海上某油田采油樹(shù)水相出口管線(xiàn)腐蝕失效分析

李曉成 厲嘉濱 陳經(jīng)華

（中海油能源發(fā)展股份有限公司上海環(huán)境工程技術(shù)分公司，天津 300452）

0 引言

如果說(shuō)海底管道是海上油氣田開(kāi)發(fā)的大動(dòng)脈，那么海洋井口采油樹(shù)就是海上油氣田開(kāi)發(fā)的毛細(xì)血管，是海洋油氣資源開(kāi)采工程的重要組成部分。采油樹(shù)管線(xiàn)通常采用鋼質(zhì)管道，隨著服役年限的增加，加上海洋腐蝕環(huán)境的復(fù)雜性和惡劣性，井口采油樹(shù)不可避免會(huì)出現(xiàn)銹蝕、腐蝕、沖蝕等缺陷[1-4]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，中海油渤海油田井口采油樹(shù)已突破2100套[5]，采油樹(shù)服役年限如表1所示。

表1 渤海油田采油樹(shù)服役年限統(tǒng)計(jì)

目前對(duì)于采油樹(shù)出現(xiàn)故障后采用的方法主要是返廠(chǎng)拆檢、換件維修，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)手段主要是靜態(tài)無(wú)損檢測(cè)、功能試驗(yàn)和靜水壓強(qiáng)度試驗(yàn)等手段。通過(guò)查詢(xún)相關(guān)文獻(xiàn)，采油樹(shù)中故障井統(tǒng)計(jì)情況如表2所示。

表2 采油樹(shù)故障分井別統(tǒng)計(jì)

水相的故障井?dāng)?shù)量居多，根據(jù)文獻(xiàn)中描述，油相和氣相井的故障主要集中在各平板閥故障，而水相井的故障則體現(xiàn)在腐蝕因素[6]。本文對(duì)海上某平臺(tái)CEP-A19井采油樹(shù)水相出口管線(xiàn)進(jìn)行失效分析，主要工作內(nèi)容包括失效管件的常規(guī)檢測(cè)、腐蝕產(chǎn)物分析和失效原因分析。

1 腐蝕實(shí)效分析

1.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究

渤中28-2S油田位于渤海南部海域，油氣藏主要受巖性和構(gòu)造雙重因素控制，以巖性-構(gòu)造油藏為主。地面原油具有密度中等、粘度中等、凝固點(diǎn)高、含蠟量高、膠質(zhì)瀝青質(zhì)中等、含硫量低的特點(diǎn)。

本次進(jìn)行分析的失效管件位于A19井水相出口處，A19井注水管柱更換作業(yè)結(jié)束后，恢復(fù)注水時(shí)發(fā)現(xiàn)A19井水嘴上游第一片法蘭處焊縫有一處漏點(diǎn)?，F(xiàn)場(chǎng)如圖1所示。

1.1.1 基礎(chǔ)分析

A19井操作壓力為11.3MPa，操作溫度為75℃，管道內(nèi)介質(zhì)為注入水，管線(xiàn)材質(zhì)為A106，服役年限為10年。管線(xiàn)測(cè)厚情況如圖2和表3所示，管線(xiàn)探傷情況如圖3和表4所示。

表3 壁厚檢測(cè)結(jié)果

表4 探傷結(jié)果

1.1.2 現(xiàn)場(chǎng)腐蝕宏觀形貌分析

失效管件示意圖如圖4所示，失效管件由兩個(gè)法蘭，兩個(gè)90°彎頭以及一節(jié)直管段焊接而成，共4道焊縫，從左至右依次編號(hào)1-9，其中1#和9#為法蘭，2#、4#、6#、8#為焊縫，3#和5#為彎頭，7#為直管段。

圖5為失效管件剖開(kāi)后的內(nèi)壁形貌，從圖中可以看出1#法蘭內(nèi)表面無(wú)腐蝕，2#焊縫處有腐蝕跡象，取樣做XRD分析，3#彎管內(nèi)壁無(wú)腐蝕，4#焊縫無(wú)腐蝕，5#彎管內(nèi)壁有腐蝕跡象，取樣做XRD分析，6#焊縫有均勻腐蝕跡象，取樣做XRD分析，7#直管段有均勻腐蝕跡象，取樣做XRD分析，8#焊縫有均勻腐蝕跡象，取樣做XRD分析，9#法蘭內(nèi)壁無(wú)腐蝕。

1.1.3 壁厚測(cè)量

采用千分尺對(duì)失效管件進(jìn)行壁厚測(cè)量，測(cè)量結(jié)果如表4所示。測(cè)量結(jié)果與安裝之前相比，無(wú)明顯壁厚減薄。

1.2 失效分析

1.2.1 理化檢測(cè)

采用 SPECTRO LABLAVM11直讀光譜儀對(duì)失效短節(jié)進(jìn)行了化學(xué)成分分析，分別測(cè)兩個(gè)樣，每個(gè)樣測(cè)3個(gè)點(diǎn)，表中數(shù)據(jù)為3個(gè)點(diǎn)平均值，檢測(cè)結(jié)果如表6所示，檢測(cè)結(jié)果表明，1#樣即法蘭成分為不銹鋼，其余管體皆為碳鋼。從Cr元素的含量可以看出，4#、6#、8#焊縫Cr含量很低，說(shuō)明為普通的碳鋼焊條。2#焊縫Cr含量為1%～2%左右，介于1#不銹鋼基體和3#彎管基體之間，通過(guò)Cr含量可以判定此異種鋼對(duì)焊選用的焊條不是不銹鋼焊條，不銹鋼焊條Cr元素含量基本都在10%以上，其Cr元素含量高應(yīng)是熔合了部分不銹鋼法蘭的緣故。

表5 壁厚測(cè)量結(jié)果

表6 化學(xué)成分分析結(jié)果

表6（續(xù)）

1.2.2 金相試驗(yàn)

依照GB/T 13298-2015 金屬顯微組織檢驗(yàn)方法，檢測(cè)失效管件的金相組織，1-9號(hào)試樣金相照片如圖6～圖24所示。

管體檢測(cè)結(jié)果如表7所示，1#法蘭組織為奧氏體+鐵素體組織，為不銹鋼的典型組織；其余管體組織為鐵素體+珠光體；焊縫處組織較復(fù)雜，2#焊縫為針狀鐵素體+貝氏體組織，熔合區(qū)為魏氏組織，細(xì)晶區(qū)為多邊形鐵素體+珠光體組織。焊接裂紋發(fā)生在2#焊縫熔合區(qū)，此處組織異常，魏氏組織硬度高、韌性差，性能較差。4#焊縫為針狀鐵素體+貝氏體，熔合區(qū)為粒狀貝氏體，細(xì)晶區(qū)為多邊鐵素體+珠光體。6#和8#焊縫組織一直，屬于碳鋼之間的對(duì)焊，焊縫組織為鐵素體+珠光體組織，熔合區(qū)組織為粒狀貝氏體，細(xì)晶區(qū)組織為多邊鐵素體+珠光體組織。

1.2.3 硬度分析

對(duì)管體、焊縫進(jìn)行硬度測(cè)量，試驗(yàn)設(shè)備為T(mén)ukon2500維氏硬度計(jì)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為ASTM E92-17，沿管體邊緣測(cè)一些列的維氏硬度，打點(diǎn)位置如圖24～圖25所示，檢測(cè)結(jié)果如表9～表10所示。表9位焊縫硬度檢測(cè)結(jié)果，其中4#、6#、8#焊縫硬度過(guò)渡較平滑，焊縫處硬度最高，兩邊稍低，而2#焊縫硬度梯度起伏較大，其熱影響區(qū)硬度最大可達(dá)300Hv10，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于兩側(cè)基體的硬度。熱影響區(qū)硬度高，容易在此處產(chǎn)生裂紋。

表10為彎頭和直管段基體的維氏硬度值，硬度梯度變化平緩，與焊縫兩側(cè)基體的硬度無(wú)明顯差異。

1.2.4 SEM分析

1.2.4.1 裂紋已貫穿的SEM分析

通過(guò)宏觀分析，發(fā)現(xiàn)滲漏處在2#焊縫根部，焊縫根部產(chǎn)生了貫穿管體的裂紋，最終導(dǎo)致了管體發(fā)生了滲漏。將裂紋處打開(kāi)，觀察微觀形貌，低倍形貌如圖26所示，其中A端為管內(nèi)側(cè)，B端為管外側(cè)。從B端的SEM照片（如圖27～圖28所示）可以看出，B表面覆蓋了一層薄薄的物質(zhì)，該物質(zhì)有晶體結(jié)構(gòu)，類(lèi)似針狀，屬于典型的腐蝕產(chǎn)物。對(duì)B區(qū)進(jìn)行元素分析，分析結(jié)果如表11所示，其中Fe、C、O、S元素含量較高，腐蝕產(chǎn)物可能為FeCO3和FexSy。B區(qū)是在管外壁處，此處為后產(chǎn)生的裂紋，從腐蝕產(chǎn)物的形貌可以看出表面未受任何污染。A區(qū)微觀形貌如圖27所示，從微觀照片可以看出，A區(qū)腐蝕產(chǎn)物較多，已看不出針狀形貌，腐蝕產(chǎn)物已結(jié)合成大塊的晶體，這也與A區(qū)是先產(chǎn)生的裂紋，先發(fā)生腐蝕吻合。

表7 管體試樣金相檢驗(yàn)結(jié)果

表8 焊接接頭試樣檢測(cè)結(jié)果

表9 焊縫硬度試驗(yàn)結(jié)果（HV10）

表10 管體硬度試驗(yàn)結(jié)果（HV10）

1.2.4.2 裂紋未貫穿的SEM分析

上面分析的是裂紋已貫穿的形貌，下面分析裂紋未貫穿時(shí)的情況。圖29為裂紋未貫穿的宏觀照片，其中A區(qū)是早期發(fā)生開(kāi)裂的區(qū)域，其表面崎嶇不平，且已發(fā)生腐蝕。B區(qū)為將裂紋強(qiáng)行打開(kāi)后裂紋擴(kuò)展區(qū)，其表面相對(duì)平整，且光鮮潔凈。圖30為SEM照片，二者形貌差異對(duì)比更明顯。A區(qū)元素分析如表12所示，其中還是Fe、C、O、S元素含量較高，腐蝕產(chǎn)物應(yīng)與上面分析的相同。B區(qū)微觀形貌如圖31所示，B區(qū)表面有大量韌窩，說(shuō)明是韌性斷口，B區(qū)的元素分析如表13所示，其中Cr元素的含量較高，與2#焊縫處Cr元素相近，此處應(yīng)為焊縫，說(shuō)明裂紋是產(chǎn)生在焊縫處的。

表11 B端腐蝕產(chǎn)物元素分析

表12 A區(qū)腐蝕產(chǎn)物元素分析

表13 B區(qū)基體元素分析

1.2.5 腐蝕產(chǎn)物分析

取特征部位腐蝕產(chǎn)物，并對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行清洗，先用石油醚去除腐蝕產(chǎn)物中的油，多次萃取，直至石油醚透明和腐蝕產(chǎn)物有明顯分層為止。再用酒精清洗腐蝕產(chǎn)物，直至酒精透明為止。然后用濾紙分離腐蝕產(chǎn)物，最后晾干裝入試樣帶，在做XRD和EDS之前，需對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行研磨。

表14 2#樣品EDS分析結(jié)果

表15 5#樣品EDS分析結(jié)果

表16 6#樣品EDS分析結(jié)果

表17 7#樣品EDS分析結(jié)果

表18 8#樣品EDS分析結(jié)果

表19 腐蝕產(chǎn)物XRD分析結(jié)果匯總

腐蝕產(chǎn)物XRD分析結(jié)果匯總?cè)绫?9所示，從腐蝕產(chǎn)物可以看出，主要成分為FeCO3，伴有一定量的FexSy及鈣鎂垢。

2 結(jié)論與建議

2.1 失效原因分析

根據(jù)壁厚測(cè)量結(jié)果，1#法蘭頸部壁厚為7.246mm，與其對(duì)焊的彎管壁厚11.818mm，二者之差為4.572mm。根據(jù)《GB50236-1998 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、工業(yè)管道焊接工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》規(guī)定，不等厚對(duì)接焊件組隊(duì)時(shí)，薄件端面應(yīng)位于厚件端面之內(nèi)。當(dāng)內(nèi)壁錯(cuò)邊量超過(guò)3mm時(shí)，應(yīng)按照?qǐng)D36進(jìn)行加工。1#法蘭的焊接便適用此情形，厚件理應(yīng)開(kāi)75°坡口，而實(shí)際的坡口角度目測(cè)只有45°，如圖32所示。所以在焊接過(guò)程中，問(wèn)題之一便是開(kāi)坡口問(wèn)題。

本次發(fā)生泄漏處為不銹鋼法蘭和碳鋼彎頭對(duì)焊的熱影響區(qū)，焊縫形貌如圖33所示，焊縫及左邊基體可以侵蝕，為碳鋼材質(zhì)，右邊基體無(wú)法侵蝕為不銹鋼材質(zhì)，對(duì)比明顯。理論上講不銹鋼與碳鋼的焊接應(yīng)選用不銹鋼焊條，但是從化學(xué)成分、金相分析結(jié)果來(lái)看，此處選用的焊條為碳鋼焊條。問(wèn)題之二是焊條選用問(wèn)題。

異種鋼的焊接需控制焊縫中母材金屬的比例，即熔合比。其目的是減少焊縫裂紋。熔合比過(guò)大焊縫過(guò)分稀釋?zhuān)墒购缚p中奧氏體成份不足，導(dǎo)致出現(xiàn)馬氏體組織，使接頭脆性產(chǎn)生裂紋。母材金屬的熔合比要控制在30%以?xún)?nèi)，就能獲得理想的奧氏體+鐵素體雙相組織。可以避免焊縫裂紋。

從硬度檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，2#焊縫熱影響區(qū)硬度院高于基體硬度，硬度高脆性就好，容易產(chǎn)生裂紋，圖34為肉眼可見(jiàn)的裂紋，位于焊縫底部。

圖35為2#焊縫處貫穿裂紋宏觀形貌，滲漏也是由于貫穿裂紋引起。從宏觀形貌可以看出，裂紋擴(kuò)展時(shí)分叉較多，分叉多也就造成了打開(kāi)后的表面崎嶇不平。圖36未尚未貫穿裂紋的宏觀形貌，從圖中可以看出，裂紋分叉特征明顯。裂紋表面發(fā)生了腐蝕，腐蝕產(chǎn)物檢測(cè)結(jié)果為FeCO3，從裂紋分叉及腐蝕情況可以得出，裂紋擴(kuò)展是由于應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂引起，管道內(nèi)壓力可達(dá)十幾兆帕，同時(shí)管內(nèi)介質(zhì)為生產(chǎn)水，使其處于腐蝕環(huán)境中，加上前期焊接造成的開(kāi)裂，最終形成了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，造成了管件的滲漏失效。

2.2 小結(jié)

（1）經(jīng)材質(zhì)鑒定，1#法蘭材質(zhì)為不銹鋼，其余管件、法蘭材質(zhì)為碳鋼；

（2）垢樣X(jué)RD檢測(cè)結(jié)果為FeCO3，伴有一定量的FexSy及鈣垢；

（3）1#法蘭和3#彎管對(duì)焊時(shí)，壁厚差超過(guò)3mm，厚件未按要求開(kāi)坡口；

（4）不銹鋼和碳鋼對(duì)焊時(shí)焊條選用錯(cuò)誤，選用的焊條為碳鋼焊條，導(dǎo)致熱影響區(qū)出現(xiàn)了魏氏組織，產(chǎn)生了裂紋；

（5）管件滲漏原因?yàn)楹附硬缓细?，異種鋼、異種壁厚焊接產(chǎn)生了裂紋，在腐蝕介質(zhì)作用下，發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

2.2 建議

（1）異種鋼、異種壁厚焊接需嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，在焊條的選用上應(yīng)首先考慮不銹鋼焊條，控制好焊接工藝，否則容易產(chǎn)生焊接裂紋；

（2）不銹鋼和碳鋼連接，容易產(chǎn)生電偶腐蝕問(wèn)題，應(yīng)盡量避免；

（3）硫化物顯示：焊縫部位可能發(fā)生微生物腐蝕（MIC）；

（4）盡量減少異種鋼對(duì)焊，可以考慮將1#法蘭更換為碳鋼法蘭。