產(chǎn)物

腐蝕產(chǎn)物X射線衍射物相分析結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物主要是鐵氧化物（FeO（OH））、（Fe2O3）、二氧化硅（SiO2）和少量碳酸亞鐵鹽（FeCO3）。其中，氧化鐵主要是保溫層滲漏導(dǎo)致大氣中的氧液體中的溶解氧與罐壁材質(zhì)發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生，鐵氧化物是大氣中的氧和液體中的溶解氧對(duì)腐蝕產(chǎn)物及材質(zhì)作用而產(chǎn)生，碳酸亞鐵鹽主要為大氣中的CO2溶于液體后生成與管壁材質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生。

由于設(shè)備在用，故無法對(duì)內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析。

4.2電子顯微鏡及能譜分析

使用JED-2200 Series型掃描電子顯微鏡3#和4#緩沖罐外表面的腐蝕形貌進(jìn)行觀察和分析。結(jié)果表明，罐壁外表面腐蝕產(chǎn)物中主要含有Fe、O、C等元素，根據(jù)原子比分析，產(chǎn)物可能為Fe2O3、FeCO3等鐵鹽，還存在有少量的S、Ca、Si等元素，與X射線衍射分析結(jié)果相吻合。

4.3緩沖罐內(nèi)介質(zhì)成分分析

將從現(xiàn)場(chǎng)取回的油水混合物倒入試驗(yàn)容器瓶中，靜置一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)油水分層，底部水層中含礦物質(zhì)較多，呈灰白色，同時(shí)在容器的底部有大量的碎屑和砂礫存在。對(duì)試樣中的分層水進(jìn)行水質(zhì)分析，分析結(jié)果如表5所示。

表5　緩沖罐介質(zhì)成分

5　分析及討論

從現(xiàn)場(chǎng)的情況來看，緩沖罐的外表面腐蝕嚴(yán)重，存在大量密集的腐蝕坑點(diǎn)，且容器底部腐蝕嚴(yán)重。這是由于雨水通過保溫層的縫隙流入罐體外表面，而緩沖罐的底部又易聚集封存雨水，被封存的雨水被蒸發(fā)濃縮，在緩沖罐的外表面與破損的防腐層之間形成一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的具有強(qiáng)腐蝕性的環(huán)境。在這種環(huán)境中，Cl-、S2-、H+等有害離子的濃度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自然環(huán)境，導(dǎo)致緩沖罐的腐蝕急速加劇［4-5］。固定保溫的銷釘處的腐蝕也是由于安裝保溫時(shí)焊接銷釘破壞了容器原有的防腐層，導(dǎo)致腐蝕加劇。故可以判斷緩沖罐防腐層的破壞是罐體發(fā)生腐蝕穿孔的“外因”。

從對(duì)現(xiàn)場(chǎng)采集的介質(zhì)分析結(jié)果可以看出，緩沖罐內(nèi)部介質(zhì)含水量較大，且高含Cl-、Ca2+等離子，即礦化度很高。大量Ca2+離子的存在會(huì)提高介質(zhì)的離子強(qiáng)度、介質(zhì)導(dǎo)電性和結(jié)垢傾向，并加大局部腐蝕；大量的Cl-則會(huì)通過鋼鐵表面腐蝕產(chǎn)物膜的細(xì)孔和缺陷深入其膜內(nèi)，使膜發(fā)生微破裂，形成孔蝕核，隨著Cl-的不斷移入，在閉塞電池的作用下，往往會(huì)加速孔蝕破壞；同時(shí)水質(zhì)的pH值在5.0～6.5為酸性，再加上原油介質(zhì)本身具有較強(qiáng)腐蝕性，這便是緩沖罐腐蝕穿孔的“內(nèi)因”。

6　結(jié)論與建議

緩沖罐的腐蝕類型為局部腐蝕，內(nèi)外壁的腐蝕均屬于嚴(yán)重腐蝕級(jí)別。腐蝕穿孔的主要原因?yàn)榻橘|(zhì)的高含水、酸性和高礦化度具有較高腐蝕性，在容器底部沉積，造成了小陽極大陰極腐蝕原電池引發(fā)嚴(yán)重局部腐蝕，這是腐蝕的內(nèi)因；同時(shí)由于外表面防腐層的破壞，同樣導(dǎo)致緩沖罐外表面的電化學(xué)腐蝕，這是腐蝕的外因，在內(nèi)外因的共同作用下引起緩沖罐腐蝕穿孔。

加注緩蝕劑阻止罐壁內(nèi)結(jié)垢，而且緩蝕劑分子中的極性基團(tuán)可在罐壁表面形成保護(hù)膜，從而可以有效降低容器內(nèi)表面的腐蝕速度。降低介質(zhì)中的礦化度，以減緩腐蝕速度；同時(shí)對(duì)介質(zhì)進(jìn)行過濾，減少固體顆粒物和砂礫等雜質(zhì)的含量。對(duì)緩沖罐外防腐層進(jìn)行定期檢查、維護(hù)，確保防腐層完整、有效。避免在容器在直接焊接固定保溫層的銷釘和卡子。如必須焊接，應(yīng)對(duì)焊接部位和焊接件進(jìn)行有效可靠地防腐。

［1］全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).壓力容器：GB 150-2011［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2011.

［2］全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程：TSG R0004-2009［S］.北京：新華出版社，2009.

［3］全國(guó)鋼標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).鍋爐和壓力容器用鋼板：GB 713-2014［S］.北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2014.

［4］全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).壓力容器定期檢驗(yàn)規(guī)則：TSG R7001-2013［S］.北京：新華出版社，2009.

［5］全國(guó)鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).壓力容器使用管理規(guī)則：TSG R5002-2013［S］.北京：新華出版社，2013.

The macroscopic examination，wall thickness inspection，physicochemical performance analysis of 10 in-service buffer tanks of an oil production plant of Changqing Oilfield Company were carried out，and the causes leading to the corrosion failure of the buffer tanks are obtained by means of X-ray diffraction，electron microscope，energy spectrum and the composition analysis of the media in the tanks.Some suggestions are put forward from adding corrosion inhibitor into the media，reducing the salinity of the media and regularly inspecting the anti-corrosion layer of the buffer tanks.

buffer tank；corrosion failure；Changqing Oilfield

南斌（1983-），男，工程師，主要從事油氣田特種設(shè)備定期檢驗(yàn)工作。

本文編輯：左學(xué)敏2016-06-28