某油田原油輸送20鋼管線彎頭穿孔原因

羅 懿，楊 陽，蔣曉斌，王驊鐘

(中海油(天津)管道技術工程有限公司，天津 300452)

0 引 言

某油田生產流量計進口直徑20.32 cm(8″)鋼管彎頭在運行3 a后發生泄漏。為了不影響生產，對該泄漏點進行緊急帶壓堵漏，并用鐵水泥對其整體覆蓋，待停產大修時(約4個月后)予以更換。該鋼管彎頭材料為20鋼，管內壁采用熱噴涂方法涂敷了陶瓷涂層，實際操作溫度為72～74 ℃，實際操作壓力為2.8～2.9 MPa，輸送介質為密度0.870 2 g·cm-3的原油，原油中含砂量(體積分數)為0.003 5%，含硫量(體積分數)為0.174 %，含水率(質量分數)為50%。歷史資料顯示，該管線輸送介質中含有腐蝕性氣體，其中CO2體積分數在1.78%～2.14%，H2S體積分數為0.01%。

通常情況下，引起鋼管彎頭腐蝕的因素主要包括：管體材料或涂層選型與服役環境不匹配；管體材料或涂層的顯微組織存在缺陷；服役環境中存在應力、腐蝕性介質(CO2或H2S等酸性介質)、結垢、流速過大、高溫、細菌等現象[1]。該鋼管彎頭的設計壽命為20 a，實際使用壽命為3 a。為了找到該鋼管彎頭泄漏原因，避免再次出現同類事件，作者對其進行失效分析，并提出改進措施。

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀形貌

鋼管彎頭泄漏位置位于法蘭曲率半徑最大處，如圖1(a)所示。去除鐵水泥后，泄漏區域存在一個穿透型孔洞，孔洞呈圓形，直徑為2.8 cm，如圖1(b)和圖1(c)所示。觀察可見，穿孔為由內向外發展形成，穿孔區域的外壁光滑，無腐蝕痕跡。綜上可知，鋼管彎頭呈現出內腐蝕特征[2]。

圖1 失效彎頭宏觀形貌

沿軸向且保留完整穿孔區域將彎頭剖開，依次用石油醚、酒精清洗內壁表面油污，觀察內壁形貌。內壁表面有黑色及紅棕色附著物，附著物質地疏松，存在分層現象；局部發現銹瘤狀物質，剝離后發現金屬基體已發生腐蝕，甚至形成腐蝕坑，屬于典型的垢下腐蝕特征。內壁表面不平整，存在多處凸起棱。沿凸起棱的痕跡勾勒出兩條弧線，為了便于分析，沿弧線將彎頭內壁區域分為A，B，C等3個區域，如圖2(a)所示。其中：A區域為兩弧線交叉靠內側的小三角區，表面可觀察到較均勻的涂層；B區域為兩弧線交叉靠外側的大三角區，表面涂層稀薄，局部可觀察到裸露的基體；C區域涂層均勻，但存在輕微鼓泡。各區域交界處涂層存在翹邊、破損等缺陷，如圖2(b)所示。穿孔位于B區域，該區域除發生穿孔外，表面還有多處大小不一的腐蝕坑，腐蝕坑周邊附著疏松物質和少量黑色堅硬瘤狀物質。由圖2(c)可見，與穿孔側相對的未穿孔側內壁各區域交界處涂層破損現象嚴重，并且出現一條從C區域貫穿到B區域的粗線狀涂層痕跡(如箭頭所示)。

圖2 失效彎頭剖開后內壁宏觀形貌

1.2 剩余壁厚

采用GE DM5E型超聲波測厚儀對不同位置處的剩余壁厚進行測量。由圖3可以看出，遠離穿孔且在彎頭內側位置的剩余壁厚最大，穿孔位置的壁厚最小，其余位置的壁厚相差不大，即A區域平均壁厚最大，其次為C區域，B區域平均壁厚最小。

圖3 失效彎頭不同位置的剩余壁厚測量值

1.3 化學成分

在失效彎頭無腐蝕的完好區域處取樣，采用SPECTRO LABLAVM11型直讀光譜儀，根據ASTM A106-18進行化學成分分析。由表1可知，失效彎頭除硅元素含量偏高以外，其他元素含量均符合ASTM A106-18(A級)要求。

表1 失效彎頭的化學成分(質量分數)

1.4 顯微組織

在失效彎頭內表面有涂層和無涂層區域以及穿孔區域切取金相試樣，經預磨、拋光，用體積分數4%的硝酸酒精溶液腐蝕后，采用Zeiss observer A1m型倒置光學顯微鏡觀察顯微組織。由圖4可以看出，失效彎頭有涂層、無涂層和穿孔區域的顯微組織均為鐵素體+珠光體，根據GB/T 13298-2015判定其晶粒度為8.5級，顯微組織無異常。

圖4 失效彎頭不同位置處的顯微組織

1.5 微觀形貌

分別刮取彎頭內壁附著物的表層產物和底層產物以及穿孔側B，C區域交界處的涂層和C區域的涂層，采用Zeiss EVO 18型掃描電鏡觀察微觀形貌。由圖5可知，內壁附著物表層產物的形狀不規則且顆粒尺寸較大，底層產物相對致密，但表面仍存在孔隙。腐蝕介質會通過這些孔隙滲入到金屬基體表面，造成金屬基體的腐蝕[3]。

圖5 失效彎頭內壁附著物的微觀形貌

由圖6可見：穿孔側B，C區域交界處的涂層截面上存在多處直徑不一的氣孔，最大氣孔直徑約為200 μm；此處涂層表面不光滑、不致密。

圖6 穿孔側B，C區域交界處涂層的截面和表面微觀形貌

由圖7可見，穿孔側C區域涂層表面存在微氣孔，且分布較為密集，涂層厚度約為524.1 μm。綜上可知，失效彎頭內壁的陶瓷涂層存在氣孔、厚度不均等質量缺陷[4-5]，無法起到在腐蝕環境中的防腐作用。

圖7 穿孔側C區域涂層的微觀形貌

1.6 物相組成

在彎頭腐蝕坑表層、腐蝕坑底層以及內壁表面黑色附著物處分別取樣，采用石油醚、酒精溶解脫脂，過濾并干燥處理后，使用Bruker D8 advance 型X射線衍射儀(XRD)進行物相分析，掃描范圍為3°80°，采樣步寬為0.02°，波長為1.540 56 nm。由圖8可知：腐蝕坑表層產物的主要物相為SiO2、CaCO3、FeCO3和Fe2O3·H2O，表明腐蝕坑表層產物既有腐蝕產物又有大量的垢和砂石；腐蝕坑底層產物主要物相為Fe3C、FeCO3和FeOOH；內壁表面的黑色附著物主要為FeCO3、FeS和Fe(OH)3。由此推斷，內壁表面腐蝕產物與H2S和CO2腐蝕有關[6-8]。

圖8 失效彎頭穿孔區域腐蝕坑處產物和內壁表面黑色附著物的XRD譜

1.7 水質及結垢預測

表2 現場水樣中離子的質量濃度

1.8 彎頭內部流場

采用FLUENT軟件對彎頭流場進行數值模擬。彎管幾何建模參數如下：管外徑219.1 mm，彎曲半徑200 mm，彎管進口長度和出口長度均為2 m，含水率(質量分數)為50%。模型以六面體網格形式進行劃分，邊界條件設置參數如下：入口設置為速度入口，出口設置為壓力出口，壓力為2.9 MPa；使用VOF模型計算多相流，湍流模型使用標準k-ε模型。由圖9可見，彎頭外弧面曲率最大處受到的流體壓力最大，且隨著流速的增加，外壁面受力逐漸升高。這是因為內部流體在彎頭外弧面的動能極大程度轉變為比壓能，導致該區域所受壓力最大。在流體較大沖擊力作用下，該區域內壁涂層和表面腐蝕產物層遭到破壞而引發腐蝕[12]。在實際工況下該彎頭中原油介質的平均流速約為1.4 m·s-1。由于彎頭外弧面曲率最大處內壁B區域的涂層較薄，在流體的沖擊下更容易發生破損，從而加速內壁腐蝕，直至穿孔。

圖9 不同流速流體作用下彎頭內的壓力分布

2 泄漏原因分析

3 結論與建議

(1)彎頭內壁陶瓷涂層存在厚度不均、氣孔、鼓泡等質量缺陷，并且在外弧面曲率較大處彎頭壁厚最小，形成低洼區；原油所含的水極易產生CaCO3水垢，沉積在低洼區而引起垢下腐蝕。在彎頭內部原油介質中CO2、H2S、SRB以及Cl-的協同作用下，在流體沖擊壓力最大且涂層破損最嚴重的外弧面曲率最大處形成腐蝕穿孔。

(2)建議陶瓷涂層生產廠家優化工藝配方，提高陶瓷涂層材料的致密性，同時加強涂層質量檢驗；持續對除垢劑和除菌劑的效果進行評定，降低結垢和微生物腐蝕引起的管道失效的風險。