某海底輸送管線腐蝕失效分析

鐘 強 趙國仙 倪崇江 呂祥鴻 薛 艷 李丹平

1.西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710065；2.新疆油田公司供水公司， 新疆 克拉瑪依 834000；3.西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司， 陜西 西安 710065

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某海底輸送管線腐蝕失效分析

鐘 強1趙國仙1倪崇江2呂祥鴻1薛 艷3李丹平3

1.西安石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院， 陜西 西安 710065；2.新疆油田公司供水公司， 新疆 克拉瑪依 834000；3.西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司， 陜西 西安 710065

通過宏觀形貌觀察、理化性能檢驗、掃描電鏡及能譜分析等分析方法，對某海底輸送管線穿孔原因進(jìn)行失效分析。結(jié)果表明：彎管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物成分主要為FeCO3和Fe3O4，彎管外壁腐蝕產(chǎn)物成分主要為FeCO3和FeOOH；含腐蝕性氣體的水介質(zhì)、壓強較大的點主要分布在彎管外側(cè)，彎管外弧側(cè)的腐蝕環(huán)境較內(nèi)弧側(cè)更惡劣，腐蝕趨勢較內(nèi)弧側(cè)更大，易發(fā)生腐蝕穿孔；彎管內(nèi)壁外弧側(cè)穿孔前為CO2腐蝕，穿孔方向由內(nèi)壁向外壁，穿孔后，彎管內(nèi)、外壁同時遭受CO2和氧腐蝕。

彎管；穿孔；二氧化碳腐蝕；氧腐蝕

0 前言

在石油天然氣工業(yè)中，管線是原油、天然氣最主要的輸送方式。隨著我國海洋油氣資源的不斷開發(fā)和利用，海底輸送管線的建設(shè)也不斷增多，但使用過程中出現(xiàn)了各種問題，如腐蝕失效產(chǎn)生的泄漏和斷裂[1-4]等。海底輸送管線流體為多相流，其中溶有酸性氣體(CO2、H2S)而具有酸性，隨開采時間增加，原油含水率逐年升高，嚴(yán)重腐蝕管道；由于管道彎管處結(jié)構(gòu)的特殊性，其腐蝕往往會更嚴(yán)重[5-7]。本文研究的某海底輸送管線，輸送流體為原油、油田產(chǎn)出水和天然氣，隨生產(chǎn)時間延長，輸油量降低，輸水量升高，原油含水率逐年增加，進(jìn)出口壓力逐年增大。海底輸送管線內(nèi)的腐蝕環(huán)境越來越惡劣，導(dǎo)致管道腐蝕情況越來越嚴(yán)重，部分管段甚至穿孔，因此有必要對該海底輸送管線進(jìn)行腐蝕原因分析，找出腐蝕的主要影響因素，為后期管道設(shè)計及維護(hù)提供依據(jù)和幫助。本文研究的某海底輸送管線內(nèi)管材質(zhì)為API 5 L X 65無縫管，與彎管采用對接焊連接，規(guī)格為Φ 152 mm×12.7 mm。

1 宏觀形貌分析

圖1為某海底輸送管線內(nèi)管連接示意圖。由圖1可見，穿孔位置在彎管外弧側(cè)(紅色圓圈)。

圖1 某海底輸送管線內(nèi)管連接位置示意圖

穿孔位置宏觀形貌見圖2，測量蝕孔尺寸約34.46 mm×27.23 mm。圖2-a)為穿孔處內(nèi)壁宏觀形貌，穿孔處內(nèi)壁布滿深度不一的局部腐蝕坑，橢圓形區(qū)域內(nèi)可見極深的腐蝕坑，圓形區(qū)域可見由內(nèi)壁向外壁發(fā)展的腐蝕坑。圖2-b)為穿孔處外壁宏觀形貌，穿孔處周圍外壁表面相對較平整，未見明顯的局部腐蝕坑，主要呈層片狀腐蝕特征。從宏觀形貌上觀察穿孔處周圍內(nèi)壁腐蝕程度較外壁更嚴(yán)重，由此可以判斷，孔蝕是由內(nèi)壁向外壁發(fā)展。

a)內(nèi)壁

b)外壁圖2 穿孔位置宏觀形貌

2 理化性能分析

2.1 化學(xué)成分分析

在彎管上取內(nèi)弧側(cè)和外弧側(cè)試樣，依據(jù)API Spec 5 L-2012《美國石油協(xié)會管線鋼管規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求對C、Si、Mn、P、S、V、Nb和Ti元素進(jìn)行含量分析，結(jié)果見表1。由表1可見，彎管段的化學(xué)成分滿足API Spec 5 L-2012《美國石油協(xié)會管線鋼管規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)要求。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果

w/(%)

2.2 機械性能

在彎管上取內(nèi)弧側(cè)和外弧側(cè)試樣，分別進(jìn)行拉伸和沖擊測試，表2和表3分別為拉伸和沖擊測試結(jié)果。由表2～3可見，送檢彎管段的拉伸性能和沖擊韌性均滿足API Spec 5 L-2012《美國石油協(xié)會管線鋼管規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)的要求。

表2 拉伸試驗結(jié)果

項目內(nèi)弧側(cè)試樣外弧側(cè)試樣APISpec5L-2012規(guī)定抗拉強度Rm/MPa573577≥535屈服強度Rt0.5/MPa477488-斷后伸長率A/(%)29.532.0-

表3 沖擊試驗結(jié)果

項目內(nèi)弧側(cè)試樣外弧側(cè)試樣APISpec5L-2012規(guī)定沖擊功?A㊣k(0℃)/J154.3155.1全尺寸沖擊功≥27.0

3 微觀形貌分析

在彎管蝕孔附近取樣，進(jìn)行內(nèi)、外壁腐蝕形貌微觀分析及表面腐蝕產(chǎn)物能譜分析。圖3為內(nèi)、外壁微觀腐蝕形貌及能譜分析位置，表4為內(nèi)、外壁腐蝕產(chǎn)物能譜(EDS)分析結(jié)果，表4中內(nèi)、外壁腐蝕產(chǎn)物的主要組成元素有C、O、Fe等。分別在彎管穿孔附近內(nèi)壁、外壁刮取腐蝕產(chǎn)物，結(jié)合EDS結(jié)果進(jìn)行X射線衍射(XRD)分析，結(jié)果見圖4。由圖4可見，彎管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物主要成分為FeCO3和Fe3O4；彎管外壁腐蝕產(chǎn)物主要成分為 FeCO3和FeOOH。其中FeCO3為CO2腐蝕產(chǎn)物，F(xiàn)e3O4和FeOOH為氧腐蝕產(chǎn)物。

a)內(nèi)壁

b)外壁圖3 內(nèi)、外壁腐蝕形貌及能譜分析位置

a)內(nèi)壁

b)外壁

表4 內(nèi)、外壁腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

元素外壁內(nèi)壁質(zhì)量分?jǐn)?shù)?w㊣/(%)原子百分比/(%)質(zhì)量分?jǐn)?shù)?w㊣/(%)原子百分比/(%)C10.4821.4243.0658.79O34.8153.4031.2532.02Si0.590.520.380.22S0.760.580.680.35Cl1.230.850.280.13Ca1.881.153.291.35Fe50.2522.0818.585.46

4 極化曲線測試

分別在彎管上取外弧側(cè)和內(nèi)弧側(cè)試樣，進(jìn)行極化曲線測試。試樣為Φ15 mm×3 mm圓片，電化學(xué)測試設(shè)備選用AMETEK公司的M 273 A恒電位儀，輔助電極選用石墨惰性電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，腐蝕溶液取自現(xiàn)場水介質(zhì)。圖5和表5分別為彎管試樣極化曲線測試結(jié)果和擬合結(jié)果。由圖5和表5可見，彎管外弧側(cè)和內(nèi)弧側(cè)試樣的自腐蝕電位分別為-713 mV和-700 mV，由表5可見，彎管外弧側(cè)和內(nèi)弧側(cè)試樣的陰極極化曲線Tafel斜率均大于陽極極化曲線Tafel斜率，表明試樣腐蝕反應(yīng)均為陰極反應(yīng)過程控制[8]。比較兩種試樣的自腐蝕電位和腐蝕電流密度發(fā)現(xiàn)，彎管外弧側(cè)的自腐蝕電位更低，腐蝕電流密度更大，表明彎管外弧側(cè)的電化學(xué)腐蝕趨勢大，即在相同腐蝕環(huán)境中，彎管外弧側(cè)更易發(fā)生腐蝕，這可能和彎管彎制工藝對材料的組織、性能影響有關(guān)。

圖5 彎管試樣極化曲線測試結(jié)果

表5 極化曲線參數(shù)擬合結(jié)果

材料電位?E㊣corr/mV電流密度?I㊣corr/(μA·cm-2)陽極塔菲爾斜率?B㊣a/(V·dec-1)陰極塔菲爾斜率?B㊣c/(V·dec-1)外弧側(cè)試樣-713149.90.03820.2040內(nèi)弧側(cè)試樣-70038.90.04390.2129

5 綜合分析

5.1 彎管外弧側(cè)腐蝕穿孔原因分析

在海底輸送管線內(nèi)，管道彎曲造成流體力學(xué)參數(shù)變化，容易發(fā)生腐蝕。由于輸送流體包括原油、油田水和天然氣，對彎管的腐蝕也是多種腐蝕介質(zhì)的共同作用結(jié)果，不同的液體腐蝕除了受共同外界條件影響外，流體間也會相互影響[9-12]。周彬等人[13]研究發(fā)現(xiàn)彎管的腐蝕與流體的運動息息相關(guān)，多相流經(jīng)過彎管后流速、液相分布、湍動能、壓力大小分布都發(fā)生了變化，加速了彎管的腐蝕。高速流體沖刷管壁，造成腐蝕產(chǎn)物膜破壞，促進(jìn)腐蝕惡化[14]。

管道輸送介質(zhì)含有氣、水、CO2、H2S等，采用多相流混合模型，選用周彬等人[13]的數(shù)學(xué)模型建模，運用ANSYS軟件進(jìn)行模擬計算，對彎管模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，彎曲部分進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，以提高解的收斂性。邊界條件為入口采用壓力入口，出口采用壓力出口，液相體積分?jǐn)?shù)為10 %。圖6為彎管內(nèi)液相分布云圖，由圖6可見，液相主要分布在彎管外側(cè)，液相分布率較大時，液相中的腐蝕電解質(zhì)和管壁易相互接觸，容易引起電化學(xué)腐蝕，特別是H2S、CO2和其他強電解質(zhì)溶解在液相介質(zhì)中時，一旦聚集在管壁上，就會形成酸性環(huán)境造成管壁腐蝕。由于彎管處結(jié)構(gòu)的變化，引起流體流動分布發(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使管壁腐蝕更嚴(yán)重[15]。彎管內(nèi)壁外側(cè)液體速度較快，沖刷帶走表面腐蝕產(chǎn)物，不斷露出新的金屬基體，由于缺乏有效保護(hù)，彎管內(nèi)壁外側(cè)將不斷與腐蝕介質(zhì)相互接觸，加速腐蝕。圖7為彎管內(nèi)壓強分布云圖，由圖7可見，壓強較大的點集中在彎管外側(cè)，高壓層影響區(qū)域較大，由于慣性作用，流體碰到彎管后將動能轉(zhuǎn)換成靜壓能，使彎管內(nèi)壁外側(cè)壓強較大，變形量較大，腐蝕產(chǎn)物保護(hù)易破損，加速腐蝕。壓力上升后，一旦彎管內(nèi)壁由于腐蝕作用而產(chǎn)生缺陷，很容易發(fā)生穿孔。

管道輸送的流體為原油、油田產(chǎn)出水和天然氣，由于流體在彎管處流過時流速、壓強、液相分布等發(fā)生變化，易發(fā)生腐蝕。因腐蝕介質(zhì)主要溶于水相中，管道內(nèi)水含量分布的密集區(qū)就成為腐蝕危險區(qū)，輸送介質(zhì)含CO2強電解質(zhì)溶解在水介質(zhì)中時，易形成酸性環(huán)境，造成彎管腐蝕。隨著開采時間延長，原油含水量上升，彎管內(nèi)壁外側(cè)液相分布率較大處較易腐蝕，同時彎管外弧側(cè)所處腐蝕環(huán)境較其他位置更惡劣，電化學(xué)測試結(jié)果也反映出彎管外弧側(cè)的腐蝕趨勢大，彎管外弧側(cè)更易發(fā)生腐蝕穿孔。

圖6 彎管內(nèi)液相分布云圖

圖7 彎管內(nèi)壓強分布云圖

5.2 彎管內(nèi)、外壁腐蝕原因分析

EDS和XRD分析結(jié)果表明，彎管內(nèi)、外壁腐蝕產(chǎn)物為CO2腐蝕和氧腐蝕產(chǎn)物。CO2溶于水后對金屬材料有極強的腐蝕性，氣體中含有CO2腐蝕性氣體，彎管內(nèi)壁在這種環(huán)境下很容易發(fā)生CO2腐蝕[16]，而管內(nèi)輸送的介質(zhì)中CO2氣體含量為5 %，所以會發(fā)生CO2腐蝕，同時CO2腐蝕可使管道發(fā)生嚴(yán)重的局部腐蝕穿孔[17]。金屬在酸性很弱的溶液中，氧氣溶解于金屬表面的水膜中而發(fā)生電化學(xué)腐蝕，氧來源可能有兩種情況：1)海底輸送管線結(jié)構(gòu)從外到里依次是三層PE防腐層、外管、聚氨酯保溫層和彎管。一般情況下彎管和外管之間的環(huán)形空間都有氧存在，如生產(chǎn)過程有殘留、運輸過程會滲入、海上施工過程、施工完不進(jìn)行抽真空作業(yè)等多種情況都會使環(huán)形空間有氧存在。正常情況下彎管、外管環(huán)形空間為干燥環(huán)境，無腐蝕性介質(zhì)，即使有氧存在也不會對海底輸送管線造成腐蝕，彎管由內(nèi)壁向外壁發(fā)生穿孔后，彎管和環(huán)形空間就形成連通環(huán)境，環(huán)形空間的氧氣進(jìn)入彎管后溶解于水介質(zhì)，對彎管造成氧腐蝕。2)外管在與彎管相同位置也發(fā)生穿孔。彎管穿孔后，與外管接觸的海水介質(zhì)會進(jìn)入環(huán)空，海水介質(zhì)中有氧存在，對彎管造成氧腐蝕。由于沒有提供外管穿孔樣品，無法對外管穿孔的原因進(jìn)行分析，無法判斷先發(fā)生穿孔的是彎管還是外管。但可以肯定的是彎管穿孔是由內(nèi)壁向外壁，彎管發(fā)生穿孔前，彎管主要為內(nèi)腐蝕，腐蝕原因為CO2腐蝕。穿孔后，管內(nèi)和彎管、外管環(huán)形空間連通，彎管內(nèi)、外壁同時遭受CO2腐蝕和氧腐蝕。

6 結(jié)論

1)彎管材料的理化性能滿足API Spec 5 L-2012《美國石油協(xié)會管線鋼管規(guī)范》的要求。

2)EDS和XRD分析結(jié)果表明，彎管內(nèi)、外壁腐蝕產(chǎn)物為CO2腐蝕和氧腐蝕產(chǎn)物，穿孔前，管內(nèi)輸送介質(zhì)含CO2，CO2溶于水對材料有強腐蝕性，發(fā)生CO2腐蝕，穿孔方向由內(nèi)壁向外壁；穿孔后，管內(nèi)和彎管、外管環(huán)形空間連通，彎管內(nèi)、外壁同時遭受CO2腐蝕和氧腐蝕。

3)含CO2氣體的水介質(zhì)及壓強較大的點主要分布在彎管外側(cè)，彎管外弧側(cè)所處腐蝕環(huán)境較內(nèi)弧側(cè)更惡劣，腐蝕趨勢較大，更易發(fā)生腐蝕穿孔。

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2015-09-25

石油專用管腐蝕與防護(hù)陜西省重點科技創(chuàng)新團(tuán)隊項目基金；西安市科技計劃項目“產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新計劃”(CXY 1515(6))

鐘 強(1991-)，男，江西贛州人，碩士研究生，主要研究方向為金屬腐蝕與防護(hù)。

10.3969/j.issn.1006-5539.2016.01.019