對(duì)濕天然氣管道泄漏失效的原因分析

李再春

(天津新星科能源技術(shù)有限公司，天津 300384)

0 引言

天然氣管道是輸送天然氣最主要的方式，但由于天然氣具有易燃易爆等特性 ,一旦管道泄漏有可能引起爆炸火災(zāi)等事故。含有H2S 和CO2的濕天然氣管道是腐蝕風(fēng)險(xiǎn)和后果最大的一種，因此有必要對(duì)發(fā)生泄漏的濕天然氣管道進(jìn)行失效分析，為濕天然氣腐蝕防護(hù)提供依據(jù)[1-2]。

某油田生產(chǎn)分離器至燃?xì)膺M(jìn)氣分離器之間的管道發(fā)生泄漏，泄漏孔直徑約1mm。此段管道內(nèi)部輸送氣體為濕天然氣，管道工作壓力為120PSI，工作溫度60℃。泄漏點(diǎn)位于水平管道爬升段下部彎頭面對(duì)氣體流向一側(cè)的焊縫區(qū)域，彎頭為SCH40 系列45°彎頭，公稱直徑200mm，公稱壁厚8.18mm。管道中存在微量的CO2和H2S，CO2含量為5ppm，H2S 含量為10ppm。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀形貌及壁厚

斜管下部及部分彎頭焊縫存在大面積嚴(yán)重腐蝕，呈現(xiàn)向上收束狀；斜管上部存在離散的嚴(yán)重腐蝕坑點(diǎn)；其他焊縫位置存在中度腐蝕痕跡，參見圖1。

圖1 泄漏管段內(nèi)部腐蝕樣貌

通過超聲波測(cè)厚檢測(cè)，未腐蝕區(qū)域壁厚都大于8.50mm，腐蝕區(qū)域最小值為3.73mm，出現(xiàn)斜管下部。

1.2 管道材質(zhì)成分

失效管道的材質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為ASTM A234-WPB，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中要求的元素進(jìn)行光譜分析，除Si 含量略高于標(biāo)準(zhǔn)值外，其他成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3 SEM形貌及EDS譜

對(duì)腐蝕表面進(jìn)行超聲清洗除塵和表面松散物，采用掃描電鏡及能譜儀腐蝕表面進(jìn)行形貌觀察及微區(qū)成分分析。腐蝕表面呈現(xiàn)不規(guī)則的坑洼玻璃狀樣貌，根據(jù)能譜分析結(jié)果顯示，腐蝕產(chǎn)物中存在超過金屬本體材質(zhì)成分含量的C、S和O元素，參見圖2。

1.4 X射線衍射譜

采用X 射線衍射檢測(cè)，進(jìn)一步分析腐蝕產(chǎn)物元素價(jià)態(tài)和化合組成。從XRD 分析結(jié)果來看，腐蝕產(chǎn)物中存在鐵的硫化物，參見圖3。

圖2 泄漏區(qū)腐蝕表面SEM形貌及EDS譜

圖3 腐蝕產(chǎn)物的X射線衍射圖譜

2 分析與討論

失效管道的介質(zhì)中存在H2S 和CO2等酸性氣體共存，通常情況下，當(dāng)二氧化碳分壓/硫化氫分壓小于20 時(shí)，硫化氫腐蝕將起到主導(dǎo)作用，在管道中兩種氣體含量都在1～10ppm 之間，另外硫化氫的溶解度更高，因此當(dāng)二者同時(shí)存在時(shí)以硫化氫腐蝕為主。在XRD 分析中也證明存在鐵的硫化物。因此可以判斷，管道的腐蝕存在H2S 腐蝕。干燥的酸性氣體對(duì)金屬材料無腐蝕破壞作用，只有溶解在水形成電解質(zhì)中才具有電化學(xué)腐蝕性，因此管道中一定存在液態(tài)水。

管道內(nèi)存在高速流動(dòng)的氣體，氣液界面在相間的摩擦剪切作用下，氣體會(huì)攜液向前流動(dòng)，而靠近管壁的液體在自身重力作用下回流，這就使得液體并不會(huì)直接被帶離彎頭，而是開始平鋪于彎頭下游傾斜向上的管段，傾斜向上管段內(nèi)的液體層越向上，厚度越小直至消失，但其液相凈流量為零，此過程為ZNLF( zero-net liquid flow)流動(dòng)，此過程會(huì)持續(xù)到彎頭處原本積聚的液體全部平鋪于傾斜向上的管段內(nèi)[3-4]。 在宏觀形貌檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)，管道下彎頭和向上爬升段的腐蝕痕跡也充分證明了管道內(nèi)正是存在ZNLF 流動(dòng)。

H2S 氣體在水中具有非常高的溶解度，管道中的液態(tài)水持續(xù)溶解氣流中的H2S，由于液態(tài)水無法離開彎頭低洼處，電解質(zhì)環(huán)境的酸性越來越強(qiáng)，腐蝕性非常高。因此不但在底部液體浸潤(rùn)區(qū)有明顯的腐蝕，甚至被液體噴濺的上部區(qū)域也有明顯的腐蝕坑。

腐蝕產(chǎn)生鐵的硫化物是復(fù)雜的腐蝕產(chǎn)物，通常是一種有缺陷的結(jié)構(gòu)，它與鋼鐵表面的黏結(jié)力差，易脫落，易氧化，電位較低，于是作為陰極與鋼鐵基體構(gòu)成一個(gè)活性的微電池，對(duì)鋼基體繼續(xù)進(jìn)行腐蝕。在流體沖刷的情況下，剝落的腐蝕產(chǎn)物會(huì)被帶離金屬表面，重新裸露的金屬表面會(huì)繼續(xù)被腐蝕，在長(zhǎng)期的往復(fù)作用下，管道壁厚不斷減薄最終穿孔泄漏[5]。

3 結(jié)語(yǔ)

管道泄漏失效主要由于傳輸介質(zhì)中存在H2S 酸性氣體溶于液態(tài)水形成腐蝕性溶液，在低洼處受高速氣流攜帶接觸到金屬，通過電化學(xué)和力學(xué)雙重作用引發(fā)持續(xù)腐蝕造成的。

腐蝕問題點(diǎn)只存在于管道低洼處，可以在管道低洼處增加排液口，定期排放避免液體聚集。