某油田電泵井J55油管螺紋絲扣腐蝕失效分析

周 雄,齊亞猛

(寶山鋼鐵股份有限公司 1.鋼管條鋼事業(yè)部,上海 201900; 2.中央研究院,上海 201999)

1 概述

某油田電泵井油管采用φ73.02 mm×5.51 mm規(guī)格J55鋼級不加厚油管,油管服役2個月后發(fā)現(xiàn)生產不正常,液量由正常的100 m3/d下降至60 m3/d。作業(yè)隊取出油管發(fā)現(xiàn)第55～62根油管外螺紋發(fā)生腐蝕、刺漏(見圖1)。為找到油管螺紋腐蝕刺漏的原因,展開了分析。

圖1 J55油管外螺紋腐蝕照片

2 取樣及分析方案

為進行全面詳細分析,取含腐蝕螺紋的兩段600 mm管段(見圖2)。管段1進行理化性能分析,管段2進行螺紋絲扣失效處內外壁腐蝕產物微生物分析。

圖2 用于失效分析的管段照片

3 分析結果

3.1 理化性能

失效管的化學成分及API 5CT中對J55成分要求列于表1,分析結果表明,該管子的化學成分滿足標準要求。同時,管子S含量為0.003%、P含量為0.009%,有害元素的含量遠低于標準要求。圖3為失效管金相組織,組織為鐵素體和珠光體,未見組織異常。

圖3 金相組織

表1 失效油管化學成分

3.2 腐蝕產物分析

采用X射線衍射(XRD)方法對油管內壁腐蝕產物進行分析,結果見圖4。由圖4可知,油管內壁腐蝕產物主要成分為FeCO3,說明井工況中含有CO2腐蝕氣體。

圖4 失效管內壁腐蝕產物XRD結果

3.3 微生物分析

將螺紋失效處內外壁腐蝕產物加入到細菌培養(yǎng)瓶中,培養(yǎng)7天,然后抽去上層清液再注入新培養(yǎng)瓶中,培養(yǎng)結果見圖5。由培養(yǎng)結果可以發(fā)現(xiàn),螺紋失效處內外壁腐蝕產物中均含有硫酸鹽還原菌(SRB),同時還有腐生菌(TGB)和鐵細菌(FEB)。

圖5 螺紋失效部位內、外壁腐蝕產物微生物分析

3.4 宏觀形貌

J55油管主要失效為外螺紋局部腐蝕和刺漏。宏觀照片看局部腐蝕和穿孔發(fā)生在螺紋起始位置及向管體方向延伸,螺紋起始位置最外延已經穿孔腐蝕掉,向內還有3個局部腐蝕坑,最里面腐蝕坑較淺,見圖6(b);此外,局部腐蝕坑多呈圓或橢圓形狀,相鄰腐蝕坑之間有明顯腐蝕減薄痕跡,見圖6(b)黃色標記處;另外,在螺紋起始位置發(fā)現(xiàn)了局部腐蝕坑(圖6(c)),深度較深,服役時間延長可能會腐蝕穿孔。

圖6 螺紋失效部位宏觀照片

采用鋸床干切方法將失效管段管體部分剖開,管體內壁覆蓋有較厚的暗棕色腐蝕產物,肉眼觀察無明顯局部腐蝕。用清洗劑將管段2的一段腐蝕產物清洗掉,發(fā)現(xiàn)管體內壁呈現(xiàn)典型的CO2局部腐蝕形貌(XRD結果已證實),局部腐蝕深度淺且遍布整個鋼管內壁,該類局部腐蝕及減薄主要是CO2腐蝕所致。

將穿孔失效部位沿著紅色虛線切開,觀察螺紋處和內壁局部腐蝕情況。由圖7可見,內壁局部腐蝕相對較淺,而螺紋處局部腐蝕坑深度較深但未穿孔,螺紋起始位置已經穿孔。由以上結果可判斷,螺紋絲扣處局部腐蝕坑(見圖6(a))和內壁局部腐蝕(見圖8)不是一類局部腐蝕。

圖7 螺紋失效部位縱截面形貌

圖8 失效管管段剖面宏觀形貌

4 分析與討論

由理化性能結果可知,J55油管化學成分和金相組織均正常,并符合API5CT標準要求。

據油田用戶反饋信息,電泵井管柱僅第55～62根油管絲扣處發(fā)生腐蝕穿孔失效,其他油管絲扣及整個管體部分均未發(fā)生刺漏及腐蝕穿孔現(xiàn)象。通過 XRD分析結果可知,油管遭受了CO2腐蝕,但局部腐蝕較淺,不會引發(fā)穿孔刺漏,與實際情況相符合。宏觀形貌分析結論表明,管體內壁局部腐蝕與螺紋局部腐蝕明顯不同。如果螺紋穿孔刺穿是CO2腐蝕所引起,那么管體以及第55～62根外的其他螺紋處也會發(fā)生穿孔刺漏,因此,螺紋處穿孔刺穿并非CO2腐蝕所致。

由微生物分析可知,螺紋失效部位及內壁腐蝕產物中均含有SRB、TGB和FEB等細菌。微生物在適宜溫度下附著在鋼表面形成生物膜后會不斷生長、繁殖及代謝過程中會引起微生物腐蝕,最明顯的特征是嚴重局部腐蝕[1]。微生物膜是目前公認的導致發(fā)生微生物腐蝕的主要因素之一[2-4],即微生物附著于材料表面并形成生物膜,是材料腐蝕過程中的重要步驟。微生物膜內的細菌,可通過直接電子轉移(細胞膜上的電子轉運蛋白)或間接電子轉移(自身分泌的生物小分子電子轉移載體)從金屬獲得電子,起到“陰極去極化”作用,促進局部腐蝕[5-6]。此外,微生物在金屬表面形成內部環(huán)境相對穩(wěn)定的垢殼,這種穩(wěn)定的微生物菌落為相對固定的陽極,金屬為陰極,在“小陽極—大陰極”作用下促進局部腐蝕[5]。因此,微生物(SRB、TGB等)能夠導致金屬嚴重的局部腐蝕。據文獻可知,SRB最適宜的溫度為25～45 ℃[7],與第55～62根油管所處溫度相符合。螺紋部位或螺紋起始與管體之間部位易于形成“防干擾區(qū)”,更易于微生物的附著形成微生物膜,在微生物腐蝕作用下,螺紋起始部位腐蝕穿孔掉,在腐蝕作用下微生物可不斷向螺紋內部遷移進而產生更多的局部腐蝕坑(圖6)。因此,電泵井管柱僅第55～62根油管絲扣處發(fā)生腐蝕穿孔主要是微生物腐蝕所導致。

5 結論

(1)電泵井J55油管化學成分、金相組織均正常;管體內壁腐蝕產物主要為FeCO3,結合腐蝕形貌和腐蝕產物XRD分析,內壁局部腐蝕及減薄是CO2腐蝕所導致,然而螺紋絲扣處局部腐蝕并非CO2腐蝕原因。

(2)失效管螺紋絲扣失效處內外壁腐蝕產物均含有硫酸鹽還原菌(SRB)、腐生菌(TGB)和鐵細菌(FEB)。結合腐蝕形貌、工況信息和微生物分析結果,螺紋絲扣腐蝕穿孔主要為SRB、TGB和FEB微生物腐蝕所致。

(3)J55鋼級不適用于該電泵井工況,根據上述失效原因分析結果應采用耐CO2腐蝕和微生物腐蝕的油管產品。