集氣管道絕緣接頭非陰極保護側腐蝕穿孔失效分析

薛繼軍，史盈鴿

1.西安石油大學機械工程學院（陜西西安 710065）

2.西安摩爾石油工程實驗室股份有限公司（陜西西安 710065）

1 現場概況

外加電流陰極保護已經成為石油工業中一種常見的、成熟的管道外防腐保護措施[1]。絕緣接頭作為陰極保護體系中不可或缺的部件，用來連接施加陰極保護管段和未保護管段，但油田現場集輸管線在應用陰極保護時，常常發生絕緣接頭的失效[2-4]。某作業區集氣匯管，全長10 880 m，輸送介質為油氣混輸，管線采用API-X60 無縫鋼管，規格Φ219.1 mm×14.3 mm，自2003 年投用，至今已運行十幾年。近期該管線實際輸量為天然氣13×104m3/d、油130 t/d，管道運行溫度50～60 ℃，運行壓力11～13 MPa，輸送介質綜合含水為0.8%。為避免管道腐蝕，采取了犧牲陽極式陰極保護，犧牲陽極為鎂陽極。2018 年9 月發現該管道有油氣滲漏現象，經排查發現，泄露處絕緣接頭內部管體焊縫腐蝕穿孔，介質在絕緣接頭封閉焊縫處發生泄漏。

綜上所述，為了調查此次絕緣接頭失效原因，并避免該現象的再次發生，提高輸氣管線的使用壽命，針對集氣管線絕緣接頭非保護側腐蝕泄露問題展開失效分析，通過物相分析、微觀形貌、腐蝕產物分析、腐蝕機理探討等，確定管道內腐蝕泄露原因。

2 宏觀分析

圖1為絕緣接頭泄露部位及非陰極保護側管體腐蝕宏觀形貌，觀察圖1（a）發現，泄漏發生于絕緣接頭焊縫周圍。對管體內壁進行放大觀察如圖1（b）所示，可以明顯看到，管體內壁腐蝕嚴重，存在大量腐蝕凹坑，且這些凹坑主要集中在管壁下端，即與介質相接觸側，管體上部未見明顯腐蝕。

圖1 絕緣接頭泄漏部位及短管腐蝕宏觀形貌

3 實驗結果及分析

3.1 組織形貌分析

采用線切割將試樣加工成尺寸為12 mm×12 mm×6 mm的塊體，使用JXA-8530F Plus場發射電子探針對樣品進行SEM 形貌觀察，結果如圖2 所示。觀察圖2（a）—2（d）可知，保護側和非保護側為同一種組織，均為鐵素體+珠光體。由SEM 顯微組織圖可知，絕緣接頭兩側組織未見明顯差異，故可排除由于異種金屬連接造成的電偶腐蝕。由圖2（e）、2（f）可看出，焊接部位相較于保護側及非保護側組織形貌較差，分布較為雜亂，無明顯取向，這是由于焊縫表面成分和凝固條件比較復雜所導致。

圖2 不同位置SEM形貌

3.2 腐蝕產物分析

絕緣接頭非保護側發生嚴重的局部腐蝕，采集腐蝕重災區表面反應產物，對產物的物相結構、化學成分進行局部分析，確定腐蝕過程及腐蝕機理。

圖3為絕緣接頭非保護側不同倍率下SEM腐蝕形貌圖。觀察圖3（a）可發現，低倍率下樣品表面全部被腐蝕產物覆蓋，腐蝕層較厚并且呈片狀形貌，對其進行放大觀察見圖3（b），可以看到腐蝕層中有許多凹坑（如箭頭所示），表明接頭處腐蝕主要以局部腐蝕為主。對比圖3（c）、3（d）可知，腐蝕膜疏松并全部破裂，在腐蝕介質中其保護性較弱。

圖3 絕緣接頭非保護側SEM腐蝕形貌

由于油氣管線內腐蝕介質成分復雜，腐蝕產物成分復雜、不單一，采用EDS 能譜對腐蝕產物的成分進行定性分析，結果如圖4 所示。由圖4 可以看出，腐蝕產物成分主要包含C、O、Fe元素，還包含少量的Si、Mn、Na、S 等元素。除了接頭材料的物質以外，管壁內部腐蝕產物還存在Cl、S、C 和O 元素，這是導致管體發生腐蝕的環境因素。

圖4 腐蝕產物EDS圖

3.3 力學性能

采用CSS-2205 型電子萬能試驗機對樣品進行拉伸性能測試，分別在保護側、非保護側、絕緣接頭3 個部位各取3 塊試樣，試驗方法參照GB/T 228—2002《金屬材料室溫拉伸試驗方法》執行，加載速率為6 mm/min。為便于數據比較，結果采用平均數值進行統計，測試結果見表1。

根據GB/T 9711—2017《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》標準，由表1 中數據可知，保護側及非保護側試樣的平均抗拉強度、平均屈強比及平均延伸率均符合標準要求，而保護側試樣平均屈服強度略高于標準要求上限。絕緣接頭處樣品平均抗拉強度為511.33 MPa，低于SY/T 0516—2016《絕緣接頭與絕緣法蘭技術規范》要求的≥540 MPa，不符合絕緣接頭設計要求。

表1 不同部位樣品拉伸性能

4 腐蝕機理分析

在非保護側接頭內腐蝕嚴重區域和腐蝕較弱區域取樣進行XRD分析，從結果可知腐蝕產物主要為FeCO3和Fe2O3。FeCO3的形成主要是由于油氣中含有大量的CO2，在一定壓力和流速中容易發生二氧化碳腐蝕[5-6]。

CO2的腐蝕機理是CO2氣體與溶液中的水發生反應生成弱酸碳酸，對管線金屬進行腐蝕，反應方程如下所示：

CO2腐蝕會在管道內壁形成一定的沉淀物即FeCO3，該沉淀物附著在管道表面，腐蝕速率受到了一定的影響[7-8]。由于沉淀區域的差異化和沉淀厚度的不同，使得區域之間形成了較強的腐蝕電偶，發生電化學作用，常常會導致CO2的局部腐蝕更加嚴重[9]。

Fe2O3的形成主要由化學腐蝕和電化學腐蝕生成。化學腐蝕：

在電解液中電化學腐蝕Fe 和C 與電解質溶液構成了原電池：

接著Fe(OH)3分解生成了Fe2O3。

5 分析討論

通過對樣品進行組織形貌分析，結果表明保護側和非保護側為同一種組織，均為鐵素體+珠光體，絕緣接頭兩側組織未見明顯差異，故可排除由于異種金屬連接造成的電偶腐蝕。焊接部位相較于保護側及非保護側組織形貌較差，分布較為雜亂，無明顯取向。這是由于焊縫表面成分和凝固條件比較復雜所導致。

通過腐蝕形貌和腐蝕微區成分表明：腐蝕主要以局部腐蝕為主，腐蝕膜破裂嚴重的地方微區成分含有少量的Mn、Si 等不易腐蝕元素，表明接頭微觀組織內含有Mn、Si 等相作為陰極加速了電偶腐蝕。腐蝕產物XRD表明，腐蝕產物主要為FeCO3，推測介質內溶有大量的CO2，使介質整體呈現弱酸性，絕緣接頭材質與管線段偶接，對這種環境表現出很強的敏感性，腐蝕傾向加強。力學性能結果表明，保護側及非保護側試樣力學性能符合標準要求，絕緣接頭處樣品平均抗拉強度為511.33 MPa，低于SY/T 0516—2016《絕緣接頭與絕緣法蘭技術規范》要求的≥540 MPa，不符合設計要求。

綜上所述，絕緣接頭的失效，主要是由于非保護側發生CO2局部腐蝕，在管體薄弱的焊接處尤為嚴重，腐蝕由內壁發生、發展，最終形成刺漏，導致絕緣接頭失效。