某油田原油輸送20鋼管線(xiàn)彎頭穿孔原因

羅 懿，楊 陽(yáng)，蔣曉斌，王驊鐘

(中海油(天津)管道技術(shù)工程有限公司，天津 300452)

0 引 言

某油田生產(chǎn)流量計(jì)進(jìn)口直徑20.32 cm(8″)鋼管彎頭在運(yùn)行3 a后發(fā)生泄漏。為了不影響生產(chǎn)，對(duì)該泄漏點(diǎn)進(jìn)行緊急帶壓堵漏，并用鐵水泥對(duì)其整體覆蓋，待停產(chǎn)大修時(shí)(約4個(gè)月后)予以更換。該鋼管彎頭材料為20鋼，管內(nèi)壁采用熱噴涂方法涂敷了陶瓷涂層，實(shí)際操作溫度為72～74 ℃，實(shí)際操作壓力為2.8～2.9 MPa，輸送介質(zhì)為密度0.870 2 g·cm-3的原油，原油中含砂量(體積分?jǐn)?shù))為0.003 5%，含硫量(體積分?jǐn)?shù))為0.174 %，含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為50%。歷史資料顯示，該管線(xiàn)輸送介質(zhì)中含有腐蝕性氣體，其中CO2體積分?jǐn)?shù)在1.78%～2.14%，H2S體積分?jǐn)?shù)為0.01%。

通常情況下，引起鋼管彎頭腐蝕的因素主要包括：管體材料或涂層選型與服役環(huán)境不匹配；管體材料或涂層的顯微組織存在缺陷；服役環(huán)境中存在應(yīng)力、腐蝕性介質(zhì)(CO2或H2S等酸性介質(zhì))、結(jié)垢、流速過(guò)大、高溫、細(xì)菌等現(xiàn)象[1]。該鋼管彎頭的設(shè)計(jì)壽命為20 a，實(shí)際使用壽命為3 a。為了找到該鋼管彎頭泄漏原因，避免再次出現(xiàn)同類(lèi)事件，作者對(duì)其進(jìn)行失效分析，并提出改進(jìn)措施。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

鋼管彎頭泄漏位置位于法蘭曲率半徑最大處，如圖1(a)所示。去除鐵水泥后，泄漏區(qū)域存在一個(gè)穿透型孔洞，孔洞呈圓形，直徑為2.8 cm，如圖1(b)和圖1(c)所示。觀察可見(jiàn)，穿孔為由內(nèi)向外發(fā)展形成，穿孔區(qū)域的外壁光滑，無(wú)腐蝕痕跡。綜上可知，鋼管彎頭呈現(xiàn)出內(nèi)腐蝕特征[2]。

圖1 失效彎頭宏觀形貌

沿軸向且保留完整穿孔區(qū)域?qū)濐^剖開(kāi)，依次用石油醚、酒精清洗內(nèi)壁表面油污，觀察內(nèi)壁形貌。內(nèi)壁表面有黑色及紅棕色附著物，附著物質(zhì)地疏松，存在分層現(xiàn)象；局部發(fā)現(xiàn)銹瘤狀物質(zhì)，剝離后發(fā)現(xiàn)金屬基體已發(fā)生腐蝕，甚至形成腐蝕坑，屬于典型的垢下腐蝕特征。內(nèi)壁表面不平整，存在多處凸起棱。沿凸起棱的痕跡勾勒出兩條弧線(xiàn)，為了便于分析，沿弧線(xiàn)將彎頭內(nèi)壁區(qū)域分為A，B，C等3個(gè)區(qū)域，如圖2(a)所示。其中：A區(qū)域?yàn)閮苫【€(xiàn)交叉靠?jī)?nèi)側(cè)的小三角區(qū)，表面可觀察到較均勻的涂層；B區(qū)域?yàn)閮苫【€(xiàn)交叉靠外側(cè)的大三角區(qū)，表面涂層稀薄，局部可觀察到裸露的基體；C區(qū)域涂層均勻，但存在輕微鼓泡。各區(qū)域交界處涂層存在翹邊、破損等缺陷，如圖2(b)所示。穿孔位于B區(qū)域，該區(qū)域除發(fā)生穿孔外，表面還有多處大小不一的腐蝕坑，腐蝕坑周邊附著疏松物質(zhì)和少量黑色堅(jiān)硬瘤狀物質(zhì)。由圖2(c)可見(jiàn)，與穿孔側(cè)相對(duì)的未穿孔側(cè)內(nèi)壁各區(qū)域交界處涂層破損現(xiàn)象嚴(yán)重，并且出現(xiàn)一條從C區(qū)域貫穿到B區(qū)域的粗線(xiàn)狀涂層痕跡(如箭頭所示)。

圖2 失效彎頭剖開(kāi)后內(nèi)壁宏觀形貌

1.2 剩余壁厚

采用GE DM5E型超聲波測(cè)厚儀對(duì)不同位置處的剩余壁厚進(jìn)行測(cè)量。由圖3可以看出，遠(yuǎn)離穿孔且在彎頭內(nèi)側(cè)位置的剩余壁厚最大，穿孔位置的壁厚最小，其余位置的壁厚相差不大，即A區(qū)域平均壁厚最大，其次為C區(qū)域，B區(qū)域平均壁厚最小。

圖3 失效彎頭不同位置的剩余壁厚測(cè)量值

1.3 化學(xué)成分

在失效彎頭無(wú)腐蝕的完好區(qū)域處取樣，采用SPECTRO LABLAVM11型直讀光譜儀，根據(jù)ASTM A106-18進(jìn)行化學(xué)成分分析。由表1可知，失效彎頭除硅元素含量偏高以外，其他元素含量均符合ASTM A106-18(A級(jí))要求。

表1 失效彎頭的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

1.4 顯微組織

在失效彎頭內(nèi)表面有涂層和無(wú)涂層區(qū)域以及穿孔區(qū)域切取金相試樣，經(jīng)預(yù)磨、拋光，用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用Zeiss observer A1m型倒置光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。由圖4可以看出，失效彎頭有涂層、無(wú)涂層和穿孔區(qū)域的顯微組織均為鐵素體+珠光體，根據(jù)GB/T 13298-2015判定其晶粒度為8.5級(jí)，顯微組織無(wú)異常。

圖4 失效彎頭不同位置處的顯微組織

1.5 微觀形貌

分別刮取彎頭內(nèi)壁附著物的表層產(chǎn)物和底層產(chǎn)物以及穿孔側(cè)B，C區(qū)域交界處的涂層和C區(qū)域的涂層，采用Zeiss EVO 18型掃描電鏡觀察微觀形貌。由圖5可知，內(nèi)壁附著物表層產(chǎn)物的形狀不規(guī)則且顆粒尺寸較大，底層產(chǎn)物相對(duì)致密，但表面仍存在孔隙。腐蝕介質(zhì)會(huì)通過(guò)這些孔隙滲入到金屬基體表面，造成金屬基體的腐蝕[3]。

圖5 失效彎頭內(nèi)壁附著物的微觀形貌

由圖6可見(jiàn)：穿孔側(cè)B，C區(qū)域交界處的涂層截面上存在多處直徑不一的氣孔，最大氣孔直徑約為200 μm；此處涂層表面不光滑、不致密。

圖6 穿孔側(cè)B，C區(qū)域交界處涂層的截面和表面微觀形貌

由圖7可見(jiàn)，穿孔側(cè)C區(qū)域涂層表面存在微氣孔，且分布較為密集，涂層厚度約為524.1 μm。綜上可知，失效彎頭內(nèi)壁的陶瓷涂層存在氣孔、厚度不均等質(zhì)量缺陷[4-5]，無(wú)法起到在腐蝕環(huán)境中的防腐作用。

圖7 穿孔側(cè)C區(qū)域涂層的微觀形貌

1.6 物相組成

在彎頭腐蝕坑表層、腐蝕坑底層以及內(nèi)壁表面黑色附著物處分別取樣，采用石油醚、酒精溶解脫脂，過(guò)濾并干燥處理后，使用Bruker D8 advance 型X射線(xiàn)衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析，掃描范圍為3°80°，采樣步寬為0.02°，波長(zhǎng)為1.540 56 nm。由圖8可知：腐蝕坑表層產(chǎn)物的主要物相為SiO2、CaCO3、FeCO3和Fe2O3·H2O，表明腐蝕坑表層產(chǎn)物既有腐蝕產(chǎn)物又有大量的垢和砂石；腐蝕坑底層產(chǎn)物主要物相為Fe3C、FeCO3和FeOOH；內(nèi)壁表面的黑色附著物主要為FeCO3、FeS和Fe(OH)3。由此推斷，內(nèi)壁表面腐蝕產(chǎn)物與H2S和CO2腐蝕有關(guān)[6-8]。

圖8 失效彎頭穿孔區(qū)域腐蝕坑處產(chǎn)物和內(nèi)壁表面黑色附著物的XRD譜

1.7 水質(zhì)及結(jié)垢預(yù)測(cè)

表2 現(xiàn)場(chǎng)水樣中離子的質(zhì)量濃度

1.8 彎頭內(nèi)部流場(chǎng)

采用FLUENT軟件對(duì)彎頭流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。彎管幾何建模參數(shù)如下：管外徑219.1 mm，彎曲半徑200 mm，彎管進(jìn)口長(zhǎng)度和出口長(zhǎng)度均為2 m，含水率(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為50%。模型以六面體網(wǎng)格形式進(jìn)行劃分，邊界條件設(shè)置參數(shù)如下：入口設(shè)置為速度入口，出口設(shè)置為壓力出口，壓力為2.9 MPa；使用VOF模型計(jì)算多相流，湍流模型使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。由圖9可見(jiàn)，彎頭外弧面曲率最大處受到的流體壓力最大，且隨著流速的增加，外壁面受力逐漸升高。這是因?yàn)閮?nèi)部流體在彎頭外弧面的動(dòng)能極大程度轉(zhuǎn)變?yōu)楸葔耗埽瑢?dǎo)致該區(qū)域所受壓力最大。在流體較大沖擊力作用下，該區(qū)域內(nèi)壁涂層和表面腐蝕產(chǎn)物層遭到破壞而引發(fā)腐蝕[12]。在實(shí)際工況下該彎頭中原油介質(zhì)的平均流速約為1.4 m·s-1。由于彎頭外弧面曲率最大處內(nèi)壁B區(qū)域的涂層較薄，在流體的沖擊下更容易發(fā)生破損，從而加速內(nèi)壁腐蝕，直至穿孔。

圖9 不同流速流體作用下彎頭內(nèi)的壓力分布

2 泄漏原因分析

3 結(jié)論與建議

(1)彎頭內(nèi)壁陶瓷涂層存在厚度不均、氣孔、鼓泡等質(zhì)量缺陷，并且在外弧面曲率較大處彎頭壁厚最小，形成低洼區(qū)；原油所含的水極易產(chǎn)生CaCO3水垢，沉積在低洼區(qū)而引起垢下腐蝕。在彎頭內(nèi)部原油介質(zhì)中CO2、H2S、SRB以及Cl-的協(xié)同作用下，在流體沖擊壓力最大且涂層破損最嚴(yán)重的外弧面曲率最大處形成腐蝕穿孔。

(2)建議陶瓷涂層生產(chǎn)廠家優(yōu)化工藝配方，提高陶瓷涂層材料的致密性，同時(shí)加強(qiáng)涂層質(zhì)量檢驗(yàn)；持續(xù)對(duì)除垢劑和除菌劑的效果進(jìn)行評(píng)定，降低結(jié)垢和微生物腐蝕引起的管道失效的風(fēng)險(xiǎn)。