某油田采油樹出口管段腐蝕問題分析

李志奇

（中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459）

0 引言

采油樹是一種油田井口裝置，主要用于開采石油，它連接井下各層套管和工藝管，穩定良好的運行保障了油田的穩定生產。隨著油田運行時間的延長，采油樹作為油田采油環節到輸送處理環節承上啟下的重要組件卻腐蝕事件頻發。主要包含大氣環境下的氧腐蝕，高壓高流速引起的沖蝕，酸性介質造成的硫化氫、二氧化碳腐蝕等。本文對某油田采油樹出口管段的腐蝕失效開展了原因分析。

1 腐蝕分析

1.1 現場調研

本次腐蝕失效管件為某油田C7井的油嘴出口彎頭，該井為電潛泵井，介質形態為油氣水混合，該井日產液量598.7方。呲漏位置位于C7井采油樹油嘴下游第一道法蘭環焊縫處，如圖1所示。

1.2 基礎分析

1.2.1 基礎資料收集

失效位置位于C7井油嘴下游第一道法蘭環焊縫處，漏點位置如圖2所示。管線內介質為油、氣、水混合物，操作壓力約為2.3MPa，操作溫度約為45℃。該管線于2009年投入使用，截止至失效日已服役近11年。

1.2.2 宏觀形貌分析

失效管件位于井口處，由兩個彎頭一個三通以及一段直管焊接而成，用線切割將失效管件剖開，失效管件內壁宏觀形貌如圖3所示，整個管件共有5道焊縫，其中位于主管上的焊縫腐蝕嚴重，焊縫金屬損失較多，在焊道內有肉眼可見的小圓球。位于三通支管上的焊縫未發生腐蝕，對各焊縫進行編號，按照流體方向依次編為WS1、WS2、WS3、WS4，支管焊縫為WS5。三通整個內壁呈嚴重的蜂窩狀腐蝕形貌，但是支管處沒有蜂窩狀形貌，三通編號為T1。彎頭和直管內壁無明顯腐蝕。

1.2.3 尺寸測量分析

采用壁厚千分尺對失效彎頭橫截面處進行壁厚測量，從檢測結果可以看出檢測點3壁厚最小，測量結果為11.960mm，兩側壁厚逐漸增大，其中檢測點1處壁厚測量結果為16.621mm。

表1 壁厚測量結果

1.3 試驗方案

試驗方案如表2所示。

表2 試驗方案

1.4 化學成分分析

采用SPECTRO LABLAVM11直讀光譜儀開展失效管件的成分分析，檢測結果如表3所示，檢測結果表明，三通、彎頭、直管段材質相近，基本符合20#鋼化學成分要求。5條焊縫材質相近，但是化學成分與基體差異較大，焊縫中C元素含量低，Mn元素含量高。

表3 化學成分分析結果

1.5 金相分析

依據GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗方法》，對失效管件開展金相組織分析，侵蝕液為4%硝酸酒精。從金相組織分析結果來看，三通、彎頭、直管金相組織為鐵素體+珠光體，1#焊縫和5#焊縫熱影響區出現了魏氏組織，韌性較差。

金相分析結果如表4所示。

表4 金相分析結果

1.6 SEM+EDS分析

在1#焊縫處取樣（WS1），采用OXRORD EVO-18多功能掃描電鏡對1#焊縫進行微觀形貌分析。在觀察之前未對試樣表面進行清洗，1#焊縫腐蝕坑處形貌如圖6為600倍形貌。微觀形貌可以看出，腐蝕坑表面附著一些顆粒物，顆粒物形狀不規則，呈亮白色；腐蝕坑表面呈冠狀形貌，冠狀球體與基體相連，特別規整。

對腐蝕坑表面進行EDS分析，檢測結果如表5所示，其中點8為腐蝕坑表面物，點9和點10為腐蝕坑表面亮白色不規則顆粒物，點11為腐蝕坑表面。檢測結果表明，表面顆粒物成分相近，其中鐵元素含量在34%～42%之間，雜質元素較多，可能為焊縫內的夾雜物或者流體沖刷攜帶的顆粒物。點11處鐵元素含量為70.62%，氧元素含量為8.07%，主要元素組成為C、O、Fe、Si、Mn、Mo，是基體的主要組成元素，但其中C、O含量較高，因此，腐蝕坑表面含有少量的氧化產物。

表5 1#焊縫腐蝕坑表面EDS檢測分析結果

圖7為2#焊縫附近母材的100倍形貌，從圖中可以看出，基體表面覆蓋一層致密的物質，基體中還嵌入了一些顆粒物。從結構上可以看出，顆粒物為夾雜物的可能性較大。對母材表面、內部顆粒物進行EDS分析，分析結果如表6所示，分析結果表明，母材表面致密覆蓋層中鐵元素含量較低，含有一定的氧元素和鈣元素，可能是腐蝕產物和垢樣混合物形成的覆蓋層；顆粒物中鐵元素含量較低，含有一定的硅、鈣元素，從顆粒物的元素組成及微觀結構判斷，顆粒物是嵌在基體中的雜質。

表6 1-2表面顆粒物EDS檢測分析結果

圖8為2#焊縫焊道內低倍形貌，可以看出被腐蝕發焊縫表面是蜂窩狀，在表面覆蓋了一層腐蝕產物。圖9是2#焊縫焊道內另一處低倍形貌，從圖中可以看見焊縫表面有鼓包形貌，還有鼓包破裂后留下的凹坑形貌。從圖9（b）可以明顯看出，在焊縫表面附著的圓球是空心的。這與宏觀上焊縫內可見的小圓球應是同一物質，只是尚未脫落而已。位焊縫表面小圓球掃描電鏡下的形貌，邊上是破裂后的小圓球，小圓球是空心的，很容易碎。對小圓球的外表面和內表面進行EDS分析，分析結果如表7和表8所示，從分析結果可以得出，小圓球外表面元素組成與基體相近，鐵元素含量較高，小圓球內表面鐵元素含量較外表面明顯偏低，其中Mn元素的含量偏高，從焊接方面及圓球的結構和元素組成判斷，圓球是焊接過程中形成的焊渣。

表7 球形顆粒物表面EDS檢測分析結果

表8 球形顆粒物內部EDS檢測分析結果

采用對4#焊縫進行清洗，清洗液為加入了白貓洗衣液的溶液，溫度60℃。清洗后在掃描電鏡下進行觀察分析，4#焊縫是連接直管與三通的，三通表面為蜂窩狀形貌，三通表面蜂窩深度大，往4#焊縫方面深度逐漸較小。對4#焊縫附近的蜂窩進行放大觀察，600倍形貌如圖10所示，表面有蝕孔和坑，1000倍形貌如圖11所示，微觀形貌也是蜂窩狀，基體內有多處孔洞。

2 結論及建議

2.1 原因分析

2.1.1 焊縫失效原因分析

化學成分檢測結果表明，失效管件中的彎頭、三通、直管化學成分相近，根據平臺材質選型習慣以及各元素組成及含量對比，彎頭、三通、直管的材質為20#鋼。失效管件中共有5道焊縫，焊縫材質相近，5道焊縫選用的焊條為同一焊條。但是焊縫的化學成分和母材的化學成分差異較大，焊縫中碳含量較低，Mn含量較高，Mn元素可提高焊縫的韌性。根據低碳鋼焊條選用原則，20號鋼焊接一般選用J422、J426、J427，對比焊條的化學成分，尤其是Mn元素的含量，推測焊接選用的焊條為J426或者J427，J426和J427焊條中Mn含量較高，含量要求≥1.25%。在焊條選用方面采用的是等強原則。由于沒有收集到施工過程中的焊接工藝信息，此部分信息為根據化學成分結果及焊接原則分析的結果。

金相檢測結果表明母材組織（彎頭、三通、直管）為鐵素體+珠光體，從金相組織來看，彎頭、三通、直管未做過熱處理。從焊縫組織分析結果來看，1#焊縫和5#焊縫熱影響區組織為魏氏組織，性能較差。

1#～4#焊縫發生了腐蝕，而5#焊縫未發生腐蝕，與其接觸介質有關，因為主管線內的介質是油和水，三通支管內的介質時天然氣。1#～4#焊縫在接觸油水時，焊縫發生了優先腐蝕。焊縫、金屬母材以及焊接過程中產生的熱影響區由于熔化過程，導致了焊縫切面上金屬成分與顯微結構的差別，造成熱影響區、母材、焊縫電位的不同，產生了惰性最小元素優先溶解作用；其次，在焊條選用方面，焊條成分與母材成分差異巨大，也是形成焊縫及其熱影響區優先腐蝕的原因。在焊縫表面發現了圓形的焊渣，對焊縫質量造成了影響，這也是造成焊縫處及其附件優先腐蝕的原因。以上三種因素，造成了焊縫及熱影響區與母材電化學電位的差異，造成了焊縫處的優先腐蝕。

2.1.2 三通失效原因分析

失效管件內的介質是油氣水，氣是從三通支管處匯入的，在三通處形成了氣泡，是三通發生了空泡腐蝕，且空泡腐蝕的界線相當清晰，從支管入口處開始，三通兩側焊縫處截止?？张莞g的表現形貌類似于點蝕，但蝕坑的分布比點蝕坑密集得多，且表面往往變得十分粗糙，呈蜂窩狀或海綿狀。空泡腐蝕的宏觀特征可歸納為五點，即外形輪廓似馬蹄或動物頭骨，腐蝕坑內部形如盆地，穿孔在盆地底部且孔很小，斜面上布滿擠出棱，腐蝕坑表面無明顯腐蝕覆蓋物。從宏觀形貌上，三通內表面的形貌與空泡腐蝕特征完全吻合。

2.2 結論

（1）經材質鑒定，彎頭、三通、直管材質相同，可能為20號鋼；

（2）焊縫滲漏處失效原因是由于在焊縫處發生了優先腐蝕；

（3）現場施工中采用的焊接原則是等強匹配原則，所選用的焊條成分與母材成分差異較大；其次在焊縫表面發現了圓球狀的焊渣，是造成焊縫優先腐蝕的原因；

（4）三通失效原因是發生了空泡腐蝕。

2.3 建議

（1）焊接施工過程中焊條的選用要考慮等條件原則；其次要嚴格把控焊接質量，焊接前要有焊接工藝評定報告；

（2）空泡腐蝕要引起高度重視?？梢酝ㄟ^改進結構設計，盡量避免管道內徑的突然變化來解決，或者對管道表面做涂層處理，如涂覆碳化鎢或陶瓷等。