南海某油田真空泵腐蝕失效原因分析

陳海兵 于海濤

（中海油能源發展裝備技術有限公司，天津 300459）

0 引言

南海油田某平臺所用真空泵2009年投入使用，2021年10月，發現真空泵出現故障，嚴重影響油田的正常生產，隨后維修人員對真空泵進行拆解，發現真空泵葉輪一端腐蝕嚴重，一端腐蝕不嚴重。腐蝕嚴重一端的葉輪根部和邊緣部位有明顯的局部腐蝕坑，腐蝕坑大小不一，分布密集，表面覆蓋紅棕色腐蝕產物。具體如圖1所示。

在油氣田生產運營過程中，發生真空泵葉輪失效，影響海上平臺正常生產的事件時有發生，葉輪腐蝕失效的原因眾多，深入研究葉輪失效原因，根據失效原因制定針對性措施，避免此類事件再次發生，總結此類腐蝕治理的經驗，為今后葉輪失效原因及預防措施提供參考依據[1]。

1 理化性能檢測

針對真空泵理化性能進行檢測，分析葉輪腐蝕失效原因，主要包括拉伸性能、化學成分分析、金相顯微分析、掃描電鏡及能譜分析、腐蝕產物XRD分析[2]。

1.1 拉伸性能分析

金屬材質的拉伸試驗是測定材料彈性、強度、延性、應變硬化和韌度等重要的力學性能指標，是材料的機械力學性能，對于銅合金材質，通過測定材料在軸向拉伸載荷下的變形程度，確定材料的彈性極限、拉伸率、彈性模量、比例極限、面積縮減量、拉伸強度、屈服點、屈服強度和其他拉伸性能指標[3]。

本次試驗，在葉輪根部取樣進行拉伸試驗，拉伸試樣的標距內直徑為Φ6.25mm、標距內長度為25±0.10mm，試驗溫度為室溫，葉輪拉伸試驗結果如表1所示。

表1 葉輪拉伸試驗結果

一般來說，材料在拉伸過程中，會經歷四個階段，分別是彈性階段、屈服階段、強化階段和頸縮階段，由上表的葉輪拉伸試驗結果表明，葉輪的拉伸性能滿足ASTM B148-97（2009）標準的要求，可以排除材料本身的機械性能缺陷造成的腐蝕失效。

1.2 化學成分分析

采用一定的化學分析手段，鑒定金屬材質由哪些元素組成，并測定各組分間量的關系，稱為化學成分分析。為進一步明確葉輪的化學組成，在葉片的中部和邊緣處切取化學成分分析樣品，并進行分析，葉片化學成分分析結果如表2所示。

表2 葉片化學成分分析（WT%）

由表2葉片化學成分分析結果可知，葉片中部和邊緣化學成分含量接近，均符合ASTM B148-97（2009）標準要求，可以排除材料成分均質性不足的影響。

1.3 金相顯微組織

金相顯微分析在材料研究領域占有十分重要的地位，是研究材料內部組織的重要手段之一，運用金相顯微鏡，將分析樣品放大幾十到上千倍來研究材料組織。此次，從葉輪切取金相樣品，將試樣研磨拋光，觀察其金相顯微組織，葉輪的金相組織如圖2所示。

圖2 葉輪金相組織

由圖2葉輪金相組織分析結果可知，金相顯微組織包括α相和樹突狀的KⅠ和板層狀或球形的KⅢ，晶粒度為5.5，夾雜物為A：0.5細系，D：1.0細系。

1.4 掃描電鏡及能譜

掃描電鏡是不同于金相顯微的另一種微觀觀察手段，其原理是利用很窄的高能電子束來掃描樣品，通過光束與物質間的相互作用，來激發各種物理信息，對這些信息收集、放大，再成像以達到對物質微觀形貌表征的目的。

圖3為葉輪局部腐蝕掃描電鏡（SEM）和能譜分析（EDS）的位置，由圖可見，葉輪表面有明顯的局部腐蝕坑，腐蝕坑最大直徑為5.7mm，表面生成的產物較少，表3為能譜分析結果。

表3 葉輪表面腐蝕產物分析結果

圖3 葉輪局部腐蝕SEM形貌及EDS分析位置

由表3分析可知，腐蝕產物中除基體中所含元素Al、Cu、Ni和Fe之外，還含有O、Mg、S、Ca、Cl等元素，這些元素主要來源于海水，腐蝕坑底的C、O、Fe和S含量明顯高于葉輪表面的含量。

為進一步研究腐蝕發生位置與金屬元素間的關系，針對葉輪腐蝕部位上取樣進行Cu和Fe元素掃描，掃描結果如圖4所示。

由圖4分析可知，Fe元素在灰色區域含量高，Cu元素在白色區域含量高，Fe為負電性金屬，Cu為正電性金屬，在具有腐蝕性的介質中，富含Fe元素的部位優先發生腐蝕。

圖4 葉輪腐蝕部位掃描照片

2 模擬試驗

2.1 高溫高壓模擬實驗

從葉輪上切取36×11mm圓弧片進行模擬真空泵實際工作環境試驗，測試葉輪的平均腐蝕速率及局部腐蝕速率，試驗結果如表4所示。

表4

2.2 氣蝕模擬實驗

從葉輪上切取φ20mm的圓片，依據GB6383-2009-T《振動空蝕試驗方法》標準進行空蝕試驗。試驗儀器采用廣州市新棟力超聲電子設備有限公司生產的NP-N系列超聲波直插式處理儀。空蝕試驗在超聲波伸縮振動空蝕試驗機上進行，超聲波發生器輸出功率1kW；工作頻率20kHz；振幅25um。為模擬真空泵的工作環境，試驗介質采用3.5%NaCl溶液，溫度保持在（25℃±1℃），空蝕時間40h。試驗裝置如圖5所示。

圖5 超聲波伸縮振動空蝕試驗機

氣蝕模擬試驗后，觀察模擬試驗的腐蝕形貌和現場的腐蝕形貌相似，表面均出現氣蝕的形貌特征，麻點腐蝕坑，如圖6所示。

圖6 氣蝕模擬試驗的腐蝕形貌對比

3 結語

（1）葉輪發生腐蝕的原因為氣蝕和腐蝕交互作用的結果，但氣蝕為主要原因；

（2）建議合理選擇真空泵制造材料，采用能夠提高真空泵抗腐蝕性能、抗氣蝕性能的方法和技術進行材料處理，如采用滲碳技術和熱強化處理 技術；

（3）加強管控真空泵運行參數，合理調整真空泵參數，使其盡可能符合離心泵的設計要求。