某油田地面集輸管道彎頭腐蝕的原因

喬德康,郗文博,張倫亭,李 尤,陳 浩,蔡 銳

(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司,天津 300452；2.中國石油集團石油管工程技術(shù)研究院 石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室,西安 710077)

某油田為提高采收率和降低采油成本，陸續(xù)實施了二氧化碳吞吐和二氧化碳驅(qū)油工藝，使得采出液和伴生氣中的二氧化碳含量升高，同時伴生氣中開始出現(xiàn)硫化氫。近年來，地面集輸管道腐蝕穿孔事故頻繁發(fā)生，嚴重影響了油田的正常生產(chǎn)。

某外輸管線自實施二氧化碳吞吐和二氧化碳驅(qū)油工藝以來，在管道的底部、彎頭等部位發(fā)生了多次腐蝕穿孔。該管線長3.05 km，采用規(guī)格為φ219 mm×7 mm的無縫鋼管，運行壓力為0.89 MPa，材料為20號鋼，工作壓力為1.0 MPa左右，工作溫度為40～60 ℃，腐蝕穿孔基本為內(nèi)部腐蝕所致。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

將發(fā)生腐蝕穿孔的管道彎頭對剖，觀察管段外壁和內(nèi)壁的宏觀形貌，并采用數(shù)碼相機進行拍照記錄，見圖1。該彎頭為對接焊彎頭，其外壁完好，無明顯腐蝕坑及腐蝕產(chǎn)物，如圖1a)所示。管體內(nèi)壁發(fā)生明顯腐蝕的區(qū)域表面光滑，無明顯疏松狀物質(zhì)存在，未見明顯腐蝕的區(qū)域表面有一層完整且致密的物質(zhì)。腐蝕區(qū)域主要集中在管道彎頭的底部、焊縫及其附近區(qū)域、彎頭轉(zhuǎn)角部位等，腐蝕表面呈明顯的溝槽狀，管壁局部減薄極其嚴重，穿孔位置在焊縫處，如圖1b)、圖1c)所示。

圖1 穿孔管道彎頭各部位的宏觀形貌

1.2 化學成分分析

從穿孔管道彎頭上取樣，按照GB/T 4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法》，用ARL 4460型直讀光譜儀對其進行化學成分分析，結(jié)果見表1，其化學成分符合標準值。

表1 穿孔管道彎頭的化學成分

1.3 金相檢驗

從管道彎頭上取樣，依據(jù)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》、GB/T 6394-2017《金屬平均晶粒度測定方法》和GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，進行組織、晶粒度及非金屬夾雜物分析，并對腐蝕坑附近區(qū)域的腐蝕形貌及顯微組織進行觀察，結(jié)果如表2和圖2所示。由表2和圖2可見：管道彎頭的顯微組織均勻細小且無異常，為鐵素體+珠光體，晶粒度為8級；非金屬夾雜物未超標準尺寸；管道彎頭主要為內(nèi)壁腐蝕，腐蝕坑底未發(fā)現(xiàn)裂紋，組織無異常。

表2 穿孔管道彎頭非金屬夾雜物的評級結(jié)果

圖2 穿孔管道彎頭及腐蝕坑周圍的顯微組織

1.4 掃描電鏡觀察及能譜分析

從管道彎頭穿孔部位取樣，采用掃描電鏡(SEM)及能譜儀(EDS)對試樣表面進行觀察及腐蝕產(chǎn)物成分分析。如圖3所示，試樣表面覆蓋了一層相對致密的腐蝕產(chǎn)物，局部腐蝕坑較為明顯。由表3可知，腐蝕坑(A)內(nèi)主要含有鐵、碳、硫、氧四種元素，而腐蝕坑外(B,C兩處)則主要含有鐵、氧、碳三種元素，硫元素在腐蝕坑內(nèi)有聚集的現(xiàn)象。

表3 圖3不同位置處的EDS分析結(jié)果

圖3 管道彎頭穿孔部位的SEM形貌

2 模擬腐蝕試驗結(jié)果

采用與現(xiàn)場管道材料相同的20號鋼掛片試樣，在高溫高壓釜內(nèi)進行模擬腐蝕試驗，分析20號鋼在現(xiàn)場環(huán)境中的腐蝕規(guī)律。試驗環(huán)境為模擬現(xiàn)場環(huán)境，腐蝕介質(zhì)采用現(xiàn)場取回的水樣，水的體積分數(shù)為75%，pH為7.13，礦化度為3.02 g/L，水樣分析結(jié)果如表4所示，試驗參數(shù)如表5所示。模擬腐蝕試驗結(jié)束后，對試樣表面進行去污劑及除膜液清洗處理，清除表面的腐蝕產(chǎn)物，在干燥箱中放置12 h后，采用FR2300MK型電子天平稱量，計算試樣的質(zhì)量損失和腐蝕速率。

表4 現(xiàn)場水樣的離子含量 mg/L

表5 模擬腐蝕試驗參數(shù)

如圖4所示，20號鋼的腐蝕速率隨CO2體積分數(shù)的增大而增大。對腐蝕后的試樣表面進行觀察，如圖5所示。由圖5可見：CO2體積分數(shù)為5%和10%時，20號鋼表面呈均勻腐蝕形貌，無明顯的點蝕坑存在；CO2體積分數(shù)為20%時，20號鋼表面存在大量的點蝕坑。

圖4 不同CO2體積分數(shù)條件下20號鋼的腐蝕速率

圖5 不同CO2體積分數(shù)條件下20號鋼表面的腐蝕微觀形貌

3 分析與討論

管道彎頭的宏觀觀察及金相檢驗結(jié)果表明，管道彎頭外壁腐蝕十分輕微，內(nèi)壁存在大量的腐蝕坑，局部存在致密的腐蝕產(chǎn)物。因此，管道彎頭以內(nèi)壁腐蝕為主，穿孔為內(nèi)壁腐蝕所致。能譜分析結(jié)果表明，管道彎頭內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物主要含有鐵、氧、碳三種元素，腐蝕形貌及腐蝕產(chǎn)物形態(tài)均為典型的CO2腐蝕特征。由此可初步判斷管道彎頭內(nèi)壁發(fā)生CO2腐蝕。此外，與腐蝕坑外區(qū)域相比，腐蝕坑內(nèi)的硫元素含量非常高，表明腐蝕過程還伴隨有一定的H2S腐蝕[1-6]。

模擬腐蝕試驗結(jié)果表明，20號鋼的腐蝕速率隨CO2體積分數(shù)的增大而增大，在CO2體積分數(shù)為20%時，20號鋼表面出現(xiàn)大量的腐蝕坑。在試驗條件下，CO2與H2S的分壓比為20

此外，管道彎頭內(nèi)壁發(fā)生明顯腐蝕的部位表面光滑，無明顯疏松狀物質(zhì)存在；未見明顯腐蝕的部位表面有一層完整且致密的物質(zhì)。腐蝕主要發(fā)生在管道彎頭底部、焊縫及其附近區(qū)域、彎頭轉(zhuǎn)角部位等，腐蝕表面呈明顯的溝槽狀，局部腐蝕減薄極其嚴重，穿孔部位位于焊縫處。由此可判斷，管道彎頭內(nèi)壁腐蝕主要是其底部腐蝕介質(zhì)沉積、流體流向變化對管道彎頭造成的沖刷腐蝕所致。沖蝕是高速流體的機械損壞與電化學腐蝕共同作用的結(jié)果。發(fā)生腐蝕的金屬表面呈深或馬蹄形凹槽，一般按流體的流動方向進入金屬表面層，腐蝕表面光滑，沒有腐蝕產(chǎn)物積累[7]。

腐蝕集中在彎頭對接焊焊縫附近的主要原因是焊縫處會存在焊渣、焊瘤等，焊口及其附近區(qū)域?qū)膬煞矫婕觿「g：一方面，焊口及其附近區(qū)域成為活性區(qū)，成為陽極，發(fā)生腐蝕；另一方面，當流體突然被改變方向時(如彎管)或流體受內(nèi)壁障礙物(如環(huán)焊縫)阻擋時，被迫改變方向的部位，障礙物及其后面的管道所受的沖刷作用加劇，沖蝕就會加劇[8]。

4 結(jié)論

(1)管道彎頭減薄及穿孔主要是CO2和H2S 的協(xié)同腐蝕作用及流體沖刷腐蝕所致。

(2)應避免使用對接彎頭。