某輸油管道腐蝕穿孔失效原因分析*

1 概 述

管道輸送是石油和天然氣資源最便捷的運(yùn)輸方式之一

。 近年來， 隨著國內(nèi)外苛刻環(huán)境條件的油氣田相繼投入開發(fā)， 輸油管道在服役過程中極易出現(xiàn)腐蝕、 彎曲、 表面損傷、 開裂等問題

， 導(dǎo)致管道泄漏、 斷裂、 著火等事故發(fā)生， 造成環(huán)境污染或者人身傷亡。 因此， 研究管道泄漏失效原因?qū)Υ_保管道安全運(yùn)營具有重要意義

。

非洲某油田S 井于2011 年完井試油， 2019 年發(fā)現(xiàn)Φ168.3 mm×5.6 mm 輸油管道泄漏， 經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)泄漏位置位于站外管線下坡低點(diǎn)處的管道底部， 其宏觀形貌如圖1 所示。 管道設(shè)計(jì)壓力為4.5 MPa， 實(shí)際運(yùn)行壓力為0.8～1.4 MPa。 管道輸送介質(zhì)為油氣水， 含水率為1%～14%， 管內(nèi)介質(zhì)流速為0.03～0.08 m/s。 詳細(xì)氣體組分和現(xiàn)場水質(zhì)分析結(jié)果分別見表1 和表2， 其中表1 為管道初始設(shè)計(jì)時(shí)氣體條件， 后期油田生產(chǎn)過程中間歇性檢測出含有少量H

S。

2 失效油管理化檢驗(yàn)

2.1 外觀檢測

通過圖1 可知， 泄漏管道外壁未見明顯的腐蝕痕跡， 而管內(nèi)壁局部有嚴(yán)重腐蝕， 因此造成管道穿孔泄漏。 沿管段底部軸向覆蓋有一層較厚且起伏不平的黑色垢類物質(zhì)， 垢層厚度多為1～2 mm， 最厚處約5 mm， 垢層寬度約為60 mm。 腐蝕穿孔處的垢類物質(zhì)可能在穿孔后受到管內(nèi)介質(zhì)沖刷而脫落。 由于垢層僅在管線下坡低點(diǎn)處管段底部位置出現(xiàn)， 因此推測垢層可能由油管介質(zhì)內(nèi)的沉積物、 結(jié)垢或腐蝕產(chǎn)物而共同形成。

對博大精深的梅葛文化來說，語言問題是重中之重。盡管過去的文藝工作的群眾路線落實(shí)得很到位，但如果不能掌握民族語言，翻譯和理解都難免有差錯(cuò)。

腐蝕穿孔位置附近垢層下局部腐蝕形貌如圖2 所示。 經(jīng)觀察， 管段底部垢層較為疏松， 某些位置處的垢層存在肉眼可見的孔洞， 如圖2 中紅色區(qū)域所示， 因此垢層對底部的管體不能起到較好的保護(hù)作用。 在這些疏松的垢層下方， 伴隨有明顯的局部腐蝕發(fā)生。 距穿孔位置300 m 處管段的形貌如圖3 所示， 在較為致密的垢層下方以及垢層以外的位置未發(fā)現(xiàn)明顯的局部腐蝕， 說明局部腐蝕（穿孔） 的發(fā)生與疏松的垢層密切相關(guān)， 初步判定是由垢下腐蝕而引起的嚴(yán)重局部腐蝕穿孔。

2.2 管材化學(xué)成分分析

某型地空導(dǎo)彈系統(tǒng)組成如圖2所示，各單元采用相同的時(shí)間同步設(shè)計(jì)，下面以在搜索雷達(dá)中的設(shè)計(jì)、應(yīng)用為例進(jìn)行介紹。

2.3 力學(xué)性能檢測

從物理模型來看影響邊坡下滑的主要因素是，坡腳傾角較大引起自重下滑分力增大，摩擦力減小，即高度越大、邊坡越陡，其穩(wěn)定性越低，造成巖質(zhì)邊坡滑坡；片狀巖質(zhì)邊坡之間水流下滲，水對巖質(zhì)邊坡起到潤滑作用導(dǎo)致摩擦系數(shù)降低，尤其是層與層之間為粘土或者砂土膠結(jié)物時(shí)，粘結(jié)力會明顯降低，從而降低了摩擦力，增加邊坡的塌方、滑坡等自然災(zāi)害。

2.4 管材金相組織分析

管道腐蝕穿孔位置附近的表面垢層及腐蝕產(chǎn)物膜的XRD 分析結(jié)果如圖5 所示。 結(jié)果表明，管段底部穿孔位置的垢層主要由FeS、 FeCO

及SiO

組成。 通過能譜分析， 在垢層中并未檢測出Ca、 Mg 等元素， 由此可見， 垢層主要是由沉降的砂石 （SiO

） 和腐蝕產(chǎn)物 （FeS、 FeCO

） 相互摻雜形成的， 并非由水質(zhì)結(jié)垢而形成。 此外， 從衍射峰的相對強(qiáng)度來看， 垢層中的組分以FeCO

以及沉積的砂石 （SiO

） 為主， FeS 的含量相對較少。

3 腐蝕產(chǎn)物分析

管材的正常組織為細(xì)小均勻的鐵素體+珠光體。 在腐蝕穿孔管段不同位置取樣進(jìn)行金相分析，結(jié)果如圖4 所示， 由圖4 可知， 管材的金相組織均由鐵素體+珠光體組織構(gòu)成， 且兩相分布均勻， 相比于其他位置， 穿孔底部位置處未見組織夾雜物，因此， 局部腐蝕穿孔并非由于組織引起。

分別對脫落的垢層進(jìn)行SEM 形貌觀察及EDS 能譜分析， 穿孔附近的垢層表面及截面的SEM 形貌如圖6 所示， 垢層截面的EDS 成分面掃圖如圖7 所示， 垢層截面不同位置的EDS 點(diǎn)成分分析結(jié)果如圖8 所示。

“我們再往上爬得試試，將頭伸到棋盤上，看看他們在弄什么鬼！”由四人合抱到一人可抱，由牛腿粗細(xì)到手腕粗細(xì)，樹枝愈上愈細(xì)，樹頂?shù)闹l已經(jīng)是盈盈可握，他們大著膽子往上蹭，也只能夠雙手蟬蜩一樣抱著樹條，搖搖晃晃，小心翼翼地將頭伸出來，看到灑滿月光的棋盤，還有棋盤兩邊，長袍博冠，朱顏白發(fā)，薄嗔微怒，危坐弈棋的兩位老人！

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

對管材進(jìn)行化學(xué)成分分析， 分析結(jié)果見表3。 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

規(guī)定， 除表3 中列出的管材化學(xué)成分要求外， 管材的化學(xué)成分還要求w（Nb+V）≤0.06%、 w（Nb+V+Ti）≤0.15%。 經(jīng)對比， 該管材化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

另外， 由圖6 （c）、 圖6 （d） 可知， 內(nèi)層、外層膜中均摻雜有一定量的砂石顆粒（SiO

）， 這是由于在腐蝕過程中， 介質(zhì)內(nèi)的砂石沉淀至底部與腐蝕產(chǎn)物膜相互摻雜導(dǎo)致。 垢層外側(cè)的局部放大截面EDS 面掃圖如圖9 所示， 可以看出垢層中彌散分布著大小不一的砂石顆粒， 從而導(dǎo)致腐蝕產(chǎn)物膜不完整， 不能為垢層下方的金屬基體提供較好的保護(hù)作用。 特別是在局部位置（如圖2 （a） 中紅色框） 的垢層中存在肉眼可見的孔洞時(shí)， 這些孔洞可以為腐蝕介質(zhì)提供傳輸通道， 加速了垢層下方的局部腐蝕。

由圖6 可知， 垢層截面可以分為三層， 中間層最為致密， 內(nèi)層次之， 外層最為疏松。 由圖7、圖8 的成分分析結(jié)果可知， 內(nèi)層及中間層以Fe、O 元素為主 （由于樣品表層噴碳才能進(jìn)行觀察，故C 元素未進(jìn)行統(tǒng)計(jì)）， 外層以Fe、 S、 O 元素為主。 結(jié)合圖8 中EDS 點(diǎn)分析的元素含量比例以及圖5 中XRD 的分析結(jié)果可以推斷， 內(nèi)層及中間層膜主要為FeCO

， 外層膜主要為FeCO

和FeS 的混合物， 且外層膜以FeS 為主。

由于管內(nèi)介質(zhì)的礦化度較低， 氣體組分中CO

含量較低， 間歇性含有微量H

S， 介質(zhì)的腐蝕性較低， 因此各管段內(nèi)壁以均勻腐蝕為主，管體壁厚變化不大， 但腐蝕穿孔管段底部位置的壁厚變化顯著， 這是由于該管段位于管線下坡的低點(diǎn)處， 且油管內(nèi)介質(zhì)流速很低， 因此在輸送過程中管內(nèi)的油和水在該管段底部位置發(fā)生分層， 失效管段底部發(fā)生局部腐蝕穿孔， 如圖10 所示， 導(dǎo)致底部位置的管壁與水接觸而發(fā)生較為嚴(yán)重的腐蝕。

4 失效原因分析

(ⅱ) 假設(shè)(u,v)是系統(tǒng)(3)的一個(gè)共存解,則由(ⅰ)知a>λ1,因此系統(tǒng)(3)存在非負(fù)解(θa,0),由于

同時(shí)， 由圖10 可以看出， 由于管內(nèi)介質(zhì)流速很低， 介質(zhì)內(nèi)的砂石顆粒也容易在管底沉積。特別是在管線下坡低點(diǎn)處的管底位置。 沉積的砂石顆粒與腐蝕產(chǎn)物膜相互摻雜， 形成了穿孔管段底部位置的垢層。 另外， 地勢較高處管段形成的腐蝕產(chǎn)物膜會流動至低點(diǎn)處并發(fā)生沉積。 隨著介質(zhì)的輸送， 垢層厚度逐漸增大， 多為1～2 mm，最厚處約為5 mm， 砂石在管底其他位置也會發(fā)生少量沉積， 但并未發(fā)現(xiàn)明顯的油水分層， 管壁不接觸水， 因此腐蝕產(chǎn)物膜較薄， 不能與砂石共同形成較厚的垢層， 因此僅在穿孔管段底部位置發(fā)生了垢層沉積。

失效管段為API 5L B 級別鋼制成的無縫鋼管。 依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對管材的拉伸性能進(jìn)行了檢測

，結(jié)果見表4。 通過與標(biāo)準(zhǔn)值對比， 發(fā)現(xiàn)該管材拉伸性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

XRD 及EDS 的分析結(jié)果表明， 腐蝕產(chǎn)物膜外層較為疏松， 由FeS 和FeCO

構(gòu)成； 內(nèi)層腐蝕產(chǎn)物膜相對致密， 主要由FeCO

構(gòu)成， 而FeCO

的形成是由介質(zhì)內(nèi)的CO

所導(dǎo)致， 其腐蝕機(jī)理見如下反應(yīng)

。

根據(jù)現(xiàn)場提供的信息， 在油田后期生產(chǎn)過程中檢測出少量H

S， 因此可推斷外層的FeS 是由H

S 導(dǎo)致。 H

S 在潮濕環(huán)境下的腐蝕機(jī)理見如下反應(yīng)

。

同時(shí)， 由于腐蝕產(chǎn)物膜中存在大量砂石顆粒， 不能對下方的基體形成較好的保護(hù)， 特別是垢層的某些位置存在明顯孔洞， 局部垢層的不完整會導(dǎo)致垢層下方發(fā)生局部腐蝕， 因此管底發(fā)生局部腐蝕的位置多存在于有孔洞的垢層下方， 失效管段的腐蝕穿孔也是由于垢層下方發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕而導(dǎo)致。

5 結(jié) 論

（1） 管道失效主要是由于管道內(nèi)壁垢層下方發(fā)生嚴(yán)重局部腐蝕而造成。

（2） 由于失效管段位于管線下坡低點(diǎn)處， 且介質(zhì)流速較低， 導(dǎo)致油水分層， 水相積聚于管底處， 使得該處腐蝕較為嚴(yán)重； 并且介質(zhì)中的砂石顆粒也易于在該處沉積， 砂石顆粒與腐蝕產(chǎn)物膜相互摻雜形成了較厚的垢層。 砂石顆粒導(dǎo)致垢層表面存在較多孔洞， 有孔洞的垢層下方更容易發(fā)生局部腐蝕， 并最終導(dǎo)致腐蝕穿孔。

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