海洋平臺海水系統銅鎳合金管道腐蝕的原因分析

王 鑫，高德潔，李印全，王傳忠，沈召斌

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

2.中國石油管道局工程有限公司天津分公司，天津 300452

2018年2月5日，渤海某海洋油氣田生產平臺上的海水系統有一處B10銅鎳合金管道短節發生腐蝕穿孔，現場將該短節進行了替換處理，由于B10銅鎳合金管道被海水腐蝕情況實屬罕見，因而將腐蝕穿孔短節運返陸地進行重點檢測分析。

1 實驗檢測

1.1 化學成分分析

1.1.1 取樣

從短節的內表面取樣（見圖1），進行化學成分分析，取樣前將內表面的腐蝕產物用機械方法清理。

圖1 化學取樣位置

1.1.2 成分分析結果

采用碳硫分析儀（CS800）和全譜直讀等離子體發射光譜儀（ICP），依據GB 5121.4-2008、GB/T5121.27-2008進行成分檢測[1-2]，短節實測化學成分見表1。從表1可以看出，化學成分滿足要求。

表1 實測化學成分

1.2 金相組織分析

1.2.1 取樣

金相試樣從短節的側邊取樣，試樣包括焊縫區域，內部焊縫余高約2 mm，如圖2所示。

圖2 金相取樣試樣

1.2.2 金相分析結果

采用ZEISS Observer Z1m金相顯微鏡對1#～2#試樣進行金相組織檢驗，檢驗標準采用YS/T 448-2002《銅及銅合金鑄造和加工制品宏觀組織檢驗方法》、YS/T 449-2002《銅及銅合金鑄造和加工制品顯微組織檢驗方法》、GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定方法》。據檢測，短節腐蝕處熱影響區金相組織為孿晶α，晶粒度為7.5級，短節腐蝕處非熱影響區金相組織為孿晶α，晶粒度為8.5級。試樣金相組織見圖3，可見試樣金相組織正常。

1.3 掃描電鏡形貌分析

1.3.1 取樣

在進行掃描電鏡觀察前用丙酮清洗試樣表面，確保表面沒有泥土、海洋生物等雜物，掃描電鏡取樣位置見圖4。

1.3.2 掃描電鏡分析結果

腐蝕坑分別放大100倍、200倍和500倍后的微觀形貌如圖5所示，從圖5中可以看出，腐蝕坑內B10合金表面的鈍化膜已大面積脫落。

圖3 金相組織

圖4 掃描電鏡取樣位置

1.4 腐蝕產物能譜分析

利用掃描電鏡對腐蝕產物進行能譜分析，結果如表2所示。因B10合金的鈍化膜是富鐵膜，而其他元素含量對膜的形成及穩定影響較小，故主要對比腐蝕坑內外的鐵元素能譜分析結果。從表2可以看出，坑外的腐蝕產物成分鐵元素含量相對較高，說明鐵元素在合金表面富集，鈍化膜存在；坑內的腐蝕產物中鐵元素含量較低，說明腐蝕坑內B10合金表面的鈍化膜已被破壞。

2 綜合分析

經過一系列實驗檢測，表明受腐蝕短節化學成分符合要求，焊接熱影響區域無缺陷，而已形成的鈍化膜被破壞是造成腐蝕穿孔的主要原因，由此對幾種可能導致該問題的常見因素進行分析。

圖5 掃描電鏡微觀形貌

表2 腐蝕產物能譜分析

2.1 焊接熱影響因素

管道腐蝕穿孔處如圖6所示，腐蝕穿孔點位于短節中一段長約55 mm的直管段部分，現行標準規范中對于直管段并無兩條焊縫間距大于或等于管段直徑的要求，只要相互避開其他焊縫的熱影響區，焊后檢驗合格即可。因銅鎳管道采用手工氬弧焊進行焊接，該工藝焊縫熱影響區寬度在2～5 mm之間，因此位于直管段兩端的焊縫熱影響區不會重合，完全可以避開，由此可知焊接熱影響在正常范圍內，并未導致母材退變進而造成腐蝕。

2.2 流速因素

該平臺海水系統處管道設計模擬流速2.5 m/s，在設計允許范圍內，經出海現場調研，啟泵壓力可達0.9 MPa，正常工作壓力為0.65 MPa，根據計算，當管道內海水達到滿負荷流量時，水流速度約2.21m/s。其中受腐蝕管段兩端各有1條環焊縫，存在約2 mm焊縫余高，會產生輕微的激流效應，造成該處海水流速有小于10%的局部增速，因此推斷該處為整個海水系統流速的極限位置，該處流速約為2.43 m/s，參考實際經驗以及行業內實驗，海水流速在3.0 m/s以下不會發生合金管沖擊腐蝕破損[3]，因此不會因流速過快造成鈍化膜沖刷破損。

圖6 腐蝕穿孔的短節

2.3 管道材質因素

海水通常為中性或弱堿性，設計選型采用銅鎳材質不存在問題，但經過現場調研，發現平臺上多個與海水接觸的系統均有不同程度腐蝕，如海水消防系統中柴油消防泵泵軸點蝕，海水冷卻系統中主發電機不銹鋼管道、銅鎳接頭腐蝕。眾多材料（包括多種材質）分別由不同廠家供貨，由此推斷出現腐蝕為共性問題，并非管道材質選型及母材質量原因導致。

2.4 介質因素

平臺上海水泵為兩用一備形式，共3臺，當泵處于備用工況時存在管道內海水保存時間較長情況，可能發生海水變質，進而發生較為復雜的化學反應，產生腐蝕管道的化學產物。

在平臺海水泵投用前的調試期間，多次發生因海水含砂量較高而導致海水泵泵軸卡死斷裂情況，隨含砂量增加，表面磨蝕更為顯著[4]。

平臺采用銅鋁電解裝置進行海水系統的防污，裝置內的銅棒、鋁棒電流均為0.9 A，該裝置產生的電解質銅離子、鋁離子、氯離子等經海水泵進入海水系統，將導致合金表面難以生成較完整的鈍化膜，且鈍化膜更容易被破壞，從而加快腐蝕速率[4]。

3 結論及建議

經過一系列實驗并結合平臺現場情況，初步推斷B10銅鎳合金管道腐蝕穿孔的主要原因為：海水含砂量較高沖刷破壞鈍化膜以及海水中電解質含量較高加速電化學腐蝕。

建議適當調節平臺上銅鋁電解裝置的電流以降低電解質濃度，從而減輕電解質對銅鎳管道鈍比膜的破壞；此外在海水系統中增加除砂裝置，加強籃式濾器及自動反沖洗濾器對海水中砂石雜質的濾除效果。