某集氣管線穿孔失效原因分析

吳華 毛汀 霍紹全 蔣志

1.中國石油西南油氣田公司天然氣研究院 2.中國石油西南油氣田公司川中油氣礦

1 管道腐蝕情況概述

油氣田埋地集輸管道一般選用低碳低合金鋼，材料本身耐土壤腐蝕性能有限。因此，一般需要對管道采取PE外防腐層加陰極保護(hù)的聯(lián)合防腐措施[1]。絕緣接頭是陰極保護(hù)體系中非常重要的部件，用來連接施加陰極保護(hù)管段和未保護(hù)管段。但油田現(xiàn)場集輸管線在應(yīng)用陰極保護(hù)時，常常發(fā)生絕緣接頭非保護(hù)側(cè)的內(nèi)腐蝕穿孔的情況[2]，引起了人們的廣泛關(guān)注與研究[3]。

四川某集輸管線規(guī)格為D219 mm×7.1 mm，管線全長1 950 m，設(shè)計壓力8.5 MPa，材質(zhì)為L360QS，采用氣液混輸工藝，輸氣量約為14×104m3/d，天然氣中CO2摩爾分?jǐn)?shù)為2%、H2S摩爾分?jǐn)?shù)為0.65%，氣田水屬CaCl2水型，總礦化度約為106 g/L，產(chǎn)水量最高時可達(dá)68 m3/d，水中Cl-質(zhì)量濃度為56 000 mg/L，pH值為6.5，硫酸鹽還原菌(SRB)數(shù)量為2.5個/mL。該管線在距管線絕緣接頭非保護(hù)側(cè)焊縫30 mm處發(fā)生了腐蝕穿孔，穿孔點在6點鐘方位。

為了確定該集氣管線絕緣接頭非保護(hù)側(cè)的腐蝕穿孔原因，開展了穿孔部位宏觀形貌觀察，管線化學(xué)成分、金相組織及力學(xué)性能測試，腐蝕產(chǎn)物的SEM微觀分析和XRD物相檢測。

2 實驗方法

2.1 化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對穿孔管線的化學(xué)成分進(jìn)行分析，樣品規(guī)格為30 mm×30 mm,表面用砂輪打磨至金屬光澤，測試結(jié)果見表1，與GB/T 9711-2017《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》進(jìn)行對比，該管線鋼的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 穿孔管線的化學(xué)成分分析結(jié)果w/%項目FeCSiMnPSVNbTiGB 9711-2017余量≤0.18≤0.45≤1.50≤0.025≤0.015≤0.05≤0.05≤0.04檢測值97.80.160.361.300.0210.0080.0370.0020.017

2.2 微觀分析

在管體截取10 mm×10 mm的樣品，采用金相砂紙對截面進(jìn)行磨光，然后在拋光機(jī)上用W0.5金剛石研磨膏進(jìn)行拋光，利用金相顯微鏡對拋光面進(jìn)行冶金質(zhì)量分析，并對經(jīng)過2%(w)硝酸酒精侵蝕的表面進(jìn)行金相組織觀察。為了避免取樣對腐蝕產(chǎn)物形貌和成分的影響，在穿孔位置采用手工鋸截取樣品，利用掃描電鏡對腐蝕坑洞的腐蝕物形貌進(jìn)行觀察，用EDS測試微區(qū)的腐蝕產(chǎn)物成分；在腐蝕產(chǎn)物集中處刮取粉末樣品，并用玻璃缽進(jìn)行研磨后進(jìn)行XRD物相分析。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 管體宏觀形貌

在穿孔失效的部位，截取長約1 200 mm的管段，其外觀如圖1(a)所示。從圖1可看到，穿孔位置距下游絕緣接頭的焊縫約30 mm，并介于焊縫與絕緣接頭之間，管內(nèi)氣液流動方向為圖中箭頭所示。從穿孔管道內(nèi)壁形貌(見圖1(b)～圖1(d))可明顯看出：穿孔附近的管線內(nèi)壁上存在大量大小不一、分布不均的腐蝕坑和丘陵狀隆起物，腐蝕坑是內(nèi)大外小的圓孔，孔內(nèi)光滑、無殘留物；將丘陵狀隆起物剝離后，發(fā)現(xiàn)下面是空洞。從穿孔形態(tài)及其附近的丘陵狀隆起特征可以初步判斷穿孔原因是由垢下腐蝕造成的。但是由于管線定期進(jìn)行清管即對內(nèi)壁進(jìn)行清理，垢物(丘陵狀隆起物)是如何形成的，需要進(jìn)一步進(jìn)行掃描電鏡和EDS的檢測分析。

3.2 管體微觀組織及冶金質(zhì)量分析

穿孔管線的本體、焊接熱影響區(qū)和焊縫區(qū)域的金相組織見圖2。從圖2可看出：基體是鐵素體和珠光體，符合熱軋管的組織要求；焊接熱影響區(qū)和焊縫區(qū)域為針狀鐵素體，屬于正常的焊縫組織，即組織不存在異常?；w和熱影響區(qū)晶粒細(xì)小，焊縫區(qū)晶粒相對粗大，但是晶粒度均達(dá)到9.5級。從冶金質(zhì)量來看，基體中夾雜物成點狀，尺寸細(xì)小，分布均勻，沒有發(fā)現(xiàn)夾雜物聚集或成串分布(見圖3)，對基體多個視場觀察，也沒有發(fā)現(xiàn)疏松，組織致密，說明該鋼管的冶金質(zhì)量較好。由此可以判斷，該管線基體和焊接接頭組織均符合天然氣管道的要求。

3.3 力學(xué)性能測試

穿孔管段的基體、熱影響區(qū)和焊縫區(qū)的維氏硬度測試值分別為169.7 Hv30、172.1 Hv30、168.6 Hv30，硬度值波動很?。缓缚p除了腐蝕外無其他明顯缺陷，可以確定焊接工藝和施工質(zhì)量滿足相關(guān)要求；穿孔管線的屈服強(qiáng)度平均值為502 MPa，滿足GB/T 9711-2017的標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.4 腐蝕產(chǎn)物分析

穿孔區(qū)附近管線處發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕，采集腐蝕穿孔區(qū)表面腐蝕產(chǎn)物，對產(chǎn)物的微觀形貌和物相進(jìn)行分析，以便確定腐蝕原因。圖4為腐蝕產(chǎn)物在不同放大倍數(shù)下的SEM形貌圖。從圖4(b)可知，在低倍率下可以看到腐蝕層中有大量凹坑，表明腐蝕主要以局部腐蝕為主；從圖 4(a)和圖 4(c)可知，在高倍率下可以看出腐蝕膜非常疏松，在腐蝕介質(zhì)中起到的保護(hù)作用比較微弱。

采用EDS 能譜對圖4(c)中腐蝕產(chǎn)物的成分進(jìn)行定性分析，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，腐蝕產(chǎn)物成分主要含有C、O、Fe元素，還含少量的Si、Mn、Na、S等元素。除了接頭材料的物質(zhì)以外，管壁內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物還存在Cl、S、C和O元素，這是導(dǎo)致管體發(fā)生腐蝕的環(huán)境因素。當(dāng)系統(tǒng)中H2S和CO2共存時,其腐蝕行為遠(yuǎn)比H2S或CO2單獨作用時復(fù)雜得多,少量的H2S可以顯著加速管線鋼的CO2腐蝕[4]。由能譜分析結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，腐蝕產(chǎn)物成分比較復(fù)雜，并非單一成分，這可能是油氣管線內(nèi)復(fù)雜成分的腐蝕介質(zhì)引起的。

為了進(jìn)一步確定垢樣(丘陵狀隆起)的物相，對從管體內(nèi)表面刮下的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行研磨后做XRD分析可知，主要腐蝕產(chǎn)物是FeS和少量FeCO3(見圖6)。一般H2S和CO2二者共存時, 主要生成FexSy、FeCO3及FexOy等腐蝕產(chǎn)物, 在Cl-存的在條件下, 其腐蝕產(chǎn)物膜被破壞, 從而加劇腐蝕[5-6]。從對現(xiàn)場管道輸送介質(zhì)中的水質(zhì)分析來看(見表2)，現(xiàn)場水中SRB數(shù)量為2.5 個/mL，SRB腐蝕產(chǎn)物含有Fe、O和S等，其存在形式主要是金屬氧化物和鐵的硫化合物[7]。腐蝕產(chǎn)物的XRD分析結(jié)果與前人研究的一致。綜合以上測試結(jié)果分析，可以確定穿孔管線的化學(xué)成分、冶金質(zhì)量和力學(xué)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，即穿孔不是材料的原因，而是環(huán)境的原因所造成。初步確定管線穿孔的原因與SRB、H2S和CO2電化學(xué)腐蝕有關(guān)[7-8]。

表2 水質(zhì)分析結(jié)果ρ/(mg·L-1)ρ/(mg·L-1)細(xì)菌數(shù)量/(個·mL-1)K+Na+Ca2+Mg2+Ba2+Li+Sr2+Cl-SO2-4CO2-3HCO-3SRBpH值2 78134 2002 418372710251 14664 03321208392.56.5

3.5 腐蝕原因分析

從表1的化學(xué)分析結(jié)果看：管體的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)GB 9711-2017《石油天然氣工業(yè) 管線輸送系統(tǒng)用鋼管》的要求，而且S和P含量較低，特別是S含量遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)；夾雜物呈點狀、尺寸小、分布均勻，這與鋼中較低的S和P含量相對應(yīng)，說明冶金質(zhì)量較好；從耐腐蝕角度看，金相組織也是這種低碳低合金鋼最好的組織，即鐵素體+珠光體。綜上所述，選用的L360QS鋼滿足設(shè)計要求，不應(yīng)出現(xiàn)早腐蝕穿孔失效現(xiàn)象。從EDS和XRD測試結(jié)果可知，腐蝕產(chǎn)物主要是FeS和FeCO3，說明該腐蝕是一個復(fù)雜的過程。特別是FeS可能與SRB和H2S的腐蝕有關(guān)。

一般來說，SRB最適宜的生長溫度為25～37 ℃、最適宜生長的pH 值為7.2 左右，埋地管道的運(yùn)行情況基本符合這個條件。當(dāng)SRB與陰離子共同存在時，陰離子會改變SRB的活性，進(jìn)而影響金屬的腐蝕行為。Cl-質(zhì)量濃度反映腐蝕介質(zhì)中的鹽度，通過改變微生物水中的滲透壓，影響細(xì)菌物質(zhì)運(yùn)輸，從而改變微生物活性。當(dāng)腐蝕介質(zhì)中Cl-含量較高時，SRB的生長繁殖會被抑制，大部分細(xì)胞脫水死亡，不會發(fā)生明顯的微生物腐蝕，但在Cl-含量不高且適宜SRB生長的環(huán)境中，SRB會與Cl-共同作用，導(dǎo)致金屬發(fā)生明顯的微生物腐蝕，此時SRB腐蝕產(chǎn)物中的FeS與其他垢物附著于管壁上，使其與管壁之間形成更適于SRB生長的封閉區(qū)，在水中Cl-的酸化自催化作用下進(jìn)一步加劇管道的腐蝕，在管壁上形成嚴(yán)重的坑蝕或局部腐蝕，最終造成管道穿孔。S2-在一定程度上同樣可以促進(jìn)SRB腐蝕[9]。

從表2所列的該井氣田水質(zhì)成分可以看到：氣田水中Cl-含量較高，SRB的生長繁殖會被抑制；但是，SRB具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性，在高鹽環(huán)境下依然可以存活。此處絕緣接頭出現(xiàn)失效后，絕緣電阻檢測只有幾千歐，遠(yuǎn)低于10兆歐的標(biāo)準(zhǔn)，該絕緣接頭失效導(dǎo)致的電磁場異?？赡苎娱LSRB的壽命，加速管線鋼的局部腐蝕[10]；同時，絕緣接頭處有積液，積液中H2S、CO2在導(dǎo)電溶液連通的情況下，絕緣接頭非保護(hù)側(cè)的電位將向陰極保護(hù)端的電位移動，導(dǎo)致靠近絕緣接頭處電位較負(fù)，使非保護(hù)側(cè)形成電位梯度，非陰極保護(hù)一側(cè)靠近絕緣墊片附近管道與遠(yuǎn)端形成電位差，構(gòu)成宏觀電偶腐蝕電池，從而引發(fā)如圖8所示的強(qiáng)烈的H2S、CO2電化學(xué)腐蝕[11]。因此，管線穿孔是多種因素共同作用下的腐蝕結(jié)果。

4 結(jié)論

(1) 管體的組織為鐵素體和珠光體，焊接熱影響區(qū)和焊縫區(qū)域為針狀鐵素體。

(2) 管體的主要腐蝕產(chǎn)物是FeS和少量的FeCO3，以局部腐蝕為主，腐蝕膜非常疏松，它在腐蝕介質(zhì)中對管體不能起到保護(hù)作用。

(3) 氣田水中的SRB和強(qiáng)烈的H2S、CO2電化學(xué)腐蝕的共同作用，最終造成了管體穿孔失效。