川渝頁巖氣集氣管線失效原因分析

文嶄 楊建英 王彥然 康林 青松鑄

1.四川長寧天然氣開發(fā)有限責(zé)任公司 2.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 3.國家能源高含硫氣藏開采研發(fā)中心 4.中國石油集團公司高含硫氣藏開采先導(dǎo)試驗基地 5.中國石油西南油氣田公司蜀南氣礦長寧頁巖氣作業(yè)區(qū)

在頁巖氣開采過程中，復(fù)雜的腐蝕環(huán)境容易造成金屬管線腐蝕失效，影響頁巖氣的安全生產(chǎn)，造成嚴(yán)重經(jīng)濟損失。2019年至今，川渝頁巖氣田的多條集氣管線在3～12個月內(nèi)穿孔失效，腐蝕問題日益凸顯，故頁巖氣腐蝕防控至關(guān)重要[1-3]。由于頁巖氣田在開發(fā)過程中存在多種與腐蝕相關(guān)的因素，所以系統(tǒng)地分析管線快速穿孔的主要因素，為針對性的防控措施設(shè)計實施提供技術(shù)支撐。

1 腐蝕環(huán)境條件分析

川渝頁巖氣某平臺一條材質(zhì)為L360N的集氣管線共輸送6口生產(chǎn)井的頁巖氣和返排液。該管線在距離平臺約300 m的位置發(fā)生了穿孔失效，穿孔處位于沿氣流方向4點鐘位置，且蝕孔周圍的3、6、9點鐘方向均存在不同深度的腐蝕坑(見圖1)。該集氣管線輸送壓力5.42 MPa，終點壓力5.3 MPa，輸氣溫度30 ℃。正常生產(chǎn)期間，6口井總?cè)债a(chǎn)氣量30×104m3，日產(chǎn)返排液量142 m3。

表1 返排液pH值和SRB含量測試結(jié)果井號pH值SRB含量/個·mL-1長寧H25A-16.636.0×104長寧H25A-66.770長寧H25A-76.716.0×101長寧H25A-86.632.5×100長寧H25A-96.842.5×101長寧H25A-106.726.0×104

2 失效管段材質(zhì)理化性能分析

2.1 金相組織分析

參照GB/T 13298-2015《金相顯微組織檢驗方法》，對該集氣管線失效處不同的兩處部位進(jìn)行金相組織分析，結(jié)果見圖2。從圖2可知，失效管段兩個部位的金相組織均為鐵素體和珠光體，組織結(jié)構(gòu)都較為均勻，金相組織性能符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。

2.2 成分分析

取失效管段的材質(zhì)進(jìn)行化學(xué)成分分析，測試結(jié)果見表2。從表2可知，失效管段材質(zhì)中所有元素含量均在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，符合L360N使用要求。

表2 集氣管線材質(zhì)成分分析結(jié)果w/%材料成分分析結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)要求C0.155 0≤0.240 0Si0.378 0≤0.450 0Mn1.350 0≤1.400 0P0.010 8≤0.025 0S0.004 7≤0.015 0Cr0.040 5-Mo<0.004 0-Ni0.018 7-Nb<0.002 0≤0.050 0V0.003 4≤0.100 0Ti<0.001 0≤0.040 0Cu0.013 1-B0.001 8-Al<0.001 0-

2.3 硬度測試

參照GB/T 230.1-2018《金屬材料洛氏硬度試驗 第一部分：試驗方法》，取失效管段5個不同部位的試樣，采用洛氏硬度計測試硬度值，測試結(jié)果見表3。從表3可知，試樣硬度平均值為163 HV，符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定(≤345 HV)。

表3 集氣管線材質(zhì)硬度測試結(jié)果HV位置1位置2位置3位置4位置5均值161.70163.67162.94163.33162.54163標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值≤345HV

2.4 力學(xué)性能測試

參照GB/T 228-2010《金屬材料室內(nèi)拉伸試驗方法》，采用萬能實驗機進(jìn)行拉伸實驗，測試失效管線穿孔位置和未穿孔位置兩處材質(zhì)的屈服強度、抗拉強度和伸長率，測試結(jié)果見表4。從表4可知，穿孔位置和未穿孔位置的材質(zhì)的各項力學(xué)性能指標(biāo)都在相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，符合L360N的使用要求。

表4 集氣管線材質(zhì)力學(xué)性能測試結(jié)果失效管段試樣屈服強度Rt0.5/MPa抗拉強度Rm/MPa伸長率/%未穿孔位置40355126.5未穿孔位置39354825.0穿孔位置37954628.5標(biāo)準(zhǔn)要求360～530460～760≥24

綜上所述，失效集氣管線材質(zhì)的金相組織均勻，化學(xué)元素含量和硬度均未超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值，各項力學(xué)性能也在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，其理化性能本身不應(yīng)造成管道失效。因此，需進(jìn)一步從微觀上深入分析管線的失效原因。

3 腐蝕形貌與產(chǎn)物成分分析

3.1 宏觀腐蝕形貌

采用體視顯微鏡觀察蝕孔和周圍腐蝕坑的宏觀形貌。如圖3(a)所示，穿孔處的蝕孔接近圓形，由內(nèi)向外壁厚逐漸減薄，表明集氣管線是在內(nèi)腐蝕的作用下發(fā)生的穿孔。穿孔部位和腐蝕坑內(nèi)部堆積有疏松的黑色產(chǎn)物和暗黃色的腐蝕產(chǎn)物，且存在明顯分層，穿孔部位還明顯產(chǎn)生了較多的裂紋。

3.2 微觀腐蝕形貌

采用掃描電鏡觀察穿孔部位和周圍腐蝕坑內(nèi)腐蝕產(chǎn)物的微觀形貌。如圖4(a)所示，蝕孔表面集中附著有一些光滑的圓球，嵌在下部的晶體膜之中。圖4(b)和圖4(c)表明，產(chǎn)物膜內(nèi)外都存在較多顆粒狀晶體，有的部位顆粒物質(zhì)較平整地覆蓋，有的部位則聚集形成大的塊狀結(jié)構(gòu)，在顆粒物中間還分散沉積有較多不規(guī)則的塊狀晶體。如圖4(d)所示，觀察下層的腐蝕產(chǎn)物，部分區(qū)域有較多的立方形晶體和針狀晶體形成。產(chǎn)物膜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不均質(zhì)，無法形成致密的膜結(jié)構(gòu)阻礙腐蝕的傳質(zhì)過程，所以腐蝕持續(xù)進(jìn)行，局部腐蝕迅速發(fā)展。

3.3 腐蝕產(chǎn)物成分分析

腐蝕產(chǎn)物的元素能譜圖見圖5和表5。從圖5和表5可知：腐蝕產(chǎn)物主要由Fe、C、O、S 4種元素組成，S的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到了16.39%，基本分布在塊狀晶體中；塊狀晶體中幾乎沒有O的分布，O分布在球狀物質(zhì)和顆粒物質(zhì)部位；腐蝕產(chǎn)物膜中沉積了較多的氧化物或FeCO3，而塊狀晶體的主要成分為硫化物。內(nèi)部夾雜的立方形晶體、針狀晶體主要由Fe、C、O組成，S比例較低(見圖6和表5)。這說明，立方形晶體和針狀晶體的化學(xué)成分應(yīng)是CO2的腐蝕產(chǎn)物或氧化物。

表5 腐蝕產(chǎn)物的元素組成分析元素外層腐蝕產(chǎn)物內(nèi)層腐蝕產(chǎn)物質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%原子數(shù)百分比/%質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%原子數(shù)百分比/%C9.8221.146.9018.06N0.220.42--O26.9943.6320.9141.11Si0.230.21--S16.3913.220.300.30Cl0.810.59--Ca0.330.220.120.09Mn0.450.211.730.99Fe42.8819.8670.0439.45Mo1.880.51--

對腐蝕產(chǎn)物橫截面進(jìn)行EDS線掃描，如圖7所示，實驗結(jié)果與圖5、圖6和表5的結(jié)果一致。產(chǎn)物的橫截面極不均勻，存在明顯的分層現(xiàn)象，F(xiàn)e、C和O在內(nèi)外膜層中分布較均勻。S基本集中在外層膜中，說明大多硫化物都在外部沉積；內(nèi)層膜為夾雜的另一種結(jié)構(gòu)的產(chǎn)物，內(nèi)層膜中，S的強度迅速降低，主要成分應(yīng)是CO2的腐蝕產(chǎn)物或氧化物。

對失效部位的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖8所示。從圖8可知：腐蝕產(chǎn)物的主要成分為FeCO3、FeS、FeOOH和Fe0.98O；FeCO3是CO2的腐蝕產(chǎn)物，說明CO2直接參與了腐蝕反應(yīng)[5]；因頁巖氣中不含H2S，故腐蝕產(chǎn)物中的FeS應(yīng)來自SRB的代謝；由于失效管件取出后暴露在空氣中，有部分腐蝕產(chǎn)物被氧化，所以產(chǎn)物中存在較多的FeOOH和Fe0.98O，符合EDS的實驗結(jié)果[6]。

4 失效原因分析

基于以上實驗結(jié)果，認(rèn)為該失效管線材質(zhì)的金相組織、化學(xué)成分、硬度和力學(xué)性能均符合GB/T 9711-2017《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》對L360N材料的相關(guān)規(guī)定，材料本身的質(zhì)量不是誘發(fā)腐蝕穿孔的因素。失效部位的宏觀形貌表明材料的失效是在內(nèi)腐蝕作用下發(fā)生的。蝕孔和周圍腐蝕坑內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物的主要形態(tài)是顆粒物質(zhì)，中間嵌有塊狀晶體和光滑球狀物質(zhì)，EDS和XRD實驗結(jié)果表明，塊狀晶體是FeS，其他物質(zhì)是FeCO3、FeOOH和氧化物的混合物，下層夾雜有一定的FeCO3立方晶體。

5 結(jié)論

(1) 該平臺失效集氣管線材質(zhì)的金相組織、化學(xué)成分、硬度、力學(xué)性能均符合GB/T 9711-2017的相關(guān)規(guī)定，集氣管線的失效與材質(zhì)本身的理化性能無關(guān)。

(2) 蝕孔周圍腐蝕坑的形狀接近圓形，發(fā)生由內(nèi)向外的腐蝕穿孔；該集氣管線穿孔部位的腐蝕產(chǎn)物主要成分是FeCO3和FeS；CO2和SRB的共同作用是誘發(fā)集氣管線腐蝕穿孔的重要原因。

(3) 建議對此類頁巖氣集氣管線采取加注抗CO2腐蝕的緩蝕劑和殺菌劑的防治措施，并加強清管。