海上某油田采油樹水相出口管線腐蝕失效分析

李曉成 厲嘉濱 陳經華

（中海油能源發展股份有限公司上海環境工程技術分公司，天津 300452）

0 引言

如果說海底管道是海上油氣田開發的大動脈，那么海洋井口采油樹就是海上油氣田開發的毛細血管，是海洋油氣資源開采工程的重要組成部分。采油樹管線通常采用鋼質管道，隨著服役年限的增加，加上海洋腐蝕環境的復雜性和惡劣性，井口采油樹不可避免會出現銹蝕、腐蝕、沖蝕等缺陷[1-4]。據統計，中海油渤海油田井口采油樹已突破2100套[5]，采油樹服役年限如表1所示。

表1 渤海油田采油樹服役年限統計

目前對于采油樹出現故障后采用的方法主要是返廠拆檢、換件維修，對于現場的檢測手段主要是靜態無損檢測、功能試驗和靜水壓強度試驗等手段。通過查詢相關文獻，采油樹中故障井統計情況如表2所示。

表2 采油樹故障分井別統計

水相的故障井數量居多，根據文獻中描述，油相和氣相井的故障主要集中在各平板閥故障，而水相井的故障則體現在腐蝕因素[6]。本文對海上某平臺CEP-A19井采油樹水相出口管線進行失效分析，主要工作內容包括失效管件的常規檢測、腐蝕產物分析和失效原因分析。

1 腐蝕實效分析

1.1 現場調查研究

渤中28-2S油田位于渤海南部海域，油氣藏主要受巖性和構造雙重因素控制，以巖性-構造油藏為主。地面原油具有密度中等、粘度中等、凝固點高、含蠟量高、膠質瀝青質中等、含硫量低的特點。

本次進行分析的失效管件位于A19井水相出口處，A19井注水管柱更換作業結束后，恢復注水時發現A19井水嘴上游第一片法蘭處焊縫有一處漏點。現場如圖1所示。

1.1.1 基礎分析

A19井操作壓力為11.3MPa，操作溫度為75℃，管道內介質為注入水，管線材質為A106，服役年限為10年。管線測厚情況如圖2和表3所示，管線探傷情況如圖3和表4所示。

表3 壁厚檢測結果

表4 探傷結果

1.1.2 現場腐蝕宏觀形貌分析

失效管件示意圖如圖4所示，失效管件由兩個法蘭，兩個90°彎頭以及一節直管段焊接而成，共4道焊縫，從左至右依次編號1-9，其中1#和9#為法蘭，2#、4#、6#、8#為焊縫，3#和5#為彎頭，7#為直管段。

圖5為失效管件剖開后的內壁形貌，從圖中可以看出1#法蘭內表面無腐蝕，2#焊縫處有腐蝕跡象，取樣做XRD分析，3#彎管內壁無腐蝕，4#焊縫無腐蝕，5#彎管內壁有腐蝕跡象，取樣做XRD分析，6#焊縫有均勻腐蝕跡象，取樣做XRD分析，7#直管段有均勻腐蝕跡象，取樣做XRD分析，8#焊縫有均勻腐蝕跡象，取樣做XRD分析，9#法蘭內壁無腐蝕。

1.1.3 壁厚測量

采用千分尺對失效管件進行壁厚測量，測量結果如表4所示。測量結果與安裝之前相比，無明顯壁厚減薄。

1.2 失效分析

1.2.1 理化檢測

采用 SPECTRO LABLAVM11直讀光譜儀對失效短節進行了化學成分分析，分別測兩個樣，每個樣測3個點，表中數據為3個點平均值，檢測結果如表6所示，檢測結果表明，1#樣即法蘭成分為不銹鋼，其余管體皆為碳鋼。從Cr元素的含量可以看出，4#、6#、8#焊縫Cr含量很低，說明為普通的碳鋼焊條。2#焊縫Cr含量為1%～2%左右，介于1#不銹鋼基體和3#彎管基體之間，通過Cr含量可以判定此異種鋼對焊選用的焊條不是不銹鋼焊條，不銹鋼焊條Cr元素含量基本都在10%以上，其Cr元素含量高應是熔合了部分不銹鋼法蘭的緣故。

表5 壁厚測量結果

表6 化學成分分析結果

表6（續）

1.2.2 金相試驗

依照GB/T 13298-2015 金屬顯微組織檢驗方法，檢測失效管件的金相組織，1-9號試樣金相照片如圖6～圖24所示。

管體檢測結果如表7所示，1#法蘭組織為奧氏體+鐵素體組織，為不銹鋼的典型組織；其余管體組織為鐵素體+珠光體；焊縫處組織較復雜，2#焊縫為針狀鐵素體+貝氏體組織，熔合區為魏氏組織，細晶區為多邊形鐵素體+珠光體組織。焊接裂紋發生在2#焊縫熔合區，此處組織異常，魏氏組織硬度高、韌性差，性能較差。4#焊縫為針狀鐵素體+貝氏體，熔合區為粒狀貝氏體，細晶區為多邊鐵素體+珠光體。6#和8#焊縫組織一直，屬于碳鋼之間的對焊，焊縫組織為鐵素體+珠光體組織，熔合區組織為粒狀貝氏體，細晶區組織為多邊鐵素體+珠光體組織。

1.2.3 硬度分析

對管體、焊縫進行硬度測量，試驗設備為Tukon2500維氏硬度計，執行標準為ASTM E92-17，沿管體邊緣測一些列的維氏硬度，打點位置如圖24～圖25所示，檢測結果如表9～表10所示。表9位焊縫硬度檢測結果，其中4#、6#、8#焊縫硬度過渡較平滑，焊縫處硬度最高，兩邊稍低，而2#焊縫硬度梯度起伏較大，其熱影響區硬度最大可達300Hv10，遠遠高于兩側基體的硬度。熱影響區硬度高，容易在此處產生裂紋。

表10為彎頭和直管段基體的維氏硬度值，硬度梯度變化平緩，與焊縫兩側基體的硬度無明顯差異。

1.2.4 SEM分析

1.2.4.1 裂紋已貫穿的SEM分析

通過宏觀分析，發現滲漏處在2#焊縫根部，焊縫根部產生了貫穿管體的裂紋，最終導致了管體發生了滲漏。將裂紋處打開，觀察微觀形貌，低倍形貌如圖26所示，其中A端為管內側，B端為管外側。從B端的SEM照片（如圖27～圖28所示）可以看出，B表面覆蓋了一層薄薄的物質，該物質有晶體結構，類似針狀，屬于典型的腐蝕產物。對B區進行元素分析，分析結果如表11所示，其中Fe、C、O、S元素含量較高，腐蝕產物可能為FeCO3和FexSy。B區是在管外壁處，此處為后產生的裂紋，從腐蝕產物的形貌可以看出表面未受任何污染。A區微觀形貌如圖27所示，從微觀照片可以看出，A區腐蝕產物較多，已看不出針狀形貌，腐蝕產物已結合成大塊的晶體，這也與A區是先產生的裂紋，先發生腐蝕吻合。

表7 管體試樣金相檢驗結果

表8 焊接接頭試樣檢測結果

表9 焊縫硬度試驗結果（HV10）

表10 管體硬度試驗結果（HV10）

1.2.4.2 裂紋未貫穿的SEM分析

上面分析的是裂紋已貫穿的形貌，下面分析裂紋未貫穿時的情況。圖29為裂紋未貫穿的宏觀照片，其中A區是早期發生開裂的區域，其表面崎嶇不平，且已發生腐蝕。B區為將裂紋強行打開后裂紋擴展區，其表面相對平整，且光鮮潔凈。圖30為SEM照片，二者形貌差異對比更明顯。A區元素分析如表12所示，其中還是Fe、C、O、S元素含量較高，腐蝕產物應與上面分析的相同。B區微觀形貌如圖31所示，B區表面有大量韌窩，說明是韌性斷口，B區的元素分析如表13所示，其中Cr元素的含量較高，與2#焊縫處Cr元素相近，此處應為焊縫，說明裂紋是產生在焊縫處的。

表11 B端腐蝕產物元素分析

表12 A區腐蝕產物元素分析

表13 B區基體元素分析

1.2.5 腐蝕產物分析

取特征部位腐蝕產物，并對腐蝕產物進行清洗，先用石油醚去除腐蝕產物中的油，多次萃取，直至石油醚透明和腐蝕產物有明顯分層為止。再用酒精清洗腐蝕產物，直至酒精透明為止。然后用濾紙分離腐蝕產物，最后晾干裝入試樣帶，在做XRD和EDS之前，需對腐蝕產物進行研磨。

表14 2#樣品EDS分析結果

表15 5#樣品EDS分析結果

表16 6#樣品EDS分析結果

表17 7#樣品EDS分析結果

表18 8#樣品EDS分析結果

表19 腐蝕產物XRD分析結果匯總

腐蝕產物XRD分析結果匯總如表19所示，從腐蝕產物可以看出，主要成分為FeCO3，伴有一定量的FexSy及鈣鎂垢。

2 結論與建議

2.1 失效原因分析

根據壁厚測量結果，1#法蘭頸部壁厚為7.246mm，與其對焊的彎管壁厚11.818mm，二者之差為4.572mm。根據《GB50236-1998 現場設備、工業管道焊接工程施工及驗收規范》規定，不等厚對接焊件組隊時，薄件端面應位于厚件端面之內。當內壁錯邊量超過3mm時，應按照圖36進行加工。1#法蘭的焊接便適用此情形，厚件理應開75°坡口，而實際的坡口角度目測只有45°，如圖32所示。所以在焊接過程中，問題之一便是開坡口問題。

本次發生泄漏處為不銹鋼法蘭和碳鋼彎頭對焊的熱影響區，焊縫形貌如圖33所示，焊縫及左邊基體可以侵蝕，為碳鋼材質，右邊基體無法侵蝕為不銹鋼材質，對比明顯。理論上講不銹鋼與碳鋼的焊接應選用不銹鋼焊條，但是從化學成分、金相分析結果來看，此處選用的焊條為碳鋼焊條。問題之二是焊條選用問題。

異種鋼的焊接需控制焊縫中母材金屬的比例，即熔合比。其目的是減少焊縫裂紋。熔合比過大焊縫過分稀釋，可使焊縫中奧氏體成份不足，導致出現馬氏體組織，使接頭脆性產生裂紋。母材金屬的熔合比要控制在30%以內，就能獲得理想的奧氏體+鐵素體雙相組織。可以避免焊縫裂紋。

從硬度檢測結果來看，2#焊縫熱影響區硬度院高于基體硬度，硬度高脆性就好，容易產生裂紋，圖34為肉眼可見的裂紋，位于焊縫底部。

圖35為2#焊縫處貫穿裂紋宏觀形貌，滲漏也是由于貫穿裂紋引起。從宏觀形貌可以看出，裂紋擴展時分叉較多，分叉多也就造成了打開后的表面崎嶇不平。圖36未尚未貫穿裂紋的宏觀形貌，從圖中可以看出，裂紋分叉特征明顯。裂紋表面發生了腐蝕，腐蝕產物檢測結果為FeCO3，從裂紋分叉及腐蝕情況可以得出，裂紋擴展是由于應力腐蝕開裂引起，管道內壓力可達十幾兆帕，同時管內介質為生產水，使其處于腐蝕環境中，加上前期焊接造成的開裂，最終形成了應力腐蝕開裂，造成了管件的滲漏失效。

2.2 小結

（1）經材質鑒定，1#法蘭材質為不銹鋼，其余管件、法蘭材質為碳鋼；

（2）垢樣XRD檢測結果為FeCO3，伴有一定量的FexSy及鈣垢；

（3）1#法蘭和3#彎管對焊時，壁厚差超過3mm，厚件未按要求開坡口；

（4）不銹鋼和碳鋼對焊時焊條選用錯誤，選用的焊條為碳鋼焊條，導致熱影響區出現了魏氏組織，產生了裂紋；

（5）管件滲漏原因為焊接不合格，異種鋼、異種壁厚焊接產生了裂紋，在腐蝕介質作用下，發生了應力腐蝕開裂。

2.2 建議

（1）異種鋼、異種壁厚焊接需嚴格按照相關標準規范，在焊條的選用上應首先考慮不銹鋼焊條，控制好焊接工藝，否則容易產生焊接裂紋；

（2）不銹鋼和碳鋼連接，容易產生電偶腐蝕問題，應盡量避免；

（3）硫化物顯示：焊縫部位可能發生微生物腐蝕（MIC）；

（4）盡量減少異種鋼對焊，可以考慮將1#法蘭更換為碳鋼法蘭。