海上油田生產(chǎn)水管線(xiàn)的腐蝕原因

田 宇

(中海石油(中國(guó))有限公司 湛江分公司,湛江 524057)

海上油氣田是國(guó)家重要的油氣生產(chǎn)基地，海上油氣生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。海上油田現(xiàn)場(chǎng)工藝流程包括生產(chǎn)分離器，熱處理器，電脫水器以及氣浮選器和核桃殼過(guò)濾器等，生產(chǎn)分離器主要處理來(lái)自井口平臺(tái)的油氣水混合流體。2019年，渤海某油田生產(chǎn)水系統(tǒng)運(yùn)行5 a后發(fā)生了由于內(nèi)腐蝕造成的腐蝕穿孔。雖然短時(shí)間內(nèi)通過(guò)管卡堵漏解決了泄漏問(wèn)題，但生產(chǎn)水管線(xiàn)的腐蝕已經(jīng)成為影響油田安全生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù)的重大隱患。

為了徹底解決生產(chǎn)水管道腐蝕穿孔問(wèn)題，現(xiàn)場(chǎng)針對(duì)泄漏失效管線(xiàn)開(kāi)展了腐蝕失效分析。圖1所示為海上油田現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝流程示意圖，失效管道見(jiàn)圖1中加粗線(xiàn)。腐蝕失效管道位于一級(jí)生產(chǎn)分離器水相出口與氣浮選器之間，泄漏點(diǎn)位于順流方向6點(diǎn)鐘位置,管線(xiàn)服役時(shí)間約5 a。一級(jí)分離器入口16英寸(0.406 m)主管線(xiàn)加注反向破乳劑(80 mg/L),緩蝕劑(50 mg/L)和破乳劑(80 mg/L)。三種化學(xué)藥劑的效果已經(jīng)過(guò)第三方驗(yàn)證。

腐蝕穿孔管道于2014年3月投產(chǎn)，2019年4月第一次發(fā)生內(nèi)腐蝕穿孔，相關(guān)信息如下：管道材質(zhì)為A106B碳鋼，管徑8英寸(0.203 m)，壁厚12 mm；管道內(nèi)水的含油量約400 mg/L，CO2含量為120 mg/L，運(yùn)行溫度64 ℃，運(yùn)行壓力250 kPa；管道內(nèi)介質(zhì)流速約為0.86～1.14 m/s；管道失效穿孔后的應(yīng)急處置見(jiàn)圖2。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 材質(zhì)分析

將失效管道剖開(kāi)后可見(jiàn)：該失效管道內(nèi)壁腐蝕嚴(yán)重，有嚴(yán)重的局部腐蝕，內(nèi)壁底部覆蓋一層結(jié)垢物。對(duì)其進(jìn)行超聲波測(cè)厚(除去泄漏穿孔周邊部位)，整個(gè)管道呈現(xiàn)整體減薄趨勢(shì)，最小壁厚為4.3 mm(減薄率為66.1%)，其最大壁厚約為9.8 mm(22.8%)。按圖3標(biāo)識(shí)部位取樣，進(jìn)行成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn)：失效管道化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。按圖3標(biāo)識(shí)部位取樣進(jìn)行拉伸性能測(cè)試，由表2可見(jiàn)，失效管道拉伸性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 渤海某油田生產(chǎn)工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)圖Fig. 1 Production process system diagram of an oilfield in Bohai Bay

圖2 生產(chǎn)水管道現(xiàn)場(chǎng)泄漏后的緊急處置圖Fig. 2 Emergency treatment for leakage of production water pipeline on site

圖3 生產(chǎn)水管道失效管段剖開(kāi)后形貌及取樣部位示意圖Fig. 3 Sketch map of appearance and sampling position of production water pipeline failure section after cutting

從失效管道上取樣進(jìn)行顯微組織分析(取樣位置見(jiàn)圖3)。母材的顯微組織見(jiàn)圖4，可以看出，管道母材組織主要為鐵素體+珠光體，母材晶粒大小均勻，未見(jiàn)組織異常。

1.2 垢樣分析

按圖5所示取四處腐蝕結(jié)垢試樣，進(jìn)行如下處理：首先用石油醚去除腐蝕產(chǎn)物中的污油，多次萃取，直至石油醚透明且與結(jié)垢產(chǎn)物有明顯分層。再用丙酮清洗結(jié)垢產(chǎn)物，直至丙酮透明。然后用濾紙分離結(jié)垢產(chǎn)物，裝入試樣袋，立即進(jìn)行能譜(EDS)和X射線(xiàn)衍射(XRD)分析，結(jié)果見(jiàn)表3和圖6。

表1 腐蝕產(chǎn)物的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1 Chemical composition of corrosion products (mass fraction)

表2 拉伸性能試驗(yàn)結(jié)果Tab. 2 Tensile test results

圖4 失效管道母材的顯微組織Fig. 4 Microstructure of failed pipeline base material

圖5 腐蝕部位垢樣的取樣示意圖Fig. 5 Schematic diagram of scale sample sampling distribution in corrosion part

表3 垢樣的EDS分析結(jié)果Tab. 3 EDS analysis results of scale samples

由表3可見(jiàn)：腐蝕部位垢樣的主要成分為FeCO3、FeOOH，其中從表層到腐蝕坑，F(xiàn)eCO3含量依次減少，最終腐蝕坑部位全部為FeOOH。

(a) 垢樣1 (b) 垢樣2

(c) 垢樣3 (d) 垢樣4圖6 4種垢樣的XRD圖譜Fig. 6 XRD patterns of 4 scale samples

1.3 SEM形貌

由圖7可見(jiàn)：腐蝕穿孔附近區(qū)域裂紋清晰可見(jiàn)，放大100倍還可見(jiàn)二次裂紋，晶粒突出，晶界明顯，是典型的腐蝕形貌。

圖7顯示基體表面覆蓋有一層垢樣，中間有一夾層，與基體和垢樣連接并不緊密。由圖7(b)可見(jiàn)，垢樣層相對(duì)致密，中間夾層表面崎嶇不平，相對(duì)粗糙，測(cè)得夾層的Cl質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14.07%，Cl元素的富集促進(jìn)了腐蝕的發(fā)生。

1.4 水質(zhì)分析及結(jié)垢預(yù)測(cè)

對(duì)生產(chǎn)水組分進(jìn)行分析，結(jié)果見(jiàn)表4。由于該水樣在空氣中放置時(shí)間超過(guò)1周，因此三價(jià)鐵離子可能是由于氧氣氧化亞鐵離子而形成的。

(a) 9X (b) 50X (c) 100X圖7 不同放大倍數(shù)下腐蝕穿孔附近區(qū)域的形貌Fig. 7 Morphology of the area near the corrosion perforation at different magnifications

表4 生產(chǎn)水的水質(zhì)分析結(jié)果Tab. 4 Water quality analysis results of produced water

采用中海油自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的結(jié)垢預(yù)測(cè)軟件對(duì)該水質(zhì)進(jìn)行結(jié)垢預(yù)測(cè)，顯示該水質(zhì)會(huì)生成碳酸鈣垢。

1.5 防垢劑評(píng)價(jià)

為了檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)防垢劑A及海上油田應(yīng)用其他防垢劑的有效性，開(kāi)展了效果確認(rèn)試驗(yàn)，同時(shí)，考慮垢樣中出現(xiàn)大量FeCO3垢，采用分光光度法對(duì)現(xiàn)場(chǎng)防垢劑抑制FeCO3的效果(主要檢測(cè)試驗(yàn)前后鐵離子變化)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 幾種防垢劑的使用效果Tab. 5 The effect of several anti-scaling agents

由表5可見(jiàn)：現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的防垢劑A及本次評(píng)價(jià)的其他防垢劑均能較好地抑制碳酸鈣垢，但是對(duì)于碳酸亞鐵垢均無(wú)效。由于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法有效清除管道內(nèi)壁的FeCO3垢，為了保證生產(chǎn)安全運(yùn)行，現(xiàn)場(chǎng)采用2205雙相不銹鋼代替了泄漏穿孔的碳鋼管道。

2 失效原因

在海上油氣田生產(chǎn)過(guò)程中，當(dāng)碳鋼管道內(nèi)表面附著固體物質(zhì)時(shí)，緩蝕劑是不能有效吸附于金屬表面的(見(jiàn)圖8，黑色端頭細(xì)線(xiàn)代表緩蝕劑)[1]，這導(dǎo)致固體表面下發(fā)生局部腐蝕。根據(jù)上述分析結(jié)果，推斷生產(chǎn)水管道腐蝕穿孔的原因?yàn)橄刃纬商妓醽嗚F，然后發(fā)生了垢下腐蝕。

根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道[2]：當(dāng)鹽水水中含有CO2氣體時(shí)，金屬腐蝕應(yīng)按照如下路線(xiàn)進(jìn)行：

圖8 管道內(nèi)壁結(jié)垢抑制緩蝕劑作用示意圖Fig. 8 Schematic diagram of scale inhibition and corrosion inhibitor on inner wall of pipeline

(1)

(2)

水中原先大量亞鐵離子參與了FeCO3的形成，當(dāng)上部FeCO3形成后，底部逐漸形成閉塞電池環(huán)境，發(fā)生局部腐蝕[3]：

(3)

(4)

(5)

(6)

當(dāng)腐蝕產(chǎn)物接觸氧氣時(shí)，發(fā)生如下化學(xué)反應(yīng)：

(7)

3 結(jié)論與建議

(1) 生產(chǎn)水管道腐蝕泄漏穿孔的原因如下:首先形成FeCO3垢，垢下發(fā)生了電化學(xué)腐蝕，最終導(dǎo)致腐蝕穿孔。

(2) 目前海上油田應(yīng)用的各類(lèi)防垢劑都不能有效抑制FeCO3垢。

(3) 由于生產(chǎn)水中含有48.78 mg/L總鐵，建議現(xiàn)場(chǎng)查清鐵離子來(lái)源，以便更好地控制鐵離子產(chǎn)生的源頭。

(4) 對(duì)已形成FeCO3垢的生產(chǎn)水管道，建議采用雙相不銹鋼管道代替碳鋼管道。