氣浮選管線彎頭腐蝕穿孔失效分析

秦俊嶺 高大義 趙起鋒 徐 慧 朱玉長 靳 健 狄志剛 廖伍彬

（1. 中海油常州涂料化工研究院有限公司，江蘇 常州 213016；2.中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所，江蘇 蘇州 215123）

0 背景介紹

海洋油田的生產設施受海洋環境和復雜的工況條件影響，外腐蝕和內腐蝕都面臨嚴峻考驗。如果管線或罐體腐蝕穿孔泄漏，將會帶來嚴重和惡劣的環境生態破壞[1,2]。因此，海洋油田對生產設施的腐蝕控制非常嚴格，對腐蝕失效問題也非常重視。

本案例是南海某油輪氣浮選管線彎頭腐蝕穿孔的失效分析。穿孔樣品如圖1所示的一段6寸氣浮選管線彎頭，位于外排水緩沖罐內部。

圖1 6寸氣浮選管線

該外排水緩沖罐內部結構如圖2所示。圖2中也說明了彎頭外側和彎頭內側的位置。

圖2 6寸氣浮選管線結構示意圖

6寸氣浮管線中的流體是微氣泡發生器產生的溶氣水，其流向是從罐子底部進入，穿過第一級堰板進入微氣泡懸浮室。溶氣水是由生產水和氮氣混合構成，生產水與氮氣的比值大約是10:1。氣浮管線外部是處理后的外排生產水。水溫55℃左右。

圖3是生產水的水質分析報告，水質基本中性，水中的主要腐蝕性物質是Cl-、SO42-、HCO3-等鹽類。

圖3 水質分析報告

該氣浮管線大約使用8個月左右穿孔，歷次穿孔位置一致，均在彎頭外側位置。

1 腐蝕因素分析

通過腐蝕背景信息的調查分析，可以發現幾類顯而易見的腐蝕因素：

（1）Cl-離子腐蝕：含量在20000mg/L左右；

（2）HCO3-離子腐蝕：含量中等，400mg/L左右；

（3）氣泡水中O2的腐蝕：氣泡水中所充氮氣為非高純氮，含有微量的氧氣；

（4）氣泡水沖刷腐蝕：氣泡水對彎頭處的沖刷；

（5）水中H2S的腐蝕：從腐蝕產物有一點臭雞蛋氣味推測水中應溶解有H2S，但根據水的類型，H2S含量應不高[3]；

確定了基本的腐蝕因素之后，擬從腐蝕形貌觀察、基材成分分析、腐蝕產物成分分析、金相分析等角度，探究氣浮管線彎頭產生腐蝕穿孔的成因。

2 腐蝕形貌觀察

圖4是樣品到達實驗室時的照片。圖4也說明了彎頭外壁和彎頭內壁的位置。

圖4 氣浮選管線彎頭外側外壁和內壁的形貌

氣浮管線彎頭外側腐蝕穿孔。根據氣浮管線設計資料，管線材質為碳鋼，外涂防腐漆（環氧富鋅涂料）。腐蝕現象特點為彎頭外側管壁優先發生局部腐蝕，腐蝕孔已穿透管壁，且腐蝕孔口徑外大內小，說明腐蝕穿孔是由外向內。彎頭外側外壁有頭蓋骨形狀的穿孔和凹坑。沿腐蝕孔斜面成梯田狀，上面有凸棱和小凹坑。這是一種典型的空泡腐蝕宏觀特征[4-6]。

從彎頭內部看，靠近腐蝕穿孔位置的內表面相對光滑，沒有覆蓋過多腐蝕結垢產物。而在彎頭內側內壁，覆蓋了較多的腐蝕結垢產物。說明彎頭外側內壁受到的流體沖刷強度比彎頭內側內壁大，導致該表面粘附的腐蝕產物少。

3 分析測試

3.1 分析測試方法

為分析彎頭腐蝕穿孔的原因，將對材質成分、腐蝕產物、金相組織進行分析。選取的測試部位如圖5所示。

圖5 彎頭測試前外觀照片（A、B區域為基材成分測試區域）

所用到的測試設備如表1所示。

表1 測試設備

3.2 基材成分分析

按照標準采用電感耦合等離子體發射光譜儀和CS分析儀對管道基材成分進行測試，所選測試區域如圖5中A、B區域，測試結果如表2所示。各元素含量符合標準GB/T 14164-2013中要求含量，材質為碳鋼，這也和氣浮選管線設計資料相符。

3.3 腐蝕產物成分分析

分別選取彎頭內壁腐蝕物、外壁腐蝕物進行EDS成分測試，如圖6～圖9所示。

EDS測試結果表明內壁腐蝕物中主要含有Cl和O元素，并含有少量的S元素，外壁腐蝕物中主要含有O、S元素及少量 Cl元素。具體元素含量分別如表3和表4所示。

表2 基材化學成分分析結果（%）

圖6 彎頭外壁表面腐蝕物EDS成分分析位置

圖7 彎頭外壁表面腐蝕物EDS成分分析能譜圖

圖8 彎頭內壁表面腐蝕物EDS成分分析位置

圖9 彎頭內壁表面腐蝕物EDS成分分析能譜圖

表3 彎頭外壁表面腐蝕物EDS成分分析測試結果 (wt%)

表4 彎頭內壁表面腐蝕物EDS成分分析測試結果 (wt %)

基本可判定腐蝕產物是鐵的氧化物、氯化物和硫化物。外壁腐蝕產物中含有Zn，推測來自外壁環氧富鋅涂層。氣浮選管線內外壁均浸在高含Cl-的生產水中，但外壁腐蝕產物較少，Cl-含量也較低，說明外壁的腐蝕產物因某種外力被剝離。

3.4 金相組織分析

分別在彎頭上選取靠近腐蝕穿孔位置、遠離腐蝕穿孔位置制取金相樣品，采用3D數碼顯微鏡對所取樣品進行金相組織觀察，如圖10和圖11，可以看出所選兩個區域的金相組織主要為鐵素體和珠光體，也就是說彎頭基材金相組織均勻，無異常。

圖10 腐蝕孔邊緣區域金相顯微組織圖

圖11 遠離腐蝕孔區域金相顯微組織圖

圖12 腐蝕孔側壁截面金相組織（晶粒變形）

然后對腐蝕孔斜面的亞表面做金相分析，如圖12所示，發現在腐蝕孔斜面的金相組織出現金相變形，似沿某種力的方向拉伸而成流線型。另外從圖13觀察，腐蝕孔的斜面也存在明顯的光滑流線型形貌。這是一種典型的空泡腐蝕微觀特征[5]。

圖13 腐蝕孔斜面的金屬流線形貌

4 結果與討論

通過對腐蝕背景、分析測試結果的分析測試，可以發現：

（1）生產水對碳鋼有一定的腐蝕性，造成6寸氣浮管線內壁腐蝕結垢和點蝕；

（2）6寸氣浮管線彎頭內側內壁腐蝕結垢產物多，而彎頭外側內壁腐蝕結垢產物少，說明彎頭外側內壁受到流體沖刷作用；

（3）6寸氣浮管線彎頭外側外壁腐蝕宏觀形貌表現為空泡腐蝕特征，腐蝕孔成頭蓋骨形和馬蹄形，穿孔外大內小，沿腐蝕孔斜面有梯田狀的凸棱和小凹坑；

（4）6寸氣浮管線彎頭外側外壁腐蝕微觀形貌也表現為空泡腐蝕特征，沿腐蝕孔斜面的晶粒變形，并伴有沿特定方向的流線形特征。

因此，可推斷6寸氣浮管線彎頭腐蝕穿孔的全過程分為兩個階段。腐蝕的第一階段，在氣浮管線內部，隨著溶氣水對管內壁的持續腐蝕，管壁表面結垢。在彎頭外側內壁，受到水流的沖刷，腐蝕產物會被水流剝離，造成該處內表面腐蝕更快。而且由于水中有Cl-等，可造成局部的點蝕，時間久了可造成從內到外的穿孔，但此時穿孔的直徑較小。腐蝕的第二階段，溶氣水從第一階段造成的穿孔中溢出，氣泡在穿孔處不斷膨脹破裂，沖擊金屬表面，金屬表面受氣泡破裂力的反復作用，逐層剝落金屬表面，形成梯田狀的凸棱和小凹坑，直至管壁減薄穿孔。氣泡破裂的沖擊力也使表面至亞表面的金相組織發生了塑性變形，從微觀形貌上觀察成流線組織特征[5,6]。

綜上所述，結論如下：

（1）管線腐蝕孔外形似漏斗，腐蝕孔表面上的棱、凹坑等形貌符合空泡腐蝕的宏觀特征；腐蝕孔亞表面的金相流線形組織符合空泡腐蝕的微觀特征；

（2）管線發生腐蝕穿孔主要是空泡腐蝕失效所致。腐蝕過程分為兩個階段：第一階段，管線內表面因多種電化學腐蝕、沖刷腐蝕等形成局部腐蝕穿孔，氣泡泄漏；第二階段，大量氣泡在泄漏處的外表面破裂，對外表面形成強烈的空泡腐蝕，導致穿孔擴大。

鑒于該氣浮管線腐蝕穿孔的重要原因是空泡腐蝕，防止從內壁局部腐蝕穿孔而造成氣泡溢出是關鍵。因此建議應從材質選擇和防腐工程的角度去解決[7]。比如，氣浮管線選擇比碳鋼耐蝕性好的材料，或對氣浮管線內涂柔性陶瓷涂料。本案例比較典型，探究其腐蝕穿孔的原因，對腐蝕防護有一定的指導意義。