某在役天然氣濕氣輸送管道腐蝕穿孔失效原因分析

董志強(qiáng)，夏 勇，張建勛

(1.西安交通大學(xué)金屬?gòu)?qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710049；2.中國(guó)石油天然氣股份有限公司長(zhǎng)慶油田分公司第一采氣廠 陜西 榆林 718500)

0 引 言

油氣管道作為油氣輸送最便捷、最安全的運(yùn)輸方式，在國(guó)內(nèi)外得到普遍運(yùn)用[1]。近年來(lái)，隨著西部油田大力開發(fā)的進(jìn)行，油氣田開發(fā)環(huán)境變得越來(lái)越苛刻，出現(xiàn)了“超深、超高溫、超高壓”的“三超”特征，加之綜合含水的上升和油井管柱服役年限的增加，腐蝕失效問題變得越來(lái)越突出[2]。

腐蝕破壞是威脅油氣管線安全性的最主要因素，我國(guó)大多數(shù)油、氣田含水量不斷增加，H2S、CO2等腐蝕性氣體含量不斷上升，它們?nèi)苡谒箫@酸性，對(duì)油氣管道有很強(qiáng)的腐蝕性，常常會(huì)使管道發(fā)生CO2的腐蝕和H2S的腐蝕[3-4]。CO2引起鋼鐵迅速的全面腐蝕和嚴(yán)重的局部腐蝕，使得管道和設(shè)備發(fā)生早期腐蝕失效[5]，而點(diǎn)蝕則是CO2腐蝕的主要特征之一，腐蝕后試樣表面呈現(xiàn)為蜂窩狀[6]。

在油氣管道失效事故發(fā)生后，及時(shí)對(duì)失效模式、機(jī)理和原因進(jìn)行分析和診斷，對(duì)于減少管道失效事故、防止類似事故的重演具有重要的意義。丁晗等人[7]對(duì)西部某油田失效的20#鋼管樣品進(jìn)行了宏觀形貌分析、化學(xué)成分分析、金相試驗(yàn)分析、腐蝕產(chǎn)物的組成與結(jié)構(gòu)分析，研究結(jié)果表明引起該鋼管腐蝕穿孔和形成腐蝕坑的主要原因是高含 CO2和高含氯離子環(huán)境下鋼管發(fā)生局部腐蝕。李綱要等人[8]對(duì)某油田注水區(qū)塊的鎳磷鍍防腐 N80 油管在服役 108 個(gè)月后發(fā)生了嚴(yán)重的局部腐蝕原因進(jìn)行研究分析，結(jié)果表明，鎳磷鍍層含孔隙缺陷，鍍層局部厚度太薄以及溶解氧、Ca2 +、Mg2 +、Cl-等腐蝕介質(zhì)的作用導(dǎo)致內(nèi)表面鍍層發(fā)生了腐蝕破壞并大面積剝落，鍍層剝落后，N80 油管發(fā)生了嚴(yán)重局部腐蝕。本文通過剩余壁厚檢測(cè)、腐蝕形貌觀察、金相分析、X射線能譜分析等手段研究了濕氣輸送管線的失效原因，并分析了管線內(nèi)部腐蝕差別較大的原因。

1 研究對(duì)象

管線尺寸規(guī)格為Φ159 mm×7 mm，材質(zhì)為20鋼無(wú)縫鋼管。管線輸送氣體組分分析見表1，輸送介質(zhì)為天然氣，以烷烴類為主，含有一定量的H2S和的CO2，另外還有較多的水，管線的服役溫度范圍為8～28 ℃。

表1 管線全組分分析結(jié)果

2 失效管線測(cè)試分析

2.1 剩余壁厚測(cè)試

為了掌握管線不同部位的腐蝕情況，首先對(duì)管段樣品的剩余壁厚進(jìn)行測(cè)量。使用的試驗(yàn)設(shè)備是TT100型超聲波測(cè)厚儀，精度為0.1 mm。 檢測(cè)區(qū)段長(zhǎng)150 mm，每隔75 mm沿管段圓周方向測(cè)試一組數(shù)據(jù)，每組共測(cè)試20個(gè)點(diǎn)，20個(gè)點(diǎn)沿著管段圓周方向均勻分布的，一共測(cè)試了3組。最后得到測(cè)量的平均壁厚的結(jié)果如圖1和圖2所示，從圖中可以看出管線腐蝕嚴(yán)重并且很不均勻，管線的一部分腐蝕比另一部分腐蝕嚴(yán)重的多，所測(cè)量管段剩余壁厚在2.8 ～6.6 mm之間，大部分在5.5～6.3 mm之間，平均壁厚為5.5 mm，從測(cè)試點(diǎn)18順時(shí)針到測(cè)試點(diǎn)6所圍成的區(qū)域減薄嚴(yán)重，平均壁厚為4.5 mm，管段其他部位平均壁厚為6.0 mm，壁厚減薄量差別較大。

圖1 壁厚分布雷達(dá)圖

圖2 壁厚概率分布圖

2.2 宏觀腐蝕形貌觀察

從外壁觀察，管段最明顯的特征是存在2處腐蝕穿孔部位，而外壁防腐涂層完整，沒有出現(xiàn)腐蝕破損的痕跡。依據(jù)剩余壁厚測(cè)量的結(jié)果，可將管段沿圓周方向分為兩個(gè)部分，壁厚測(cè)量第18點(diǎn)順時(shí)針到第6點(diǎn)所在區(qū)域壁厚較小，記為鋼管A區(qū)，剩余部分為鋼管B區(qū)。

圖3為鋼管切開后A部分的內(nèi)壁腐蝕情況，從圖中可以看出A部分腐蝕情況特別嚴(yán)重，有2個(gè)腐蝕穿孔，穿孔尺寸分別為5 mm×2 mm和4 mm×3 mm；存在數(shù)量多并且尺寸大深度深的腐蝕坑，較小腐蝕坑呈蜂窩狀分布；并且表面有沖刷痕跡；均勻腐蝕層較薄，與基體結(jié)合很松散，腐蝕產(chǎn)物主要呈紅褐色，以及少部分的黑色。圖3(a)是鋼管A部分黑色腐蝕產(chǎn)物，圖3(b)是腐蝕穿孔部位，圖3(c)是蜂窩狀的腐蝕坑，圖3(d)是腐蝕坑，

圖3 鋼管A部分內(nèi)壁腐蝕特征

圖3(e)是臨近腐蝕脫落部位，從圖中可以看出A部分腐蝕產(chǎn)物較為蓬松，與基體結(jié)合不緊密，比較容易脫落，圖3(f)是沖刷痕跡。圖4為鋼管切開后B部分的內(nèi)壁腐蝕情況，從圖中可以看出鋼管B部分的腐蝕形貌和A部分有很大區(qū)別，在B部分沒有發(fā)現(xiàn)沖刷痕跡以及明顯的腐蝕坑，腐蝕產(chǎn)物主要是黑色以及少部分的紅褐色。

圖4 鋼管B部分內(nèi)壁腐蝕特征

2.3 金相分析

對(duì)鋼管進(jìn)行金相組織分析，依據(jù)GB/T 13298—2015進(jìn)行，采用線切割方式對(duì)腐蝕穿孔部位進(jìn)行取樣。檢驗(yàn)結(jié)果如圖5所示，其中5(a)為鋼管基體組織，5(b)為腐蝕穿孔部位組織及腐蝕產(chǎn)物，從圖中可以看到鋼管的組織由鐵素體+珠光體組成，是典型的20鋼組織，鋼管為沿晶腐蝕。

圖5 金相組織

2.4 腐蝕產(chǎn)物分析

對(duì)鋼管A部分和B部分分別收集內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物，采用能譜分析儀對(duì)腐蝕產(chǎn)物做成分分析。圖6(a)是A區(qū)腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果，通過能譜分析區(qū)域掃描可知A區(qū)腐蝕產(chǎn)物主要含有Fe、O、S元素，其中Fe和O元素占絕大部分，結(jié)合腐蝕產(chǎn)物的顏色主要為紅褐色以及少部分的黑色，判斷腐蝕產(chǎn)物絕大部分為鐵的氧化物以及含有少量的鐵的硫化物[9]。圖6(b)為B區(qū)腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果，通過能譜分析區(qū)域掃描可知B區(qū)第一層腐蝕產(chǎn)物主要含有Fe、O、S、Ca元素，由此可以判斷B區(qū)第一層腐蝕產(chǎn)物為Fe的氧化物以及Fe的硫化物，以及部分含Ca的沉積物，結(jié)合腐蝕產(chǎn)物的顏色主要為黑色以及少部分的紅褐色，判斷腐蝕產(chǎn)物大部分為鐵的硫化物以及含有少量的鐵的氧化物和少量的含Ca沉積物[9]。

圖6 腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果

3 綜合分析

依據(jù)取樣管段剩余壁厚測(cè)試、腐蝕形貌觀察、金相組織分析、腐蝕產(chǎn)物檢測(cè)等試驗(yàn)的結(jié)果，對(duì)管線失效原因進(jìn)行綜合分析。

首先對(duì)管線的失效原因進(jìn)行分析。管線失效的原因可以分為管體斷裂或者破裂、接口泄漏、管體爆炸、過量變形、材料性能退化、金屬損失或者表面損傷。通過對(duì)管線進(jìn)行宏觀形貌檢測(cè)，沒有發(fā)現(xiàn)有斷裂、變形或者損傷等特征，但管線腐蝕嚴(yán)重，內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)數(shù)量較多尺寸較大深度較深的腐蝕坑，多處腐蝕坑接近穿孔，已經(jīng)穿孔部位周圍壁厚較薄，并且管線的外壁防腐涂層完整，沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕痕跡，因此可以判斷管線的失效是由于內(nèi)壁的腐蝕穿孔導(dǎo)致的。

然后對(duì)管線的腐蝕性質(zhì)進(jìn)行分析，通過超聲波壁厚測(cè)量發(fā)現(xiàn)管線腐蝕穿孔部分的平均壁厚比管線另一部分的平均壁厚少了1.5 mm，但相比設(shè)計(jì)壁厚，都有不同程度的減薄，穿孔部分整體壁厚減薄很嚴(yán)重，另外穿孔部分鋼管內(nèi)壁有大量的腐蝕坑，可以判斷管線穿孔部分的腐蝕性質(zhì)為不均勻全面的腐蝕，并且伴有嚴(yán)重的坑蝕。

通過對(duì)管線腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析以及管線內(nèi)壁腐蝕形貌的觀察，發(fā)現(xiàn)管線的腐蝕產(chǎn)物由鐵的氧化物或者氫氧化物和鐵的硫化物構(gòu)成，因此判斷管線的腐蝕是由CO2和H2S共同作用產(chǎn)生。另外管線腐蝕穿孔部位的腐蝕產(chǎn)物大部分是鐵的氧化物或者氫氧化物，而含的硫化物較少，從腐蝕形貌上看，管線腐蝕穿孔部位的腐蝕坑呈蜂窩狀，并且局部腐蝕嚴(yán)重，腐蝕產(chǎn)物疏松，屬于典型的CO2腐蝕特征[10-11], 從腐蝕產(chǎn)物、腐蝕形貌以及腐蝕特征等多方面分析可以判斷管線的穿孔由CO2腐蝕占主導(dǎo)作用。

管線的腐蝕分為差別較大的兩個(gè)部分，判斷原因?yàn)檫@兩部分處于管線的上下部分，結(jié)合管段A部分和B部分的腐蝕情況看，判斷管段A部分處于下部，而B部分處于上部。由于管線輸氣中含有水分，并且輸氣溫度不高，水主要以液態(tài)的形式存在于管線的下部，因此管線的下部也就是A部分處于液相環(huán)境，天然氣中含有的CO2氣體溶于水，生成的弱酸對(duì)管線腐蝕較強(qiáng)，因此A部分的腐蝕主要為CO2溶于水造成的全面不均勻坑蝕，并且伴隨著嚴(yán)重的沖刷腐蝕。而管線的上部也就是B部分處于氣相環(huán)境，而氣態(tài)的CO2對(duì)管線沒有腐蝕性，并且B部分沒有發(fā)現(xiàn)沖刷痕跡，腐蝕產(chǎn)物呈黑色，與基體結(jié)合較為緊密，元素分析含有大量的S元素，說明B部分的腐蝕主要為H2S氣體造成的均勻腐蝕。這些是導(dǎo)致管線腐蝕分為差別較大兩部分的主要原因。

4 結(jié) 論

1)管線的內(nèi)壁腐蝕分為差別較大的兩種。輸送的天然氣中帶有的水主要以液態(tài)形式存在于管線下部分，CO2溶于液態(tài)水生成的弱酸對(duì)管線腐蝕較強(qiáng)，因此管線下部分主要是由CO2溶于水造成的全面不均勻坑蝕，并且伴隨著嚴(yán)重的沖刷腐蝕，而上部分處于氣相環(huán)境，腐蝕主要是H2S氣體造成的均勻腐蝕。

2)管線的外壁完好，內(nèi)壁出現(xiàn)數(shù)量較多尺寸較大深度較深的腐蝕坑，多處腐蝕坑接近穿孔，已經(jīng)穿孔部位周圍壁厚較薄，因此管線的失效原因是由于內(nèi)壁的腐蝕穿孔。

3)管線腐蝕穿孔部分的平均壁厚比管線其他部分的平均壁厚少了1.5 mm，即穿孔部分整體壁厚減薄很嚴(yán)重，另外穿孔部分鋼管內(nèi)壁有大量的腐蝕坑，可以判斷管線穿孔部分的腐蝕性質(zhì)為不均勻全面的腐蝕，并且伴有嚴(yán)重的坑蝕。

4)管線腐蝕產(chǎn)物含有鐵的氧化物或者氫氧化物和鐵的硫化物，因此判斷腐蝕是由CO2和H2S共同作用產(chǎn)生，而管線腐蝕穿孔部分的腐蝕坑呈蜂窩狀，局部腐蝕嚴(yán)重，腐蝕產(chǎn)物蓬松，呈典型的CO2腐蝕特征，說明管線穿孔失效由CO2腐蝕占主導(dǎo)作用。