譚川江，蔣 宏，張 麗，史繼文

（塔里木油田公司，庫爾勒841000）

1 概況

某油田低壓集輸管線，于2011年1月投運，材質(zhì)為20號鋼，規(guī)格為φ219mm×6mm，輸送介質(zhì)為油氣水，設(shè)計壓力為2.5MPa，2012年8月該管線彎頭6點鐘方向發(fā)生穿孔泄漏，使用時間僅約為1.5a，鑒于該管線使用時間短、泄漏嚴重等情況，具有典型性，于是對該管段進行失效性分析，找到腐蝕穿孔的原因，并采取有效措施，防止類似穿孔事件的發(fā)生。

圖1 低壓集輸管線穿孔現(xiàn)場照片F(xiàn)ig.1 The perforated scene photos of low pressure gathering pipeline

2 失效分析

根據(jù)管道腐蝕情況及外觀形貌，切割樣品，分別從宏觀表面、管材化學(xué)成分、金相組織、XRD、微觀形貌及能譜等方面，對管件進行失效原因分析。

2.1 宏觀分析

清洗管件表面，外表面有黑色涂層包覆，有1處直徑為5mm孔，外壁其余部分未見明顯腐蝕。將管件沿縱向剖開，可以看到沿穿孔處縱向軸線連續(xù)分布有4個大小不一的條狀腐蝕坑，其中最大腐蝕坑長度為5cm，寬度為2.8cm，腐蝕坑中部發(fā)生穿孔，從腐蝕坑形貌判斷，穿孔為內(nèi)壁腐蝕引起，見圖2。

2.2 化學(xué)成分分析

從管件上取樣，按照GB／T 4336－2002標準，用ARL 4460直讀光譜儀對其進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。

通過比對各化學(xué)元素成分的含量，表明管件材料的化學(xué)成分符合GB／T 699－1999標準中對20號鋼的要求。

圖2 送檢樣品外觀（圓圈所指處為穿孔）Fig.2 The exterior of the failed pipe

2.3 金相分析

在管件腐蝕穿孔處和無明顯腐蝕處分別取樣，依據(jù) GB／T 13298－1991、GB／T 6394－2002和GB／T 10561－2005標準，對樣品的金相組織及非金屬夾雜物進行了分析，樣品金相組織見圖3。

分析結(jié)果表明，無明顯腐蝕部位樣品金相組織為鐵素體＋珠光體（F＋P），晶粒度等級8.0級，穿孔處及其附近部位樣品金相組織為球化了“珠光體＋鐵素體”（P球化＋F），晶粒度等級無法評定，樣品的非金屬夾雜物均為 A0.5，B0.5，D0.5。鑒于穿孔處附近樣品與基體存在不同金相組織，對該管件腐蝕坑（未穿孔）部位金相組織進行復(fù)檢，復(fù)檢結(jié)果為鐵素體＋珠光體（F＋P）。

2.4 微觀形貌及能譜分析

在穿孔處和未穿孔腐蝕坑處取樣，經(jīng)過清洗后，進行掃描電鏡及能譜分析。腐蝕坑內(nèi)附著疏松厚實的腐蝕產(chǎn)物，腐蝕坑微觀形貌見圖4。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果Tab.1 Results of chemical composition analysis %

圖3 各樣品金相組織Fig.3 Microstructure of each sample

能譜分析表明除去泥漿中硅、氧、鈣等元素外，腐蝕坑內(nèi)還含有硅和氯元素，其中腐蝕坑底部硫元素含量很高，說明腐蝕產(chǎn)物為硫化物，鋅元素主要為井留物，分析結(jié)果如圖6。

圖4 管件內(nèi)壁腐蝕坑微觀形貌圖Fig.4 The pit morphology on the inner wall of the pipe corrosion

2.5 XRD分析

在腐蝕坑處取樣進行XRD分析，分析結(jié)果證明腐蝕產(chǎn)物成分主要為FeS，腐蝕產(chǎn)物XRD分析結(jié)果見圖6（圖中SiO2為泥砂成分）。

2.6 室內(nèi)腐蝕試驗

依據(jù)JB／T 7901－1999標準模擬現(xiàn)場工況條件，進行金屬全浸腐蝕試驗，以測定材料在特定工況下的平均腐蝕速率，具體試驗條件見表3。

圖5 穿孔處及腐蝕坑處腐蝕產(chǎn)物能譜圖Fig．5 EDS of the corrosion products at the corrosion pits

圖6 腐蝕產(chǎn)物XRD分析結(jié)果Fig．6 XRD of corrosion products

試驗樣品共兩組，1組為從腐蝕坑附近截取的珠光體球化組織試樣，1組從無明顯腐蝕處截取的鐵素體＋珠光體組織試樣，試驗結(jié)果如下，正常組織樣品平均腐蝕速率為0．041mm／a，變形組織樣品平均腐蝕速率為0．037mm／a，兩種組織樣品的平均腐蝕速率無較大差別，按照NACE RP 0775標準對腐蝕程度的劃分判定，均屬于中度腐蝕［5］。

表3 模擬工況室內(nèi)試驗條件Tab．3 Test conditions

3 失效原因綜合分析

按照相關(guān)標準對管件進行了各項性能檢測，結(jié)果表明20號鋼低壓匯管材料的化學(xué)成分符合GB／T 699－1999標準中對20號鋼的要求，但穿孔處金相組織與基體金相組織有較大差異，穿孔處及其附近發(fā)生珠光體組織球化。

20號鋼在常溫下的一般組織為“鐵素體＋珠光體”，而珠光體球化是長期在高溫下使用或短時在超溫狀態(tài)運行下，20號鋼最常見的一種高溫損傷。通過查看現(xiàn)場，可能原因是管線焊接過程中局部高溫受熱，珠光體球化會導(dǎo)致材料的屈服點、抗拉強度、沖擊韌性、蠕變極限和持久極限下降，但從對兩種不同組織材料的浸泡腐蝕試驗來看，兩種組織樣品的平均腐蝕速率差別較小，珠光體球化與穿孔腐蝕不存在直接關(guān)系，并且該管件材料在模擬工況下的平均腐蝕速率為中度腐蝕，腐蝕速率較低。失效的低壓集輸管線局部產(chǎn)生珠光體球化的原因及其與穿孔腐蝕的關(guān)系還有待進一步研究。

能譜分析表明，腐蝕產(chǎn)物中含有硅和氯等元素，XRD分析證實腐蝕產(chǎn)物主要為FeS，據(jù)此可以判斷，管線內(nèi)輸送介質(zhì)中的H2S和氯離子對于腐蝕穿孔應(yīng)當(dāng)是起到了很重要的作用。

低壓集輸管線的主要輸送介質(zhì)來自兩口單井，井口溫度26～42℃，含水率高于67%，地層水Cl－含量高于100mg／L，pH 為5．84～6．35；天然氣中CO2含量為1．81%～2．49%，H2S含量為0～110mg／L，具有“高含水、高含Cl－、中含CO2、低含H2S”腐蝕特征，CO2或H2S氣體在濕氣或有水的環(huán)境中易發(fā)生化學(xué)腐蝕，輸送過程中存在段塞流和紊流等不穩(wěn)定的流動形態(tài)，段塞流在流動過程中會不斷產(chǎn)生渦流，這些渦流會按照動量平衡的原理對腐蝕產(chǎn)物膜造成沖擊破壞，流動過程中不僅會形成渦流對腐蝕產(chǎn)物膜造成損傷，而且液體段塞團會卷入氣體，形成大量氣泡，這些氣泡破裂可對局部區(qū)域產(chǎn)生巨大沖擊作用，從而造成腐蝕產(chǎn)物膜的破壞，加劇局部腐蝕。輸送介質(zhì)中Cl－促進點蝕的發(fā)生，Cl－容易在金屬表面吸附，且具有較小的半徑，可以穿透腐蝕產(chǎn)物膜，在點蝕核形成后不斷發(fā)展直至穿孔。

4 結(jié)論及建議

通過對管材化學(xué)成分、金相組織、XRD、微觀形貌及能譜等方面進行失效分析，表明腐蝕穿孔由管道內(nèi)壁底部局部腐蝕所導(dǎo)致，輸送介質(zhì)中高含水、高含Cl－，并且含有H2S、CO2等腐蝕介質(zhì)，是導(dǎo)致腐蝕穿孔的主要原因；加之輸送壓力低、流動的不穩(wěn)定性，管線底部積水，最終造成底部腐蝕及穿孔。通過此次失效性分析，對以后工作具有指導(dǎo)意義。設(shè)計過程中，應(yīng)選用合適的材質(zhì)，管線輸送含腐蝕介質(zhì)的油氣水時，應(yīng)做內(nèi)防護或加注緩釋劑，防止或減緩H2S、CO2和Cl－等腐蝕介質(zhì)的腐蝕；在管線焊接施工過程中，應(yīng)合理控制焊接溫度，并對焊接部位進行熱處理；在管線運行過程中，定期進行清管作業(yè)，減少管線底部積水。