渤海某平臺生產(chǎn)水管線腐蝕原因研究

樊榮興* 劉 鵬 劉 亮 楊 陽 羅 懿 王海鋒

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

渤海某平臺生產(chǎn)水系統(tǒng)頻繁發(fā)生管道被腐蝕穿孔泄漏現(xiàn)象，為了降低損失，同時尋找出水系統(tǒng)發(fā)生腐蝕的主要原因，對生產(chǎn)水系統(tǒng)的腐蝕原因進行了分析。該生產(chǎn)水處理采用單系統(tǒng)常規(guī)處理工藝，主要設(shè)備包括斜板除油器、加氣浮選器、預(yù)過濾水罐、雙介質(zhì)過濾器及超聲波過濾器、注水緩沖罐等。平臺生產(chǎn)水經(jīng)雙介質(zhì)進料泵升壓后進入雙介質(zhì)過濾器進行過濾，失效的測試短節(jié)位于雙介質(zhì)供給泵總出口位置。

1 宏觀分析及厚度測量

失效測試短節(jié)的內(nèi)壁宏觀形貌如圖1 所示。通過宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，失效的測試短節(jié)內(nèi)壁結(jié)垢較為明顯，垢質(zhì)疏松且呈黑色，垢層厚度為2～5 mm，在垢層脫落部位可見黑色的腐蝕產(chǎn)物；剝落的垢層結(jié)合部位的內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物為紅棕色，測量可得腐蝕產(chǎn)物的厚度為0.5～1 mm。

圖1 測試短節(jié)的內(nèi)壁宏觀形貌

選取測試短節(jié)的不同位置，包括管段兩端（靠近與法蘭節(jié)的環(huán)焊縫處）、管段中間，去除其表面防銹層，從外壁按照圖2 中所示方向，采用GE DM5E 超聲波測厚儀對剩余壁厚進行測量，測量方向分別為12 點（縱向焊縫位置），3 點，6 點及9 點位置。

圖2 壁厚測量方向圖示

剩余壁厚測試結(jié)果可見表1。已知母材和焊縫的測試管段原始平均壁厚分別為16.35， 17.69 mm，由剩余壁厚值可以看出，測試短節(jié)各方向都呈現(xiàn)均勻減薄趨勢。通過測量母材最小剩余壁厚為15.20 mm，焊縫最小剩余壁厚為16.58 mm。經(jīng)母材數(shù)據(jù)計算得出，管段最大壁厚減薄量為1.15 mm。

表1 測試管段剩余壁厚超聲波測量值 mm

按照API 579-2016 標準要求對管道進行取點檢測，對管壁腐蝕類型進行判別，如圖3 所示。測量結(jié)果及數(shù)據(jù)可見表2。

圖3 檢測面與臨界厚度剖面

表2 厚讀數(shù)變異系數(shù)（COV）計算值

根據(jù)API 579-2016 標準要求，當COV＜0.01 時，可判斷腐蝕類型為均勻腐蝕。

2 細菌檢測及水質(zhì)分析

對水樣進行細菌測試，結(jié)果可見圖4。結(jié)果顯示未檢測出存在腐生菌（TGB）、鐵細菌（FB），但存在硫酸鹽還原菌（SRB），檢測結(jié)果為25 個/mL。

圖4 細菌檢測結(jié)果

從測試短節(jié)上游泵閥處進行水質(zhì)取樣，檢測水質(zhì)中各離子的含量，水質(zhì)分析結(jié)果可見表3。由表3 可知，水質(zhì)中鈣離子濃度較高，存在結(jié)垢的可能，而且水質(zhì)中含有一定量的Fe2+，F(xiàn)e3+，這是由于腐蝕導(dǎo)致的。結(jié)合現(xiàn)場工況，對生產(chǎn)水系統(tǒng)雙介質(zhì)供給泵出口水質(zhì)，按照SY/T 0600—2009《油田水結(jié)垢趨勢預(yù)測》標準中的方法預(yù)測結(jié)垢趨勢[1-2]，結(jié)果表明該流體有CaCO3和BaSO4的結(jié)垢趨勢。

表3 水質(zhì)分析結(jié)果

3 微觀分析

分別選取測試短節(jié)垢樣、底部沉積物、脫落腐蝕產(chǎn)物、垢層脫落位置的黑色腐蝕產(chǎn)物、垢層剝離后紅棕色腐蝕產(chǎn)物的樣本進行清洗并低溫烘干，隨后進行微觀形貌分析和微區(qū)成分分析，5 個樣品分別標記為1#，2#，3#，4#，5#，樣本的XRD 圖譜及結(jié)果可見圖5 及表4。

圖5 XRD分析譜圖

表4 腐蝕產(chǎn)物或垢樣成分

綜合以上數(shù)據(jù)結(jié)果進行分析后可知，測試短節(jié)內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物主要為Fe3O4，F(xiàn)eCO3和FeO（OH），表面垢層成分主要為CaCO3，與結(jié)垢趨勢預(yù)測一致?？拷軆?nèi)壁位置為鐵的腐蝕產(chǎn)物，而遠離管壁位置的腐蝕產(chǎn)物中CaCO3成分增多，部分位置未檢測出CaCO3的主要原因是隨腐蝕產(chǎn)物層增厚，垢層遠離管壁，更易于被介質(zhì)沖刷，從而導(dǎo)致其脫落。

4 室內(nèi)腐蝕模擬實驗

為了驗證管內(nèi)流體對管壁的腐蝕性，進行了腐蝕模擬實驗。將管壁材料加工制成的掛片放入高溫高壓反應(yīng)釜中，液體介質(zhì)為海上平臺的生產(chǎn)水，設(shè)置溫度為65 ℃，壓力為0.65 MPa。浸泡7 天后取出掛片，進行清洗、稱重，靜態(tài)腐蝕模擬數(shù)據(jù)如表5 所示。根據(jù)Q/HS 2064—2011《海上油氣因生產(chǎn)工藝系統(tǒng)內(nèi)腐蝕控制及效果評價要求》標準中對碳鋼掛片的均勻腐蝕速率嚴重程度的規(guī)定，液相環(huán)境的腐蝕屬于嚴重腐蝕。圖6 為清洗前后掛片表面宏觀形貌。由圖6 可見，試驗后掛片表面出現(xiàn)紅棕色腐蝕產(chǎn)物，清洗后掛片表面未發(fā)現(xiàn)局部腐蝕特征，呈現(xiàn)均勻腐蝕狀態(tài)。

表5 靜態(tài)腐蝕速率計算結(jié)果

圖6 試樣表面宏觀形貌

5 分析與討論

管道運行時，環(huán)境介質(zhì)導(dǎo)致管道內(nèi)壁形成CaCO3垢層，垢層沉積往往會導(dǎo)致垢下腐蝕[3-4]。這是由于金屬表面上的某些不均勻因素，如腐蝕產(chǎn)物附著不完整和其他沉積物堆積，氧化軋皮不完整或局部破壞等，使金屬表面上不同部位腐蝕性氣體濃度存在嚴重差異，從而形成腐蝕性氣體的濃差電池。

另外，結(jié)垢可能會促進細菌在垢下繁殖生長，增加了細菌腐蝕的可能性[5]。垢下腐蝕通常與微生物腐蝕共同存在、協(xié)同作用，使金屬管道產(chǎn)生嚴重腐蝕。當沉積物的固體顆粒表面積較大時，會吸附帶走一定量的緩蝕劑，使緩蝕劑達不到有效濃度，同時垢的存在也抑制了緩蝕劑吸附到金屬表面，降低緩釋效果，加速管道腐蝕。

6 結(jié)論

測試短節(jié)外壁有防銹層保護，無明顯腐蝕現(xiàn)象；內(nèi)壁結(jié)垢明顯，垢質(zhì)疏松且呈黑色，與含油有關(guān)系，垢層脫落部位存在黑色腐蝕產(chǎn)物；剝落垢層結(jié)合部位的內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物為紅棕色，主要成分為Fe3O4，F(xiàn)eCO3及FeO（OH）。

測試短節(jié)內(nèi)壁表面垢層成分主要為CaCO3，與結(jié)垢趨勢預(yù)測一致，在當前運行狀況下，污水系統(tǒng)管道內(nèi)壁表面結(jié)垢明顯，存在垢下腐蝕，且水質(zhì)中存在SRB 細菌，管壁結(jié)垢有利于細菌繁殖，故同時發(fā)生細菌腐蝕的可能性極大。室內(nèi)模擬試驗結(jié)果顯示，測試短節(jié)材質(zhì)的靜態(tài)腐蝕為嚴重均勻腐蝕，腐蝕速率為0.308 1 mm/a。

測試短節(jié)壁厚檢測及API 579-2016 標準評價結(jié)果顯示管道內(nèi)腐蝕為均勻腐蝕，但不排除管道某些滯留區(qū)存在局部腐蝕，應(yīng)定期對生產(chǎn)水系統(tǒng)中三通位置、彎頭位置、變徑位置及其他管路滯留區(qū)的位置進行清理排查。

建議對管道進行垢清洗，然后在斜板除油器前面加入防垢劑，并在生產(chǎn)水系統(tǒng)中定期加入具有黏泥剝離清洗功能的殺菌劑，消除表面沉積物，確保緩蝕劑吸附，必要時，對防垢劑類型或加注比例進行優(yōu)化，可以對防垢劑進行重新評價。