油氣計(jì)量裝置彎管接頭腐蝕失效的原因

丁亞塞,余金海,余正倫,池愛文,張安將

(1. 浙江金龍自控設(shè)備有限公司，瑞安 325200； 2. 中國科學(xué)院 寧波材料技術(shù)與工程研究所，寧波 315201)

隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對(duì)石油需求量與日俱增。在原油開采過程中，為掌握油田的動(dòng)態(tài)變化，需要對(duì)油井產(chǎn)出液中各組分的流量進(jìn)行連續(xù)的計(jì)量，提供實(shí)時(shí)計(jì)量數(shù)據(jù)。油氣計(jì)量裝置因結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、計(jì)量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)得以廣泛應(yīng)用。然而，在使用過程中,油氣計(jì)量裝置的彎管接頭常出現(xiàn)腐蝕穿孔,導(dǎo)致原油泄漏，熱煨工藝不當(dāng)、原材料缺陷及服役環(huán)境等均可能造成彎管失效[1-3]。另外，由于彎管接頭處結(jié)構(gòu)的特殊性，其腐蝕往往會(huì)更嚴(yán)重[4-8]。

某采油廠計(jì)量裝置采用的彎管接頭在投產(chǎn)使用2個(gè)月后即發(fā)生腐蝕穿孔，造成原油泄漏。失效彎管接頭的規(guī)格為φ108 mm×8 mm，材料為Q345鋼，工作壓力為2.5 MPa，流速為5～15 m/s，工作溫度為戶外自然溫度(20～30) ℃，輸送介質(zhì)為原油，失效彎管接頭投入運(yùn)行時(shí)間為60 d。為弄清彎管接頭發(fā)生腐蝕失效的原因，采用組織觀察、成分分析和電化學(xué)分析技術(shù)對(duì)彎管接頭進(jìn)行理化檢驗(yàn)，以預(yù)防同類失效事故的再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)與結(jié)果

1.1 宏觀形貌分析

肉眼觀察彎管接頭穿孔處的形貌，結(jié)果見圖1。結(jié)果表明，蝕孔尺寸約51.46 mm×11.23 mm，穿孔處內(nèi)壁呈階梯層片狀腐蝕形貌，周圍布滿大小不同、深度不一的局部腐蝕坑；穿孔處外壁相對(duì)較完整，周圍未見明顯腐蝕坑。從宏觀形貌可知，穿孔處周圍內(nèi)壁腐蝕程度較外壁更嚴(yán)重，蝕孔尺寸明顯更大。由此推斷，蝕孔是從內(nèi)壁產(chǎn)生，逐漸向外壁延伸擴(kuò)展，最終形成大面積穿孔。

1.2 化學(xué)成分分析

對(duì)失效彎管接頭進(jìn)行化學(xué)成分分析，以確定其成分是否合乎要求，結(jié)果如表1所示。由表1可見，失效彎管接頭的化學(xué)成分符合Q345鋼的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，可排除由于化學(xué)成分不合格導(dǎo)致彎管接頭腐蝕失效的可能性。

(a) 內(nèi)壁

(b) 外壁圖1 彎管接頭穿孔位置宏觀形貌Fig. 1 Macro-morphology of perforation position on elbow joint: (a) internel wall; (b) external wall

表1 失效彎管接頭的化學(xué)成分Tab. 1 Chemical composition of failed elbow joint (mass fraction) %

1.3 顯微組織分析

從失效彎管接頭帶有裂紋的彎道截面取樣，試樣經(jīng)砂紙逐級(jí)(至2 000號(hào))打磨，機(jī)械拋光后用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液進(jìn)行浸蝕，然后通過ZeissObserve D1m型金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察。

由圖2可見：失效彎管接頭的母材組織為鐵素體和珠光體，并呈帶狀分布。按GB/T 13299-1991標(biāo)準(zhǔn)《鋼的顯微組織評(píng)定方法》,帶狀組織級(jí)別為4級(jí)；按GB/T 10561-2005標(biāo)準(zhǔn)《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定 標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》,母材中非金屬夾雜物級(jí)別為A0.5、B0.5、C0.5、D0.5級(jí)。由圖2還可以看出，焊縫組織為枝狀晶；熱影響區(qū)存在裂紋，且組織粗大。母材、焊縫及熱影響區(qū)組織特征表明，該彎管接頭的焊接質(zhì)量不佳，填充金屬和母材之間有明顯的界面。焊接過程對(duì)焊縫附近的管材有明顯熱影響，使管材在拉拔過程中形成的帶狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)榈容S晶，導(dǎo)致該處管材的耐腐蝕性能下降。

1.4 腐蝕產(chǎn)物成分分析

從失效彎管接頭內(nèi)部帶銹層取樣，采用多晶X射線衍射儀對(duì)腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行物相分析,圖略。結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物中含有FeO(OH)、SiO2以及微量FeCO3。由此判斷，彎管接頭主要發(fā)生了氧腐蝕。

1.5 電化學(xué)分析

從失效彎管接頭上取樣，取樣位置如圖3所示，制成電極試樣(工作面積為1.0 cm2)進(jìn)行極化曲線和電化學(xué)阻抗譜等電化學(xué)測(cè)試。測(cè)試采用三電極系統(tǒng)，鉑電極為對(duì)電極，飽和甘汞電極為參比電極，試樣為工作電極。電極試樣在使用前用丙酮、乙醇和蒸餾水依次清洗后吹干，測(cè)試溶液為3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))NaCl溶液，測(cè)試溫度為25 ℃。

(a) 母材 (b) 焊縫 (c) 熱影響區(qū)圖2 失效彎管接頭不同區(qū)域的顯微組織Fig. 2 Microstructure of different regions of failed elbow joint: (a) base metal; (b)weld; (c) heat affected zone

圖3 電化學(xué)測(cè)試取樣位置示意圖Fig. 3 Schematic diagram of sampling positions for electrochemical testing

圖4為失效彎管接頭在3.5% NaCl溶液中的極化曲線，對(duì)極化曲線進(jìn)行擬合,所得電化學(xué)參數(shù)見表2。由表2可看出，失效彎管接頭不同位置的自腐蝕電位由低到高排列為外弧側(cè)<側(cè)面<內(nèi)弧側(cè)，自腐蝕電流密度由大到小排列為外弧側(cè)>側(cè)面>內(nèi)弧側(cè)。比較發(fā)現(xiàn)，外弧側(cè)的自腐蝕電位最低，自腐蝕電流密度最大，表明彎管接頭外弧側(cè)的電化學(xué)腐蝕趨勢(shì)最大，即在相同腐蝕環(huán)境中，彎管接頭的外弧側(cè)最易發(fā)生腐蝕。

圖4 失效彎管接頭各試樣在3.5% NaCl溶液中 的極化曲線Fig. 4 Polarization curves of specimens of failed elbow joint in 3.5% NaCl solution

表2 極化曲線擬合結(jié)果Tab. 2 Fitted results of polarization curves

圖5為失效彎管接頭在3.5% NaCl溶液中的電化學(xué)阻抗譜。由圖5可看出，彎管接頭不同位置的阻抗譜均由高頻段的容抗弧和低頻段的感抗弧組成。彎管接頭外弧側(cè)高頻容抗弧半徑最小，說明其極化電阻最小，腐蝕最嚴(yán)重，這與極化曲線得到的結(jié)論是一致的。

圖5 失效彎管接頭各試樣在3.5% NaCl溶液中的 電化學(xué)阻抗譜Fig. 5 Electrochemical impedance spectroscopy of specimens of failed elbow joint in 3.5% NaCl solution

綜上，彎管接頭外弧側(cè)的耐蝕性要比側(cè)面及內(nèi)弧側(cè)的差，這可能是彎管接頭的彎制工藝及焊接過程使材料組織發(fā)生變化，從而影響了材料的性能。

2 失效原因分析

在計(jì)量裝置中，彎管接頭彎曲造成流體力學(xué)參數(shù)發(fā)生變化，容易發(fā)生腐蝕。由于計(jì)量裝置中流體包含原油、油田水、天然氣，彎管的腐蝕是多種腐蝕介質(zhì)共同作用的結(jié)果。除了受共同外界條件影響外，不同腐蝕介質(zhì)間也會(huì)相互影響。彎管的腐蝕與流體的運(yùn)動(dòng)息息相關(guān)，多相流經(jīng)過彎管后,其流速、液相分布、湍動(dòng)能、壓力大小分布都發(fā)生了變化，導(dǎo)致彎管腐蝕加速。高速流體沖刷管壁，破壞腐蝕產(chǎn)物膜，促進(jìn)腐蝕惡化[9]。彎管處結(jié)構(gòu)的變化，引起流體流動(dòng)發(fā)生變化，破壞了流體穩(wěn)定的邊界層，混輸液的速度梯度變大也會(huì)使管壁腐蝕更嚴(yán)重[10]。

彎管接頭內(nèi)壁外弧側(cè)在焊接過程中存在一定的焊接缺陷，外弧側(cè)耐腐蝕性能較弱，腐蝕坑首先在這里產(chǎn)生。由腐蝕產(chǎn)物分析可知，彎管內(nèi)壁主要發(fā)生氧腐蝕，這是由于彎管接頭內(nèi)部流體中含有溶解氧，與管壁發(fā)生電化學(xué)腐蝕，生成疏松多孔的腐蝕產(chǎn)物FeO(OH)。腐蝕產(chǎn)物在基體上的附著能力差，易被內(nèi)部腐蝕介質(zhì)穿透。再加上彎管接頭內(nèi)壁外弧側(cè)液體流速較快，沖刷帶走表面腐蝕產(chǎn)物[11]，不斷裸露出新的基體，使得金屬基體缺乏有效保護(hù)，彎管接頭內(nèi)壁外弧側(cè)不斷與腐蝕介質(zhì)接觸，加速腐蝕，腐蝕坑不斷向外伸展，最終發(fā)生穿孔。

3 結(jié)論與建議

失效彎管接頭腐蝕類型主要為氧腐蝕，生成的腐蝕產(chǎn)物疏松多孔，不具備保護(hù)能力，在流體沖刷作用下不斷剝落，造成腐蝕加劇。在焊接過程中，失效彎管接頭熱影響區(qū)存在焊接缺陷，導(dǎo)致其耐腐蝕性能減弱；彎管接頭內(nèi)壁外弧側(cè)耐腐蝕性能最弱，腐蝕坑優(yōu)先形成于此處，再加上該處腐蝕環(huán)境更惡劣，因此更易發(fā)生腐蝕穿孔。

建議對(duì)彎管接頭焊接部位進(jìn)行焊后熱處理，消除焊縫不致密問題。