某平臺生產水管線的腐蝕失效原因

王維鋒，楊浩波，李淑姣

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司陸豐油田作業區，深圳518067；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司生產作業部，深圳518067）

某平臺生產水管線的腐蝕失效原因

王維鋒1，楊浩波1，李淑姣2

（1.中海石油（中國）有限公司深圳分公司陸豐油田作業區，深圳518067；2.中海石油（中國）有限公司深圳分公司生產作業部，深圳518067）

通過調研某平臺生產水管線的工況，結合失效管段的腐蝕形貌和失效特征，使用能譜分析（EDS）和X射線衍射技術對腐蝕產物的成分和組成進行分析。結果表明：旁通管線停用期間存在腐蝕性介質、介質中存在硫酸鹽還原菌（SRB）、溶解氧和CO2的共同作用導致了平臺生產水管線的失效，其中SRB腐蝕是管線失效的主要原因。

生產水管線；腐蝕形貌；腐蝕產物；失效原因

某海上油田所在海域水深約132 m，于2005年6月正式投產，包括一座鉆井生產平臺（DPP）和一座井口平臺（WHP），兩者之間采用40 m棧橋連接。WHP及DPP的生產原油在DPP經過一級脫氣、脫水后仍含有少部分水，此原油再通過原有海底管線輸往此中心平臺進行進一步處理。

此次失效的管段為中心平臺生產水緩沖罐液位控制閥的旁路管線。管線服役時間為2005.6～2012.9，2013年8月期間，管線內部發生嚴重腐蝕，并出現多次穿孔泄漏。管道穿孔有30余處，腐蝕失效的管線長約有12 m。腐蝕和穿孔失效給生產帶來諸多不便，增加了定期清理旁通管線內液體和腐蝕產物的頻率和工作量。因此需要進一步明確管道發生腐蝕和泄漏的原因。

本工作通過收集和分析管線的運行數據，同時剖開腐蝕管線，進行宏觀和微觀形貌觀察，對不同特征的腐蝕產物進行分析，以掌握失效管線腐蝕特征和規律，明確了導致生產水管線腐蝕和泄漏的主要原因，并闡述了腐蝕失效的過程和機理。

1 理化檢驗

1.1 失效位置與運行情況

由圖1可見，失效管段為中心平臺生產水緩沖罐液位控制閥的旁路管線。緩沖罐內存儲的介質是來自油氣水分離后的生產外排水，該旁通管線在控制閥維修期間使用。緩沖罐內流體處于流動狀態，有緩蝕劑加注。根據平臺原始記載資料，失效管線材料為符合ASTM標準的B級無縫鋼管。旁通管線正常生產時液體在管道內基本不流動，無藥劑加注。管線服役工況如下：壓力580 kPa；死水區，無液體流動，所連管線流速為400 m3／h；所接管線溫度為80℃，旁通管線內無溫度監測；腐蝕介質中含0.66％（質量分數，下同）CO2，5 mg／L H2S，大于10 000個／mL SRB，該管線上游生產污水緩沖罐中SRB為1 000個／mL；管線中的液體為生產水，具體成分為：938 mg／L Ca2+，173.8 mg／L Mg2+，0.2 mg／L Fe2+，9 907 mg／L Na+，644 mg／L K+，514 mg／L SO42－，596 mg／L HCO3－。

該管線未安裝腐蝕掛片，無相應腐蝕監控措施與數據記錄，但從分離器入口推測管線平均腐蝕速率≤0.254 mm／a。整個管線僅在上游井口位置加注緩蝕劑，緩蝕劑注入量為27 mg／L。

1.2 宏觀腐蝕形貌

由圖2可見，管道內表面被大量腐蝕產物覆蓋，腐蝕產物分為多層，部分發生脫落。樣品表面存在一處腐蝕穿孔，其他位置存在明顯的局部腐蝕坑。腐蝕坑底部存在腐蝕產物堆積，蝕坑表層腐蝕產物已脫落，而底部腐蝕產物和基體結合較牢固，并且在穿孔蝕坑底部有腐蝕產物殘留。

1.3 管線成分分析

在圖2中腐蝕穿孔邊緣位置取樣，利用化學熔融法對試樣進行化學成分分析，并利用光學顯微鏡觀察其顯微組織。由表1可見，管線材料為ASTM A106 Gr.B鋼，化學成分符合標準要求。金相顯微組織如圖3所示，為鐵素體+珠光體，組織較為均勻。

1.4 腐蝕產物分析

根據管線內表面腐蝕形貌及內部生產水的成分，初步判斷金屬管線在酸性電解質環境中發生了CO2腐蝕。

對均勻腐蝕區域、局部腐蝕區域和腐蝕穿孔區域三處的表層和蝕坑附近的腐蝕產物進行取樣，使用能譜儀（EDS）和X射線衍射（XRD）進行腐蝕產物的元素和組成分析。由于腐蝕穿孔樣品表面腐蝕產物已脫離，該樣品僅進行了EDS測試，測試結果如表2所示。能譜結果顯示樣品腐蝕產物膜層中以Fe、O和S為主，因此推斷該處發生了CO2腐蝕或氧腐蝕或SRB腐蝕。

表1 材料的化學成分（質量分數）Tab.1 Chemical composition of material（mass）％

表2 腐蝕穿孔區域腐蝕產物EDS分析結果（質量分數）Tab.2 EDSanalysis results of corrosion products in the position of corrosion penetration（mass）％

表3 不同區域腐蝕產物XRD分析結果Tab.3 XRD analysis results of corrosion products in different positions

由表3可見，不同位置的腐蝕產物中內層均無FeCO3出現，僅出現Fe的氧化物和硫化物。

從現場取樣的結果看，失效管線共有三種腐蝕形態：表層均勻腐蝕、腐蝕坑以及腐蝕穿孔。腐蝕產物主要有：FeOOH、FeCO3、Fe3O4、Fe1-xS和FeS。根據實際工況，失效管線主要發生氧腐蝕、CO2腐蝕和細菌腐蝕特征。從各種腐蝕產物在膜中的分布看，FeOOH產物在內部分布居多，而Fe的硫化物在內層和外層均有分布，這說明首先發生的是氧腐蝕。此時SRB腐蝕或H2S腐蝕伴隨著整個腐蝕過程，根據文獻記載，少量H2S的腐蝕產物通常均勻且致密性較好，對于腐蝕有一定的抑制作用，但失效管線服役環境中H2S含量較少，僅為5 mg／L，不足以引起H2S腐蝕；此外，該失效樣品中的內層腐蝕產物疏松多孔，不具備保護性，更加符合SRB腐蝕特征。FeCO3僅存在于中層和外層，表明不同介質的腐蝕存在次序問題。結合腐蝕形貌和產物分布分析，首先發生的是氧腐蝕和SRB腐蝕，形成疏松多孔的內層腐蝕產物，金屬離子沿孔洞向外擴散，與后來大量含有CO2的溶液進入旁通管線，進一步反應形成外層的FeCO3產物。

2 失效原因分析

2.1 SRB腐蝕

根據現場采集的工況數據，失效管線可以為SRB的生存和繁殖提供有利的條件：①營養物質——旁通中的污水來自緩沖罐，是油氣分離后的生產水，帶有少量的油花及SO42－可以作為SRB生存的營養物質；②溫度——緩沖罐中的生產水溫度雖然高達80℃，但旁通與其長期隔離，且管壁外側暴露在空氣中，因此旁通的溫度長期處于室溫。即使緩沖罐定期向旁通排水，混合后的溫度應不超過50℃，即旁通內介質溫度一直處于適于SRB生存的溫度范圍；③氧氣——旁通與緩沖罐連通，且與外界隔離，形成適合SRB生存的無氧環境；④殺菌劑——緩沖罐中有殺菌劑加注，但旁通管線沒有加注口；⑤流速——旁通管線為死水區，不存在流速，為SRB在管壁上附著繁殖提供了有利條件。

由于含有氫化酶，附著在管壁上的SRB可以產生陰極去極化作用，是生產水中的SO42－氧化吸氫，加快腐蝕，反應如下［1-2］：

水的電離：

陽極反應：

陰極反應：

SRB參與的陰極去極化反應：

二次腐蝕反應：

總反應：

在此案例中，腐蝕產物中鐵的硫化物以Fe1-xS和FeS的形式存在，而Fe（OH）2在氧化還原作用下被氧化為Fe3O4和FeOOH等產物。另外，根據反應方程可知，在腐蝕過程中產生大量的OH－，超過了Ca（OH）2的溶積度而與生產水介質中的Ca2+生成Ca（OH）2沉積在管壁表面，后期脫水后形成CaO存在于腐蝕產物中。

有CO2存在時，SRB還能形成中間產物H2S，反應如下：

SRB反應：

生成H2S：

與Fe反應：

反應形成的H2S與介質中含有的H2S一起參與腐蝕反應形成鐵的硫化物。

同時，形成的FeS等腐蝕產物附著在管壁表面，成為局部電池的負極，而裸露在介質溶液中的金屬表面作為局部電池的陽極，發生氧化反應，即腐蝕。從腐蝕產物形貌可知，SRB形成的腐蝕產物疏松多孔，孔洞下方的基體與溶液接觸，很容易發生縱向腐蝕形成點蝕坑。坑內的氧化了的金屬離子發生水解使坑內的氫離子濃度升高，p H降低，即坑內發生酸化，處于活化溶解狀態，加快了管壁的腐蝕，嚴重時就會導致腐蝕穿孔。同時由于坑內高濃度的氫離子，為保持電中性，溶液中的Cl－向坑內遷移，使得檢測到的坑內Cl元素含量較高。

2.2 CO2腐蝕

根據實際工況，生產水介質中含有0.66％的CO2，且腐蝕產物的外層中檢測出FeCO3，這說明CO2參與了腐蝕過程。然而FeCO3僅存在于外層，且腐蝕坑內沒有，表明CO2主要造成均勻腐蝕且不參與點蝕過程。同時均勻腐蝕的外層產物致密無孔洞，與SRB腐蝕形貌完全不同，產物膜具有保護性，抑制腐蝕的進一步發展，同時對點蝕的發展也起到促進作用［3-4］。

CO2在溶液中以碳酸形式存在，且發生水解形成氫離子，參與管線鋼的腐蝕過程，反應如下［5-6］：

水解反應：

陽極反應：

陰極反應：

二次反應：

總反應：

可見，CO2腐蝕的主要產物為FeCO3。

3 結論

（1）根據失效管線的金相組織和化學成分分析結果，此管線鋼的組織和成分符合API國際標準。

（2）根據失效管線的腐蝕形貌，管線出現三種腐蝕形態：均勻腐蝕、腐蝕坑以及腐蝕穿孔。腐蝕產物基本一致：外層為FeOOH、FeCO3、Fe3O4、Fe1-xS和FeS，內層為FeOOH、Fe3O4、Fe1-xS和FeS。

（3）根據腐蝕產物分析，結合腐蝕介質和旁通管線的服役環境，管線發生的腐蝕過程為氧腐蝕、細菌腐蝕和CO2腐蝕。其中，細菌腐蝕貫穿整個腐蝕過程。而CO2腐蝕則發生在細菌腐蝕產物基礎上，由鐵離子向外擴散造成。現場工況中少量的油花及SO42－可以作為SRB生存的營養物質、適宜的溫度、無氧環境、無藥劑加入、不流動的積液等條件為SRB的生存和繁殖提供有利的條件。因此SRB腐蝕是造成管線的腐蝕坑及腐蝕穿孔的主要原因，同時伴有少量CO2腐蝕和氧腐蝕。

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Failure Reasons of a Produced Water Pipeline Corrosion on Platform

WANG Wei-feng1，YANG Hao-bo1，LI Shu-jiao2
（1.Cnooc Limited＿Shenzhen Lf Oilfield Operations，Shenzhen 518067，China；2.Cnooc Limited＿Shenzhen Department of Production，Shenzhen 518067，China）

The failure causes of the platform production water pipeline were investiguated through researching the working condition of the platform in the production of water pipe，according to the corrosion morphology and failure characteristics of the failure section by EDS spectrum analysis and X-ray diffraction technology.The results showed that the main reason for the failure of the pipeline was SRB corrosion，and the existing corrosion meduim in the bypass pipeline，SRB in the medium，dissolued orygen and CO2were also the causes for corrosion.

produced water pipeline；corrosion morphology；corrosion product；failure reason

TG172.5

：A

：1005-748X（2016）11-0939-04

10.11973／fsyfh-201611019

2015-11-10

王維鋒（1983－），工程師，學士，從事海洋石油生產、油氣水處理和集輸、管道防腐等研究，0755-26023265，wangwf3＠cnooc.com.cn