王玉福, 王 紅, 馬祥禮, 馬文鑫, 申龍涉＊

(1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院,遼寧撫順113001; 2.遼河油田經(jīng)濟(jì)貿(mào)易置業(yè)總公司,遼寧盤錦124010)

集膚效應(yīng)電伴熱管線局部腐蝕研究

王玉福1, 王 紅2, 馬祥禮2, 馬文鑫1, 申龍涉1＊

(1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院,遼寧撫順113001; 2.遼河油田經(jīng)濟(jì)貿(mào)易置業(yè)總公司,遼寧盤錦124010)

超稠油輸送集膚效應(yīng)電伴熱是輸油管道加熱的主要設(shè)備,在超稠油輸送中發(fā)揮了極為重要的作用。一旦伴熱管和主管焊接部位發(fā)生局部腐蝕就會導(dǎo)致穿孔與破裂,將會直接影響超稠油輸送并帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失。遼河油田特石輸油管道發(fā)生此局部腐蝕現(xiàn)象,通過對腐蝕環(huán)境模擬進(jìn)行研究,得出結(jié)論是保溫層破裂,導(dǎo)致水分進(jìn)入,使得伴熱管與主管發(fā)生局部腐蝕。

集膚效應(yīng); 局部腐蝕; 穿孔; 保溫層

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,超稠油管道集膚效應(yīng)電伴熱技術(shù)的利用愈加廣泛,已經(jīng)日臻完善。但是有關(guān)主管道與集膚效應(yīng)電伴熱管的焊接處局部腐蝕的研究比較少[1-2]。

本文對超稠油管道集膚效應(yīng)電伴熱的觀察井進(jìn)行分析,模擬腐蝕環(huán)境,對腐蝕機(jī)理進(jìn)行分析與探討,結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算分析,得出局部腐蝕的原因,總結(jié)出防護(hù)局部腐蝕的措施[3]。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 腐蝕環(huán)境分析

超稠油集膚效應(yīng)電伴熱管道觀察井所處環(huán)境比較復(fù)雜,環(huán)境中影響腐蝕因素有:二氧化碳與氧氣含量、溫度、含水量、土壤p H值、硫化氫等。這些因素不是單一作用,而是相互作用。管道觀察井處于密封狀態(tài),但是由于管道溫度在80～120℃,封閉空間里的水分就會蒸發(fā),冷凝,這個(gè)過程不斷地持續(xù),導(dǎo)致內(nèi)部會積蓄一定水量。這樣一來就會給管道提供腐蝕條件。尤其是集膚效應(yīng)電伴熱管與主管道的焊接處最為明顯,無論是輸油管還是伴熱管防腐漆層均已遭到破壞,發(fā)生嚴(yán)重腐蝕,殘余的防腐層如圖1所示。

本研究中輸油管材質(zhì)為X52鋼,其外表面采用預(yù)制的黑色特加強(qiáng)級石油瀝青防腐漆;伴熱線為全氟FEP塑料30 mm2鍍鎳銅導(dǎo)線,伴熱管φ40 mm×4 mm,10號無縫鋼管,涂有可靠的防腐涂料。輸油管和伴熱管線采用等距對稱焊接相連,管線外采用聚氨脂保溫。

Fig.1 The photo of erosion resistant coating and insulating layer after corrosion圖1 腐蝕后殘余的防腐層與保溫層照片

1.2 腐蝕機(jī)理分析

由前面分析可知,集膚效應(yīng)管線發(fā)生局部腐蝕包括黃夾克破損后聚氨脂中阻燃劑水解產(chǎn)物引發(fā)的輸油管外表面腐蝕、銅和20號鋼間的電偶腐蝕及伴熱線放電引起的伴熱管腐蝕。

集膚效應(yīng)伴熱系統(tǒng)間斷應(yīng)用,當(dāng)黃夾克破損后,腐蝕介質(zhì)破壞了輸油管與伴熱管接線盒處的防腐涂層,造成銅導(dǎo)線與接線柱間銹蝕,接觸電阻增大,當(dāng)伴熱系統(tǒng)通電工作時(shí),在水膜環(huán)境中,銅導(dǎo)線將避開銹層對伴熱管高壓放電,造成伴熱管的加劇腐蝕。當(dāng)正向通電時(shí),伴熱管為陰極受到保護(hù),不發(fā)生腐蝕,當(dāng)反向通電時(shí),伴熱管為陽極,發(fā)生溶解,溶解速率與電流密度成正比。腐蝕越嚴(yán)重,銹層電阻越大,放電電壓越高,將嚴(yán)重加速伴熱管的腐蝕[4]。

Cu和20號鋼在相同土壤飽和溶液介質(zhì)中形成電偶腐蝕電池,發(fā)生嚴(yán)重電偶腐蝕,Cu的存在大大加速了20號鋼的腐蝕,此時(shí),被腐蝕介質(zhì)浸潤的20號鋼為陽極,Cu為陰極,兩個(gè)電極反應(yīng)分別為:陽極反應(yīng):陰極反應(yīng) :

總電極反應(yīng)[4-6]:

從而在20號鋼表面形成鐵銹等腐蝕產(chǎn)物。

1.3 實(shí)驗(yàn)室模擬環(huán)境

由于現(xiàn)場集膚效應(yīng)電伴熱管成120°角對稱焊接在主管道兩側(cè),根據(jù)現(xiàn)場伴熱管線的特點(diǎn),實(shí)驗(yàn)室建立了一套模擬裝置,采用有機(jī)玻璃做成20號鋼的支架,將20號鋼試片固定于支架內(nèi),并與水平方向平行或傾斜60°角,將電烙鐵固定于試片下方與試片相接觸,保證試片工作溫度。在試片上方固定一金屬探針(材質(zhì)為銅),針尖與試片間距為2 mm,金屬探針與試片分別連接試驗(yàn)工頻電壓變壓器(0～260 V)。將裝置懸置于密封廣口瓶內(nèi),廣口瓶內(nèi)是現(xiàn)場土壤用去離子水配制的飽和溶液,圖2所示為設(shè)備簡圖。

Fig.2 The diagram of equipment圖2 設(shè)備簡圖

1.4 實(shí)驗(yàn)方法

(1)對20號鋼試樣進(jìn)行打磨,測量長、寬、厚,計(jì)算試樣的表面積,然后用酒精擦拭試樣表面,吹干后,稱量各試樣質(zhì)量,記為腐蝕前質(zhì)量W0。試片如圖3所示。

Fig.3 The photo of 20#steel sheet圖3 20號鋼試片照片

每一組實(shí)驗(yàn)放置3片20號鋼試片,腐蝕時(shí)間為12 h,實(shí)驗(yàn)完畢后取出試片用吹風(fēng)機(jī)吹干,以防止二次腐蝕,標(biāo)號后放置真空袋內(nèi),集中放置干燥皿中,實(shí)驗(yàn)完畢后統(tǒng)一稱重。用失重法計(jì)算其平均腐蝕速率,計(jì)算公式為[7-9]:

式中:W0-腐蝕試驗(yàn)前試樣的原始重量,g;

W1-去除腐蝕產(chǎn)物后試樣的質(zhì)量,g;

S-試樣的暴露面積,m2;

T-試樣腐蝕的時(shí)間,h;

V--腐蝕速率,g/(m2·h);

V1-年腐蝕速率,mm/a;

ρ-20號鋼密度,7.80 g/cm3。

(2)為了保持現(xiàn)場伴熱管線所處的腐蝕環(huán)境,對現(xiàn)場取回的土壤進(jìn)行烘干,研磨并用篩子過篩,然后用去離子水配制飽和溶液放入廣口瓶內(nèi),并用恒溫水浴加熱至80℃,實(shí)驗(yàn)過程中保持溫度恒定。

(3)將20號鋼試樣按照設(shè)計(jì)圖進(jìn)行組裝,電烙鐵用調(diào)壓器改變溫度給試片加熱至70℃。把探針與試片的距離調(diào)制2 mm,探針與試片上分別引出兩條導(dǎo)線連接至工頻電壓變壓器(0～260 V)。每間隔一定的電壓做一組實(shí)驗(yàn),觀察和拍攝腐蝕后的試樣形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 試片腐蝕形貌

圖4為施加120,180,260 V的交流電壓時(shí),20號鋼試樣在現(xiàn)場土壤飽和溶液氣氛中的腐蝕形貌照片。

Fig.4 The before-after comparative photo of corroded圖4 腐蝕清洗前后對比照片

從圖4中可以看出以下特征:

(1)隨著交流電壓的逐漸增加,腐蝕程度逐漸增大,這主要表現(xiàn)為腐蝕面積隨電壓增加而增大,腐蝕深度也呈增加趨勢。

(2)當(dāng)試片呈傾斜狀態(tài)時(shí),腐蝕程度比垂直時(shí)有所減緩。

(3)對腐蝕產(chǎn)物形貌觀察發(fā)現(xiàn),結(jié)合現(xiàn)場產(chǎn)物的XRD分析結(jié)果,可以推斷出產(chǎn)物主要是Fe3O4。

2.2 數(shù)據(jù)分析

圖5為實(shí)驗(yàn)施加不同的交變電壓,試片在模擬裝置上腐蝕12 h后,放電電壓對年腐蝕速率的影響。由圖5可見,無論試樣與放電探針相對垂直或傾斜60°,隨著交變電壓的逐漸增大,腐蝕速率都呈上升趨勢,當(dāng)電壓較小時(shí)(120～150 V)年腐蝕速率增加較小,當(dāng)交變電壓較大時(shí),如大于180 V時(shí),年腐蝕速率明顯增大,當(dāng)電壓為260 V時(shí),年腐蝕速率為0.776 3 mm/a,是無放電時(shí)的8.39倍。因此當(dāng)防腐涂層破損后,隨著導(dǎo)線與接線柱間銹層電阻增大,放電電壓增大,將嚴(yán)重加速伴熱管的腐蝕。

Fig.5 The effect of discharge tension on corrosion rate圖5 放電電壓對腐蝕速率的影響

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié) 論

(1)隨著放電電壓增大,將嚴(yán)重加速伴熱管與主管道焊接點(diǎn)的局部腐蝕。

(2)試片傾斜與否對腐蝕速率影響不大。

(3)導(dǎo)致腐蝕加速的原因是保溫層材料選擇不當(dāng)或者是施工標(biāo)準(zhǔn)不夠嚴(yán)謹(jǐn)導(dǎo)致密封失效,導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)進(jìn)入,所以給腐蝕創(chuàng)造了加速的條件。

3.2 建 議

(1)控制伴熱管接線盒的密封質(zhì)量及接線端的絕緣密封,選擇合適的密封膠材料,使其長期工作在水、高溫、高壓等惡劣環(huán)境之中也不會被腐蝕。

(2)控制管道外壁防腐層預(yù)制質(zhì)量,要求施工單位應(yīng)嚴(yán)把質(zhì)量關(guān),嚴(yán)格按照防腐保溫層的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和操作程序進(jìn)行預(yù)制[2]。

(3)嚴(yán)格控制補(bǔ)口的施工質(zhì)量,管線的補(bǔ)口應(yīng)嚴(yán)格按照SY4058-93《埋地鋼質(zhì)管道外防腐層和保溫層現(xiàn)場補(bǔ)口、補(bǔ)傷及驗(yàn)收規(guī)范》的補(bǔ)口補(bǔ)傷的規(guī)定執(zhí)行。現(xiàn)場補(bǔ)口方法采用交聯(lián)聚乙烯熱收縮帶補(bǔ)口。

進(jìn)而令?G/?α=0可以得到Gmax,即:

臨界開裂角:

利用(5)式可以得到對應(yīng)的臨界載荷:

由于(J1)|sob→0的貢獻(xiàn),壓痕的開裂角產(chǎn)生傾斜。顯然該臨界開裂角為壓痕邊界開裂的下限,于是有:

4 結(jié)束語

當(dāng)矩形平端剛性壓頭作用在無摩擦彈性基體的表面時(shí),在壓痕邊界處的近表面會誘生奇異應(yīng)力場,該奇異應(yīng)力場的奇異性與裂紋尖端I-型應(yīng)力場的奇異性同價(jià),使平面壓痕的表面產(chǎn)生斷裂型開裂。本文利用能量釋放率原理,分析了壓痕邊界斷裂型開裂的極限開裂角、極限開裂載荷等相關(guān)問題。在工程實(shí)踐中,絕對理想光滑的工程結(jié)構(gòu)表面是非常有限的。本文的研究不僅具有理論意義,也有工程應(yīng)用價(jià)值。

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(Ed.:W YX,Z)

Local Corrosion of Skin Electric Co rrent Tracing Pipeline

WANG Yu-fu1,WANG Hong2,MA Xiang-li2,MA Wen-xin1,SHEN Long-she1＊
(1.College of Petroleum Eingeering,L iaoning Shihua University,Fushun L iaoning113001,P.R.China;2.L iaohe Oilfield Com pany of Econom ic & Trade & Property,Panjin L iaoning124010,P.R.China)

Skin Electric Corrent Tracing(SECT)was the main pipeline heating equipment and p lays a very important role in the process of super heavy oil transportaton.The perforation and rup ture which were caused by the localized corrosion of heating tracer and main pileline welded joints can directly influence the super heavy oil transportation.The phenomenon was occurred in Liaohe oil field Teshi pumping station.The results show that the insulation layer is broken,and the water get into it,thus the local corrosion is formed between the heating tracer and the main pipeline.

Skin electric corrent tracing;Local corrosion;Perforation;Insulating layer

TQ172

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2011.02.019

2011-01-05

王玉福(1983-),男,遼寧瓦房店市,在讀碩士。

＊通訊聯(lián)系人。

1006-396X(2011)02-0073-03

Received5January2011;revised11M arch2011;accepted13M arch2011

＊Corresponding author.Tel.:+86-13504236726;e-mail:longshe_shen@sina.com