注水海底管道穿孔原因分析

徐一龍,韋龍貴,劉智勤,孫愛(ài)平,林 軍,薛 艷,李 婷,張家梅,張曉東,雷 丹

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司 湛江分公司，湛江 524057； 2. 中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司 油田化學(xué)分公司，湛江 524057；3. 西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室股份有限公司，西安 710065； 4. 西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065)

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注水海底管道穿孔原因分析

徐一龍1,韋龍貴1,劉智勤1,孫愛(ài)平2,林 軍2,薛 艷3,李 婷4,張家梅2,張曉東2,雷 丹3

(1. 中海石油(中國(guó))有限公司 湛江分公司，湛江 524057； 2. 中海油能源發(fā)展工程技術(shù)公司 油田化學(xué)分公司，湛江 524057；3. 西安摩爾石油工程實(shí)驗(yàn)室股份有限公司，西安 710065； 4. 西安石油大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，西安 710065)

采用宏、微觀形貌觀察，化學(xué)成分、腐蝕產(chǎn)物分析等方法對(duì)某油田平臺(tái)注水穿孔海底管道的穿孔原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：穿孔彎管段碳含量超標(biāo)，管道內(nèi)壁疏松的腐蝕產(chǎn)物為Fe2O3和Fe3O4，是氧腐蝕產(chǎn)物；彎管段穿孔由沖蝕和垢下腐蝕共同作用引起，垢層下的穿孔則是由于垢下腐蝕導(dǎo)致的。

海底管道;穿孔;氧腐蝕;垢下腐蝕;沖蝕

海底管道(以下簡(jiǎn)稱海管)作為鉆井平臺(tái)之間、陸地與鉆井平臺(tái)之間的紐帶，被稱為油氣運(yùn)輸?shù)摹按髣?dòng)脈”，是油氣資源開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵因素之一[1-2]。管道流體中含有H2S、CO2和O2等多種腐蝕介質(zhì)，這些腐蝕介質(zhì)會(huì)導(dǎo)致管道腐蝕，甚至引起管道泄漏、爆炸等事故，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失、嚴(yán)重的環(huán)境污染[3-4]。而在腐蝕破壞事件中，局部腐蝕占91.5%[5]。

某油田平臺(tái)注水海管材料為X65，尺寸為φ219.1 mm×12.7 mm，2003年開(kāi)始使用，2012年在彎管外弧側(cè)發(fā)現(xiàn)穿孔，采用包扎法修復(fù)后繼續(xù)使用，2014年更換新的海管。管線內(nèi)流動(dòng)介質(zhì)為海水,流量通常在30～100 m3/d。海管內(nèi)溫度為自然溫度(15～25) ℃,無(wú)CO2或H2S等腐蝕性氣體。本工作對(duì)該海管的腐蝕穿孔原因進(jìn)行了分析，以期為后續(xù)腐蝕防護(hù)工作提供技術(shù)支撐。

1　理化檢驗(yàn)

1.1宏觀形貌

圖1為穿孔海管宏觀形貌。由圖可見(jiàn)，注水海管外壁采用涂層保護(hù)，未見(jiàn)明顯腐蝕。

圖2～圖4為海管內(nèi)壁宏觀形貌。由圖可見(jiàn)：海管內(nèi)壁覆蓋一層厚厚的腐蝕產(chǎn)物；腐蝕產(chǎn)物與基體結(jié)合疏松，底層產(chǎn)物為黑色，表層產(chǎn)物為磚紅色或土黃色；內(nèi)弧側(cè)有明顯流體沖刷的痕跡。

圖5為海管內(nèi)弧側(cè)和外弧側(cè)去除腐蝕產(chǎn)物后的宏觀形貌。由圖可見(jiàn)：內(nèi)弧側(cè)和外弧側(cè)出現(xiàn)多處穿孔；外弧側(cè)局部有多處較深的腐蝕坑，說(shuō)明穿孔是由內(nèi)部腐蝕引起的，內(nèi)部腐蝕不斷向縱深發(fā)展，最后導(dǎo)致穿孔。

海管2003年開(kāi)始投入使用，2012年發(fā)現(xiàn)穿孔，使用時(shí)間為9 a，原始壁厚為12.7 mm，則最大局部腐蝕速率為1.411 1 mm/a。2014年更換海管時(shí)測(cè)量得到，未穿孔的管壁最薄處為1.65 mm，則最大的均勻腐蝕速率為1.004 5 mm/a。依據(jù)NACE SP 0775-2013標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)碳鋼均勻腐蝕和點(diǎn)蝕嚴(yán)重程度的規(guī)定，判斷海管的局部腐蝕和均勻腐蝕均屬于極嚴(yán)重腐蝕程度。

1.2化學(xué)成分

表1為海管各位置處化學(xué)成分的分析結(jié)果及相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。由表可見(jiàn)，彎管的內(nèi)弧側(cè)和外弧側(cè)的碳含量超過(guò)API Spec 5L-2012標(biāo)準(zhǔn)的要求值。

1.3顯微組織

由圖6可見(jiàn)，直管段、彎管內(nèi)弧側(cè)和彎管外弧側(cè)的組織均為鐵素體+珠光體，晶粒度分別為7.0、9.5、10.0。

1.4硬度

對(duì)海管內(nèi)部、中部和外部進(jìn)行硬度測(cè)試。結(jié)果表明，海管內(nèi)部、中部和外部的硬度分別為134.5，135.2，135.8 HV10，均符合API Spec 5L-2012標(biāo)準(zhǔn)要求(≤345 HV10)。

1.5腐蝕產(chǎn)物成分

由表2可知，彎管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物的主要組成元素有碳、氧和鐵，另外少量的鈉、氯和鈣來(lái)自海管內(nèi)輸送的海水介質(zhì)。分別對(duì)黑色底層腐蝕產(chǎn)物和磚紅色表層腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行XRD分析，結(jié)果如圖7所示。由圖7結(jié)合EDS分析結(jié)果可知，表層腐蝕產(chǎn)物為Fe2O3，底層腐蝕產(chǎn)物為Fe3O4，兩種產(chǎn)物均為氧腐蝕產(chǎn)物。

表2　穿孔海管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物EDS分析的結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 2　EDS analysis results of corrosion products in inner surface of perforated subsea pipeline (mass)　%

2　穿孔原因分析

材料和環(huán)境是海管失效分析的兩個(gè)主要因素[6]。化學(xué)成分分析表明：內(nèi)弧側(cè)和外弧側(cè)的碳含量是直管段的2.5～2.6倍，且超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求。由圖6可以看出，內(nèi)弧側(cè)和外弧側(cè)的晶粒比直管段的小，且珠光體含量明顯高于直管段的。毛紅艷等[7]研究發(fā)現(xiàn)：組織為鐵素體+珠光體的材料，碳含量較高時(shí)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.1%)其均勻腐蝕速率是碳含量較低時(shí)(質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.048%)的4.3倍；含碳量高時(shí)，材料的腐蝕電位負(fù)于含碳量低時(shí)的，而腐蝕電流密度大于含碳量低時(shí)的，極化電阻小于含碳量時(shí)的。王力偉等[8]通過(guò)微區(qū)電化學(xué)測(cè)試研究發(fā)現(xiàn),珠光體的電位負(fù)于鐵素體。珠光體的耐蝕性比鐵素體的差,原因主要是珠光體相是鐵素體與滲碳體的共析體，珠光體相內(nèi)部存在較嚴(yán)重的微電偶腐蝕，滲碳體作為陰極會(huì)加速珠光體中鐵素體的腐蝕。因此碳含量較高時(shí)，彎管段的耐蝕性較直管段的差。

調(diào)研資料顯示海管內(nèi)無(wú)CO2或H2S等腐蝕性氣體。EDS和XRD分析結(jié)果也表明,注水海管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物成分為Fe2O3和Fe3O4，為氧腐蝕產(chǎn)物。因此,氧是引起海管內(nèi)壁腐蝕的主要因素。

形成銹垢層的沉積物主要有三大類。第一類為腐蝕產(chǎn)物，如Fe2O3、Fe3O4、FeOOH、FeCO3、FeS等；第二類為無(wú)機(jī)鹽垢，如CaCO3、CaSO4、BaSO4等。第三類為微生物的黏液[9]。穿孔海管內(nèi)壁附著的腐蝕產(chǎn)物為Fe2O3和Fe3O4，屬于第一類銹垢層。

海水中NaCl的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～5%，Cl-雖然不參與金屬的陰極反應(yīng)，但可促進(jìn)金屬的陽(yáng)極溶解，如式(1)～(3)所示，并且Cl-在產(chǎn)物膜表面某些活性位置(如夾雜、位錯(cuò)或晶界)吸附，與表面膜內(nèi)的陽(yáng)離子形成可溶性配合物，當(dāng)這種配合物脫離金屬表面時(shí)，會(huì)引起鈍化膜的減薄和破壞，造成基底金屬的溶解[10]。

陽(yáng)極反應(yīng)為：

(1)

(2)

(3)

陰極反應(yīng)為：

(4)

Fe2+與OH-相遇生成固體Fe(OH)2，F(xiàn)e(OH)2在含氧的介質(zhì)中不穩(wěn)定，和氧氣反應(yīng)、脫水后生成各種鐵的氧化物，如α-FeOOH、β-FeOOH、γ-FeOOH、Fe3O4、Fe2O3等[11-14]，為形成垢下腐蝕提供條件。

由上文可知，沉積的銹垢層較疏松。介質(zhì)通過(guò)疏松的垢層與基體發(fā)生反應(yīng)，形成局部腐蝕，即“閉塞區(qū)”[15]。根據(jù)閉塞電池自催化機(jī)理[16]：垢層的存在使氧氣向垢層下擴(kuò)散變得十分困難，隨著腐蝕的進(jìn)行，垢層下成為貧氧區(qū)，與垢層上面形成氧濃差電池。通常腐蝕垢層具有陰離子選擇性，垢層下金屬陽(yáng)離子難以擴(kuò)散到外部，隨著Fe2+的積累，正電荷出現(xiàn)過(guò)剩，促使外部的Cl-遷入以保持電荷平衡，金屬氯化物的水解使垢層下環(huán)境酸化，進(jìn)一步加速垢下的腐蝕。圖8為垢下腐蝕示意圖[17]。

由上文分析可知，彎管內(nèi)弧側(cè)有明顯的沖刷痕跡，而直管段未見(jiàn)明顯沖刷痕跡。海管內(nèi)流體流量通常在30～100 m3/d，海管內(nèi)溫度為自然溫度，在15～25 ℃之間。根據(jù)以上數(shù)據(jù)，用式(5)計(jì)算得海管內(nèi)流體的雷諾數(shù)Re在1 562～6 155，說(shuō)明管內(nèi)流體流型、流態(tài)變化較大，會(huì)同時(shí)出現(xiàn)層流(Re<2 300)、湍流(Re>4 000)。且在彎管處，由于流場(chǎng)發(fā)生突變，流體的流向被強(qiáng)制改變，對(duì)彎管造成強(qiáng)烈的沖擊作用，附加流體對(duì)金屬表面產(chǎn)生剪切力，較高的剪切力能把已形成的腐蝕垢層剝離并被流體帶走[18-21]，使腐蝕產(chǎn)物層減薄，介質(zhì)更容易透過(guò)疏松的產(chǎn)物層與基體反應(yīng)，促進(jìn)了氧腐蝕的進(jìn)行，在沖蝕和垢下腐蝕共同作用下導(dǎo)致了第一次穿孔，如圖5(b)所示。其他部位由于垢層的覆蓋，且流體對(duì)垢層的沖刷作用較小，未表現(xiàn)出穿孔，因此去除腐蝕產(chǎn)物后發(fā)現(xiàn)的穿孔是由于垢下腐蝕導(dǎo)致的。

(5)

式中：Re為雷諾數(shù)；v為流體的流速，m/s；ρ為流體的密度，kg/m3；η為流體的黏度， Pa·s；d為管道直徑，m。

3　結(jié)論

(1) 穿孔海管的顯微組織無(wú)明顯異常，彎管段碳含量超標(biāo)。

(2) 海管外壁有涂層保護(hù)未見(jiàn)腐蝕，內(nèi)壁腐蝕嚴(yán)重，為氧腐蝕，腐蝕產(chǎn)物為Fe2O3和Fe3O4。

(3) 第一次穿孔是沖蝕和垢下腐蝕共同作用的結(jié)果。

(4) 去除垢層后發(fā)現(xiàn)穿孔是由垢下腐蝕引起的。

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Analysis of Reasons for Subsea Pipeline Perforation

XU Yi-long1, WEI Long-gui1, LIU Zhi-qin1, SUN Ai-ping2, LIN Jun2, XUE Yan3, LI Ting4,ZHANG Jia-mei2, ZHANG Xiao-dong2, LEI Dan3

(1. Zhan jiang Company， CNOOC， Zhanjiang 524057， China；2. Oilfield Chemistry Filiale of Petroleum Output Technology Service Company， CNOOC， Zhanjiang 524057， China；3. Xi′an Maurer Petroleum Engineering Laboratory Co., Ltd., Xi′an 710065， China；4. School of Material Science and Engineering， Xi′an Shiyou University， Xi′an 710065， China)

Macrograph and microstructure observation, chemical composition and corrosion product analysis were used to analyze the reasons for subsea pipeline perforation in an oil field platform. The results show that the carbon content of the perforated elbow exceeded standard, the lose corrosion products in the inner surface of subsea pipeline were composed of Fe2O3and Fe3O4. The perforation reason of elbow was erosion and under-deposit corrosion. The perforation reason of subsea pipeline covered by fouling layer was under-deposit corrosion.

subsea pipeline; perforation; oxygen corrosion; under-deposit corrosion; erosion

10.11973/fsyfh-201608017

2016-04-15

徐一龍(1981-)，工程師，碩士，主要從事海洋鉆井工藝技術(shù)的研究，13720636190，xuyl2@cnooc.com.cn

TG172

B

1005-748X(2016)08-0683-05