西部某油田匯管穿孔的原因

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(1. 中國石油集團(tuán) 石油管工程技術(shù)研究院，西安 710077； 2. 塔里木油田，庫爾勒 841000)

西部某油田高含CO2、Cl-和H2S等腐蝕性介質(zhì)，該油田生產(chǎn)管線為碳鋼，采用投加緩蝕劑+內(nèi)涂層兩種方法進(jìn)行防腐蝕。這兩種方法雖然能達(dá)到很好的防護(hù)效果，但仍然不能完全避免由CO2引起的全面腐蝕和局部腐蝕，使得管道和設(shè)備發(fā)生早期腐蝕失效[1]。大量文獻(xiàn)報(bào)道了CO2腐蝕對油氣田開和發(fā)生產(chǎn)造成的危害[2-5]，CO2往往伴隨著天然氣及原油開采一同采出，溶于水后會對部分金屬材料產(chǎn)生極強(qiáng)的腐蝕性，由此引起的材料破壞統(tǒng)稱為CO2腐蝕。在相同的pH條件下，CO2水溶液的腐蝕性比鹽酸還強(qiáng)。本工作就西部某油田生產(chǎn)匯管腐蝕穿孔原因進(jìn)行了分析探討，對失效管樣進(jìn)行了相應(yīng)的理化性能檢測和分析，結(jié)合現(xiàn)場工況條件、該管線的制造和服役情況對匯管的失效原因進(jìn)行了綜合分析，并提出了相關(guān)建議。

1 生產(chǎn)匯管的服役情況

該油田來油總管的管線為L245螺旋鋼管，尺寸為φ508 mm×7.9 mm，分為新線和老線，其中老線于2011年10月投用，新線于2012年6月份投用，管線進(jìn)行了內(nèi)防腐蝕處理，焊縫有補(bǔ)口。自2013年3月26日起，來油匯管的老線及1、2號三相分離器的進(jìn)口管線共發(fā)生23次穿孔刺漏(其中在油氣操作間內(nèi)共發(fā)生穿孔刺漏3次)，穿孔多處于管線底部(5～7點(diǎn)鐘方向)。老線輸送介質(zhì)為油氣水，設(shè)計(jì)壓力為1.6 MPa，使用壓力約0.8～1.0 MPa，使用溫度約60 ℃。該集輸管線天然氣組成不含H2S，CO2摩爾分?jǐn)?shù)為1.47%，存在嚴(yán)重的CO2腐蝕。其地層水組成中Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為124 600 mg/L，總礦化度為208 800 mg/L，地層水pH為6.14。

2 理化檢驗(yàn)

2.1 宏觀形貌

匯管主要的失效形式為焊縫穿孔失效。對帶腐蝕坑彎頭及母材進(jìn)行取樣分析，分別標(biāo)記為1號(焊縫穿孔試樣)、2號(彎頭試樣)及3號(母材試樣)，見圖1。由圖1可見：該匯管內(nèi)壁尤其是焊縫,作為整個(gè)管線最薄弱的環(huán)節(jié)，附近涂層脫落導(dǎo)致其發(fā)生腐蝕穿孔；彎頭受流體沖刷較為嚴(yán)重，形成大量腐蝕坑，直徑達(dá)到20～30 mm，深度約3 mm；母材因?yàn)槌霈F(xiàn)過穿孔刺漏而采用補(bǔ)強(qiáng)焊接。

(a) 焊縫 (b) 彎頭 (c) 母材圖1 穿孔匯管的宏觀形貌Fig. 1 Macro morphology of the perforated gathering pipe: (a) weld; (b) elbow; (c) base metal

2.2 化學(xué)成分

依據(jù)ASTM A751-2014《鋼制品化學(xué)分析的標(biāo)準(zhǔn)測試方法、操作和術(shù)語》標(biāo)準(zhǔn)，采用ARL 4460直讀光譜儀對焊縫失效樣、彎管及母材成分進(jìn)行分析，結(jié)果見表1。由表1可見：焊縫、彎管及母材的化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9711-2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》的要求。

2.3 力學(xué)性能

依據(jù)ASTM A370-2015《鋼產(chǎn)品力學(xué)性能試驗(yàn)方法和定義》標(biāo)準(zhǔn)，采用UTM5305電子拉力試驗(yàn)機(jī)對匯管母材試樣(縱向試樣,標(biāo)距段尺寸為38.1 mm×50 mm)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表2。由表2可見：匯管母材的力學(xué)拉伸性能滿足GB/T 9711-2011《石油天然氣工業(yè)管線輸送系統(tǒng)用鋼管》的要求。

表1 試樣的化學(xué)成分Tab. 1 Chemical composition of the samples %

表2 母材的力學(xué)性能Tab. 2 Mechanical properties of the base metal

2.4 金相組織

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13298-1991《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)方法》，GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定法》，采用MeF3A金相顯微鏡，OLS 4100激光共聚焦顯微鏡，對焊縫試樣和彎頭試樣的組織、晶粒度和非金屬夾雜物進(jìn)行分析，見圖2～4。結(jié)果表明：外焊縫金相組織均為晶內(nèi)針狀鐵素體+粒狀貝氏體+珠光鐵素體+鐵素體；內(nèi)焊縫金相組織均為鐵素體+珠光體；外焊縫熔合區(qū)金相組織為粒狀貝氏體+鐵素體珠光組織+鐵素體魏氏組織；外焊縫細(xì)晶區(qū)金相組織為鐵素體+珠光體；內(nèi)焊縫熱影響區(qū)金相組織為鐵素體+珠光體。彎頭金相試樣腐蝕坑表面可見灰色腐蝕產(chǎn)物，金相組織為鐵素體+珠光體，晶粒度為8.0級。

2.5 微觀形貌

取焊縫穿孔試樣和彎頭腐蝕坑試樣進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明：焊縫穿孔試樣的腐蝕產(chǎn)物主要含O、Fe、C元素，還含有一定量的Si、Ca、Cl等；彎頭腐蝕坑試樣的腐蝕產(chǎn)物主要為Fe、O、Ca、C、Na、Si，還含有少量的S、Cl元素，見表3和表4。

(a) 焊縫低倍 (b) 外焊縫 (c) 內(nèi)焊縫 圖2 焊縫顯微組織Fig. 2 Metallographic structure of the weld: (a) low magnification of the weld; (b) outer weld; (c) inside weld

(a) 外焊縫熔合區(qū) (b) 外焊縫細(xì)晶區(qū) (c) 內(nèi)焊縫熱影響區(qū)圖3 焊縫熱影響區(qū)組織Fig. 3 Metallographic structure of the weld HAZ: (a) out weld bond zone; (b) outer weld fine grained zone; (c) inside weld HAZ

(a) 低倍

(b) 高倍圖4 彎頭腐蝕坑周圍金相組織Fig. 4 Metallographic structure of elbow around etch pits: (a) at low magnification; (b) at high magnification

表3 焊縫穿孔位置能譜分析結(jié)果Tab. 3 EDS analysis results of the weld at perforated area

表4 彎頭腐蝕坑處能譜分析結(jié)果Tab. 4 EDS analysis results of elbow at the area of the etch pits

2.6 XRD物相組成

將匯管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物刮下并進(jìn)行研磨，利用X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析，結(jié)果如圖5所示。結(jié)合腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果，腐蝕產(chǎn)物所包含的物相有CaCO3、FeCO3、Fe3O4、FeSO4、CaSO4和SiO2。

圖5 腐蝕產(chǎn)物的XRD圖譜Fig. 5 XRD pattern of the corrosion products

3 失效原因

3.1 材料性能

從以上匯管的理化檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，該匯管化學(xué)成分、拉伸性能、金相組織均等各項(xiàng)性能均未見異常，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3.2 服役環(huán)境

材料的腐蝕往往都是因?yàn)榄h(huán)境造成的。從工況調(diào)研數(shù)據(jù)可以看出，采出水具有高礦化度，高含氯離子(124 600 mg/L)，天然氣中含有一定量的CO2。

理化檢驗(yàn)結(jié)果表明腐蝕產(chǎn)物中的硫元素可能是原油所中含的硫，而碳和氯主要是因?yàn)镃O2和Cl-對碳鋼腐蝕所形成的。有研究表明，碳鋼在含Cl-環(huán)境中的CO2腐蝕隨Cl-量的增大，呈先增大后逐漸減小的趨勢，Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 000 mg/L時(shí)，腐蝕速率最大，當(dāng)Cl-質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10 000 mg/L時(shí)，腐蝕受到抑制[6]。由此以推斷，該匯管輸送的介質(zhì)具有一定的腐蝕性，對普通碳鋼主要是CO2腐蝕。

當(dāng)金屬表面有腐蝕產(chǎn)物(FeCO3)、垢(CaCO3)或其他的腐蝕產(chǎn)物膜時(shí)，其表面性質(zhì)和反應(yīng)機(jī)理將發(fā)生變化。陽極反應(yīng)變化不大，但反應(yīng)速率會明顯減小，這主要是陰極反應(yīng)及其機(jī)理可能發(fā)生改變。有腐蝕產(chǎn)物覆蓋時(shí)，能夠很好地解釋腐蝕電化學(xué)在其中發(fā)生及擴(kuò)展過程中所起作用的機(jī)理，即不同覆蓋度的區(qū)域之間形成了具有很強(qiáng)自催化特性的腐蝕電偶或閉塞電池。

3.3 腐蝕原因

失效管樣材質(zhì)為L245鋼，屬普通碳鋼，按3.2節(jié)所述，若其在所服役環(huán)境中直接使用，會發(fā)生較嚴(yán)重的腐蝕，因此采用了內(nèi)涂層加焊縫補(bǔ)口的防腐蝕工藝措施，以避免匯管發(fā)生CO2腐蝕。而在實(shí)際使用過程中，材料內(nèi)表面的涂層可能由于制造質(zhì)量不佳，在腐蝕性環(huán)境中長期浸泡，加之流體沖刷、管線振動等多種因素的作用，致使涂層起泡、脫落而露出碳鋼管的本體，從而導(dǎo)致腐蝕。從實(shí)際發(fā)生失效的管樣來看，該生產(chǎn)匯管內(nèi)壁存在大量腐蝕坑和麻點(diǎn)，且腐蝕部位均無涂層存在。腐蝕坑較集中的地方主要在焊縫、彎管區(qū)域，這表明焊縫及彎頭部位為涂層易損薄弱環(huán)節(jié)。其中,焊縫部位可能由于補(bǔ)口質(zhì)量不過關(guān)，涂層結(jié)合力不佳，彎頭部位則可能是由于流體沖刷作用，如果涂層的結(jié)合力和韌性不足，也會導(dǎo)致涂層減薄和脫落。

綜上所述，該管線在所服役的工況環(huán)境中，由于多種原因?qū)е峦繉用撀涠冻鼋饘俦倔w，裸露部位由于環(huán)境的作用發(fā)生了CO2腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致管線穿孔失效，其中焊縫及彎頭部位涂層更容易脫落，因此腐蝕也更為嚴(yán)重。

4 結(jié)論

(1) 該失效匯管的材料理化性能未見異常，其化學(xué)成分、力學(xué)性能等均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

(2) 匯管發(fā)生穿孔失效的主要原因?yàn)橥繉邮冻鼋饘俦倔w后發(fā)生了CO2腐蝕，進(jìn)而導(dǎo)致穿孔。而焊縫及彎頭部位涂層更容易脫落，因此腐蝕也更為嚴(yán)重。

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