海洋平臺(tái)海水系統(tǒng)銅鎳合金管道腐蝕的原因分析

王 鑫，高德潔，李印全，王傳忠，沈召斌

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

2.中國(guó)石油管道局工程有限公司天津分公司，天津 300452

2018年2月5日，渤海某海洋油氣田生產(chǎn)平臺(tái)上的海水系統(tǒng)有一處B10銅鎳合金管道短節(jié)發(fā)生腐蝕穿孔，現(xiàn)場(chǎng)將該短節(jié)進(jìn)行了替換處理，由于B10銅鎳合金管道被海水腐蝕情況實(shí)屬罕見，因而將腐蝕穿孔短節(jié)運(yùn)返陸地進(jìn)行重點(diǎn)檢測(cè)分析。

1 實(shí)驗(yàn)檢測(cè)

1.1 化學(xué)成分分析

1.1.1 取樣

從短節(jié)的內(nèi)表面取樣（見圖1），進(jìn)行化學(xué)成分分析，取樣前將內(nèi)表面的腐蝕產(chǎn)物用機(jī)械方法清理。

圖1 化學(xué)取樣位置

1.1.2 成分分析結(jié)果

采用碳硫分析儀（CS800）和全譜直讀等離子體發(fā)射光譜儀（ICP），依據(jù)GB 5121.4-2008、GB/T5121.27-2008進(jìn)行成分檢測(cè)[1-2]，短節(jié)實(shí)測(cè)化學(xué)成分見表1。從表1可以看出，化學(xué)成分滿足要求。

表1 實(shí)測(cè)化學(xué)成分

1.2 金相組織分析

1.2.1 取樣

金相試樣從短節(jié)的側(cè)邊取樣，試樣包括焊縫區(qū)域，內(nèi)部焊縫余高約2 mm，如圖2所示。

圖2 金相取樣試樣

1.2.2 金相分析結(jié)果

采用ZEISS Observer Z1m金相顯微鏡對(duì)1#～2#試樣進(jìn)行金相組織檢驗(yàn)，檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)采用YS/T 448-2002《銅及銅合金鑄造和加工制品宏觀組織檢驗(yàn)方法》、YS/T 449-2002《銅及銅合金鑄造和加工制品顯微組織檢驗(yàn)方法》、GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》。據(jù)檢測(cè)，短節(jié)腐蝕處熱影響區(qū)金相組織為孿晶α，晶粒度為7.5級(jí)，短節(jié)腐蝕處非熱影響區(qū)金相組織為孿晶α，晶粒度為8.5級(jí)。試樣金相組織見圖3，可見試樣金相組織正常。

1.3 掃描電鏡形貌分析

1.3.1 取樣

在進(jìn)行掃描電鏡觀察前用丙酮清洗試樣表面，確保表面沒有泥土、海洋生物等雜物，掃描電鏡取樣位置見圖4。

1.3.2 掃描電鏡分析結(jié)果

腐蝕坑分別放大100倍、200倍和500倍后的微觀形貌如圖5所示，從圖5中可以看出，腐蝕坑內(nèi)B10合金表面的鈍化膜已大面積脫落。

圖3 金相組織

圖4 掃描電鏡取樣位置

1.4 腐蝕產(chǎn)物能譜分析

利用掃描電鏡對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表2所示。因B10合金的鈍化膜是富鐵膜，而其他元素含量對(duì)膜的形成及穩(wěn)定影響較小，故主要對(duì)比腐蝕坑內(nèi)外的鐵元素能譜分析結(jié)果。從表2可以看出，坑外的腐蝕產(chǎn)物成分鐵元素含量相對(duì)較高，說明鐵元素在合金表面富集，鈍化膜存在；坑內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物中鐵元素含量較低，說明腐蝕坑內(nèi)B10合金表面的鈍化膜已被破壞。

2 綜合分析

經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，表明受腐蝕短節(jié)化學(xué)成分符合要求，焊接熱影響區(qū)域無缺陷，而已形成的鈍化膜被破壞是造成腐蝕穿孔的主要原因，由此對(duì)幾種可能導(dǎo)致該問題的常見因素進(jìn)行分析。

圖5 掃描電鏡微觀形貌

表2 腐蝕產(chǎn)物能譜分析

2.1 焊接熱影響因素

管道腐蝕穿孔處如圖6所示，腐蝕穿孔點(diǎn)位于短節(jié)中一段長(zhǎng)約55 mm的直管段部分，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中對(duì)于直管段并無兩條焊縫間距大于或等于管段直徑的要求，只要相互避開其他焊縫的熱影響區(qū)，焊后檢驗(yàn)合格即可。因銅鎳管道采用手工氬弧焊進(jìn)行焊接，該工藝焊縫熱影響區(qū)寬度在2～5 mm之間，因此位于直管段兩端的焊縫熱影響區(qū)不會(huì)重合，完全可以避開，由此可知焊接熱影響在正常范圍內(nèi)，并未導(dǎo)致母材退變進(jìn)而造成腐蝕。

2.2 流速因素

該平臺(tái)海水系統(tǒng)處管道設(shè)計(jì)模擬流速2.5 m/s，在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)，經(jīng)出?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，啟泵壓力可達(dá)0.9 MPa，正常工作壓力為0.65 MPa，根據(jù)計(jì)算，當(dāng)管道內(nèi)海水達(dá)到滿負(fù)荷流量時(shí)，水流速度約2.21m/s。其中受腐蝕管段兩端各有1條環(huán)焊縫，存在約2 mm焊縫余高，會(huì)產(chǎn)生輕微的激流效應(yīng)，造成該處海水流速有小于10%的局部增速，因此推斷該處為整個(gè)海水系統(tǒng)流速的極限位置，該處流速約為2.43 m/s，參考實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以及行業(yè)內(nèi)實(shí)驗(yàn)，海水流速在3.0 m/s以下不會(huì)發(fā)生合金管沖擊腐蝕破損[3]，因此不會(huì)因流速過快造成鈍化膜沖刷破損。

圖6 腐蝕穿孔的短節(jié)

2.3 管道材質(zhì)因素

海水通常為中性或弱堿性，設(shè)計(jì)選型采用銅鎳材質(zhì)不存在問題，但經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)平臺(tái)上多個(gè)與海水接觸的系統(tǒng)均有不同程度腐蝕，如海水消防系統(tǒng)中柴油消防泵泵軸點(diǎn)蝕，海水冷卻系統(tǒng)中主發(fā)電機(jī)不銹鋼管道、銅鎳接頭腐蝕。眾多材料（包括多種材質(zhì)）分別由不同廠家供貨，由此推斷出現(xiàn)腐蝕為共性問題，并非管道材質(zhì)選型及母材質(zhì)量原因?qū)е隆?/p>

2.4 介質(zhì)因素

平臺(tái)上海水泵為兩用一備形式，共3臺(tái)，當(dāng)泵處于備用工況時(shí)存在管道內(nèi)海水保存時(shí)間較長(zhǎng)情況，可能發(fā)生海水變質(zhì)，進(jìn)而發(fā)生較為復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生腐蝕管道的化學(xué)產(chǎn)物。

在平臺(tái)海水泵投用前的調(diào)試期間，多次發(fā)生因海水含砂量較高而導(dǎo)致海水泵泵軸卡死斷裂情況，隨含砂量增加，表面磨蝕更為顯著[4]。

平臺(tái)采用銅鋁電解裝置進(jìn)行海水系統(tǒng)的防污，裝置內(nèi)的銅棒、鋁棒電流均為0.9 A，該裝置產(chǎn)生的電解質(zhì)銅離子、鋁離子、氯離子等經(jīng)海水泵進(jìn)入海水系統(tǒng)，將導(dǎo)致合金表面難以生成較完整的鈍化膜，且鈍化膜更容易被破壞，從而加快腐蝕速率[4]。

3 結(jié)論及建議

經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)并結(jié)合平臺(tái)現(xiàn)場(chǎng)情況，初步推斷B10銅鎳合金管道腐蝕穿孔的主要原因?yàn)椋汉Ｋ傲枯^高沖刷破壞鈍化膜以及海水中電解質(zhì)含量較高加速電化學(xué)腐蝕。

建議適當(dāng)調(diào)節(jié)平臺(tái)上銅鋁電解裝置的電流以降低電解質(zhì)濃度，從而減輕電解質(zhì)對(duì)銅鎳管道鈍比膜的破壞；此外在海水系統(tǒng)中增加除砂裝置，加強(qiáng)籃式濾器及自動(dòng)反沖洗濾器對(duì)海水中砂石雜質(zhì)的濾除效果。