某海洋平臺注水立管腐蝕穿孔失效分析

楊 陽，羅 懿，樊榮興，楊中娜，張傳旭

（1.中海油(天津)管道工程技術(shù)有限公司，天津 300452；2.中海石油(中國)有限公司天津分公司，天津 300450）

海洋平臺立管是連接海底管道與海洋工程結(jié)構(gòu)物上生產(chǎn)設(shè)備的管道[1]，也是海底管道中較薄弱的環(huán)節(jié)。 與一般的海底管道相比，海洋平臺立管處于更加惡劣復(fù)雜的環(huán)境中，在內(nèi)部流體和外部載荷的共同作用[2]下，海洋平臺立管會發(fā)生碰撞、疲勞破壞、 斷裂和腐蝕失效等。 一旦發(fā)生，輕則停產(chǎn)，重則引起破損、 油氣泄漏，導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸事故，不僅工程本身遭受損失，還可能造成嚴(yán)重的次生災(zāi)害。 所以，從某種意義上講，海洋平臺立管的安全性決定了整個海底管線系統(tǒng)的可服役性[3]。

某海洋平臺注水立管發(fā)生泄漏，經(jīng)停產(chǎn)排查確認(rèn)，護(hù)管內(nèi)側(cè)立管段上部出現(xiàn)腐蝕穿孔。 該立管外徑為 219.1 mm，壁厚 8.7 mm，鋼級 X52；全線采用直縫埋弧焊鋼管；管線外壁防腐形式為3PE 防腐，且采用犧牲陽極保護(hù)措施，內(nèi)壁無防腐措施，注水介質(zhì)有加注緩蝕劑、 防垢劑等化學(xué)藥劑；該管線未有超期服役現(xiàn)象。

為避免類似事故再次發(fā)生，管道運營企業(yè)組織對該段失效立管及其護(hù)管拆除替換，回收失效管段后送至陸地，開展檢測評價工作，查找腐蝕穿孔原因。

1 立管結(jié)構(gòu)

該失效立管與外側(cè)護(hù)管的上部、 下部連接結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 由于立管與護(hù)管的管徑相差較大，故上部法蘭連接處，首先對立管外壁去防腐層，然后選取合適的鋼材半瓦組對焊接在立管鋼管外壁，既實現(xiàn)擴徑功能，也起到鋼管保護(hù)作用，該段長度為600 mm，厚度12 mm，最后再與頂部法蘭、 護(hù)管等焊接密封；而立管下部采用外部擴徑方式，貼近護(hù)管內(nèi)壁，起到扶正作用，但未實現(xiàn)密封。

圖1 立管與外側(cè)護(hù)管連接結(jié)構(gòu)示意圖

考慮立管的結(jié)構(gòu)型式，再結(jié)合平臺端水位，實際工況下，海水可以進(jìn)入護(hù)管與立管之間的環(huán)空，且環(huán)空水位并未達(dá)到失效部位。

2 宏觀分析

經(jīng)宏觀檢查，護(hù)管無腐蝕穿孔現(xiàn)象；內(nèi)側(cè)立管外壁3PE 涂層保護(hù)區(qū)未見明顯破損，但立管端部與頂部法蘭焊接位置附近沒有涂層保護(hù)，該部位出現(xiàn)明顯的嚴(yán)重腐蝕，也是本次注水立管的腐蝕穿孔部位所在，如圖2 所示。 經(jīng)測量，穿孔尺寸為 72 mm×35 mm （軸向×周向），鋼管保護(hù)段角焊縫距穿孔近端為16 mm。 立管鋼管內(nèi)壁有明顯棕色產(chǎn)物沉積，沉積物質(zhì)硬，去掉腐蝕產(chǎn)物后，表面未見明顯局部腐蝕，整體呈現(xiàn)均勻腐蝕形貌。

圖2 腐蝕穿孔部位實物照片

穿孔部位形貌如圖3 所示。 從圖3 （a） 中不難看出，管線腐蝕穿孔附近的內(nèi)壁與同軸向的內(nèi)壁相比，未見明顯的減薄，內(nèi)表面整體較平坦，穿孔周圍也存在少部分凹坑和銹蝕產(chǎn)物，再結(jié)合穿孔處的外表面形貌 （見圖3 （b）），外表面有非常嚴(yán)重的腐蝕，有很厚的腐蝕產(chǎn)物覆蓋，腐蝕穿孔周圍有嚴(yán)重的凹陷，存在明顯腐蝕減薄。 進(jìn)一步觀察可以看出，鋼管由表及里，隨著腐蝕坑的逐漸加深，腐蝕孔徑越來越小。

由此得出結(jié)論： 腐蝕穿孔主要是由于鋼管從外向內(nèi)腐蝕所致。

圖3 腐蝕穿孔部位形貌

3 防腐層情況

首先，采用防腐層漏點檢測儀對立管外壁3PE 防腐層覆蓋區(qū)域進(jìn)行檢測，無漏點報警；其次，對3PE 防腐層與鋼管結(jié)合情況進(jìn)行測試，對端部翹起的防腐層進(jìn)行沿管中心方向考察，剝離防腐層至距離端部約15 mm 處，沿管道軸向向中部穿刺，鋼絲未能插入，說明防腐層與鋼管的結(jié)合程度良好。 距離端部約15 mm 處防腐層結(jié)合情況如圖4 所示。 最后，對立管中間部位的焊接節(jié)點位置防腐情況進(jìn)行測試，宏觀觀察節(jié)點熱縮套未有損壞現(xiàn)象，然后對節(jié)點熱縮套進(jìn)行剝離，如圖5 所示。 從圖5 中不難看出，節(jié)點熱縮套與防腐層之間的結(jié)合程度良好，內(nèi)部鋼管未發(fā)生明顯的外部腐蝕。 綜上所述，除立管端部外，立管防腐層覆蓋區(qū)域的防腐效果良好。

圖4 距離端部約15 mm 處防腐層結(jié)合情況

圖5 節(jié)點熱縮套剝離現(xiàn)場照片

4 理化檢驗

4.1 化學(xué)成分分析

從鋼管腐蝕孔附近取樣，使用SPECTROLABLAVM11 直讀光譜儀檢測材料的化學(xué)成分，檢測結(jié)果見表1，結(jié)果符合API SPEC 5L—2012的要求。

表1 腐蝕孔附近試樣化學(xué)成分分析結(jié)果 %

4.2 拉伸性能

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，從鋼管管體縱向取標(biāo)距內(nèi)寬度為19.1 mm 的板狀拉伸試樣，采用Z600 雙立柱萬能材料試驗機進(jìn)行拉伸試驗，拉伸性能檢測結(jié)果見表2，結(jié)果符合API SPEC 5L—2012 的要求。

表2 試樣拉伸性能試驗結(jié)果

4.3 沖擊性能

從鋼管管體取夏比V 形沖擊試樣，采用JBS-300 擺錘沖擊試驗機進(jìn)行沖擊試驗，試樣規(guī)格為55 mm×10 mm×5 mm，試驗溫度為 0 ℃。 單個試樣夏比沖擊試驗吸收能量均大于18 kJ，沖擊性能結(jié)果見表3，結(jié)果符合API SPEC 5L—2012 的要求。

表3 試樣夏比沖擊試驗結(jié)果 （0 ℃）

4.4 硬度

采用TUKON 2500 維氏硬度試驗機對鋼管管體及焊縫處進(jìn)行硬度測試，硬度測試壓痕位置如圖6 所示，硬度值檢測結(jié)果見表4，結(jié)果符合API SPEC 5L—2012 的要求。

圖6 維氏硬度測試壓痕位置示意圖

表4 立管管體及焊縫維氏硬度檢測結(jié)果

4.5 顯微組織

在腐蝕孔附近的管體、 焊縫處以及熱影響區(qū)分別取樣，進(jìn)行金相檢測，金相組織均為鐵素體和珠光體，如圖7 所示。 腐蝕孔周邊未發(fā)現(xiàn)有組織缺陷及裂紋，腐蝕坑附近和遠(yuǎn)離腐蝕坑處組織均為鐵素體和珠光體，未見異常組織。 管體晶粒度評級為10.0 級。

圖7 腐蝕孔附近各區(qū)域的顯微組織

5 微觀分析

采用Zeiss EVO 18 掃描電鏡對腐蝕穿孔附近內(nèi)壁、 外壁的微觀形貌進(jìn)行觀察，典型形貌如圖8 所示。 由圖8 可以看出，內(nèi)壁微觀形貌較致密，外壁結(jié)構(gòu)疏松。

采用Oxford 能譜儀對腐蝕穿孔附近內(nèi)壁、外壁腐蝕產(chǎn)物微區(qū)成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表5。 由表5 可以看出微區(qū)成分主要為 O、Fe、 C、 Al、 Mn 、 Si 元素。

圖8 腐蝕穿孔附近微觀形貌

表5 腐蝕穿孔附近微區(qū)成分分析結(jié)果

6 腐蝕產(chǎn)物XRD 分析結(jié)果

采用X 射線衍射儀對腐蝕穿孔內(nèi)壁、 外壁腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析，將腐蝕產(chǎn)物烘干，放入X射線衍射儀進(jìn)行測定，兩種腐蝕產(chǎn)物成分分析結(jié)果見表6。

表6 腐蝕產(chǎn)物成分分析結(jié)果

綜合以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，腐蝕穿孔部位的內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物主要以Fe3O4和Fe2O3形式存在，外壁腐蝕產(chǎn)物主要以FeOCl、 Fe3O4形式存在。另外，從數(shù)據(jù)結(jié)果分析，立管內(nèi)壁也有少量的CaCO3垢析出，但結(jié)合內(nèi)壁腐蝕形貌觀測，垢下腐蝕不明顯。

7 失效原因分析

立管安裝過程中，立管與護(hù)管焊接作業(yè)對立管焊接部位的3PE 防腐層造成破壞，而焊接后對焊接部位的鋼管裸露部位未進(jìn)行有效防腐層修復(fù)。 根據(jù)立管結(jié)構(gòu)進(jìn)一步得知，海水由護(hù)管與立管下部間隙進(jìn)入環(huán)空，使得該部位長期處于海洋大氣環(huán)境 （含鹽潮濕氣相） 下，且犧牲陽極對該部位起不到陰極保護(hù)作用。

海洋大氣腐蝕屬于薄液膜下的電化學(xué)腐蝕，海洋大氣環(huán)境下暴露的金屬材料表面會形成連續(xù)的電解液薄膜，在這種條件下，氧的擴散比全浸狀態(tài)下更容易，液膜越薄，大氣腐蝕的陰極過程就越容易進(jìn)行，腐蝕速率較大。

鋼管表面產(chǎn)生銹蝕后，在該工況下形成的銹層對金屬不具有保護(hù)作用，且銹層和基體鋼之間存在局部電池作用，會加速腐蝕。 腐蝕機理如下：

（1） 由于氧氣量不足以及溫度較低的原因，金屬表面不能生成保護(hù)性產(chǎn)物膜，銹層不具有保護(hù)作用。

（2） 在適當(dāng)濕度范圍內(nèi)，銹層和基體鋼的局部電池形成開路，在Fe/Fe3O4界面上發(fā)生陽極反應(yīng)： Fe→Fe2++2e→FeOOH；在 Fe3O4/FeOOH 界面上發(fā)生陰極反應(yīng)： Fe3++8FeOOH+3e →3Fe3O4+4H2O，加大陰極電流，對陰極起到去極化作用，加速腐蝕。

8 結(jié)論及建議

（1） 立管安裝階段，失效部位外表面未采取有效防腐措施。

（2） 立管結(jié)構(gòu)導(dǎo)致失效部位長期處于海洋大氣環(huán)境，陰極保護(hù)起不到作用，腐蝕速率較高。

（3） 立管表面產(chǎn)生的銹層保護(hù)作用較弱，無法有效阻止腐蝕發(fā)生。

（4） 立管腐蝕穿孔主要是由于鋼管從外向內(nèi)腐蝕所致。

（5） 應(yīng)避免類似立管結(jié)構(gòu)，立管與護(hù)管之間環(huán)空應(yīng)與海水或海洋大氣隔絕。

（6） 建議考慮采用氣脹封堵加疏水水泥的防護(hù)技術(shù)，外部切口處采用補強包覆技術(shù)。