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(中國石油塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000)

·失效分析與預(yù)防·

西部某油田用不銹鋼管束失效原因分析

孟波,常澤亮,李先明,毛學(xué)強(qiáng),燕自峰

(中國石油塔里木油田公司 新疆 庫爾勒 841000)

為探明西部某油田冷卻器用316L不銹鋼管束腐蝕穿孔原因，采用一系列理化性能試驗分析及高溫高壓腐蝕模擬試驗，并結(jié)合現(xiàn)場實際工況，進(jìn)行綜合研究分析。研究表明：該油田管束輸送原料氣中高含腐蝕性介質(zhì)，同時原料氣對管束內(nèi)壁沖刷嚴(yán)重。在腐蝕性介質(zhì)與流體高速沖刷作用下，導(dǎo)致不銹鋼鈍化膜遭到破壞形成點蝕。多處點腐蝕擴(kuò)展的結(jié)果形成了樣品的局部腐蝕形貌并穿孔失效。

316L；腐蝕性介質(zhì)；點蝕；失效

0 引 言

西部某油田高含CO2、Cl-和H2S等腐蝕性介質(zhì)，油田工況條件復(fù)雜，環(huán)境苛刻，該油田設(shè)備裝置防腐主要以碳鋼+內(nèi)涂層或不銹鋼鎳基合金兩種方式進(jìn)行。西部某油田用冷卻器管束為316L奧氏體不銹鋼，而奧氏體不銹鋼堅韌、可延展，易加工焊接，應(yīng)用廣泛。可用于制造管材(壓力管道)、熱交換器的殼管、平板等。然而，在含有氯離子的介質(zhì)中易于發(fā)生局部腐蝕或點蝕，可導(dǎo)致腐蝕坑或穿孔，在應(yīng)力作用下也可發(fā)生斷裂[1]。奧氏體不銹鋼之所以耐腐蝕，是因為在母材表面能形成一層超薄的、粘性好的、半透明的氧化鉻薄膜，這層保護(hù)膜成為鋼和環(huán)境間的壁壘，能有效地鈍化處于腐蝕介質(zhì)中的金屬表面。當(dāng)環(huán)境有助于保持鈍化時，奧氏體不銹鋼的腐蝕速率極低，如果保護(hù)膜被破壞，奧氏體不銹鋼也將受到腐蝕[2-4]。

本文就西部某油田冷卻器管束腐蝕穿孔原因進(jìn)行分析探討，對失效管樣進(jìn)行了相應(yīng)的理化性能檢測和分析，并結(jié)合現(xiàn)場工況條件、該管束的制造和服役情況以失效原因進(jìn)行了綜合分析，并提出相關(guān)建議。

1 工況調(diào)研

中壓氣冷卻器2013年6月投運，其運行壓力為3.5 MPa，工作溫度32～55℃，容積1.3 m3。管束直徑為25.4 mm，其壁厚為2 mm，材質(zhì)為S31603不銹鋼。其內(nèi)介質(zhì)包括氣相和液相，現(xiàn)場提供的原料氣組成成分見表1。氣相為濕天然氣，還含有一定量的CO2、 H2S和O2，液相為含油污水。

表1 氣相組分組成 mol%

2 試驗分析

2.1 宏觀形貌分析

進(jìn)行分析的管束樣品分為6段，按順序編號標(biāo)記如圖1所示。其中1#～4#管束有不同程度的腐蝕，現(xiàn)場已將其剖開，1#、2#管段腐蝕程度較輕微，肉眼可見內(nèi)壁具有細(xì)條狀溝槽及劃痕存在，3#、4#管段內(nèi)壁可見腐蝕產(chǎn)物，4#管段內(nèi)壁分布有較為密集的腐蝕坑。5#、6#管樣基本未發(fā)生腐蝕，內(nèi)表面還存在金屬光澤，將其作為對比分析。

圖1 管束宏觀形貌

2.2 化學(xué)成分分析

為確定是否為管束材料的化學(xué)成分異常導(dǎo)致腐蝕泄漏，我們依據(jù)ASTM A751標(biāo)準(zhǔn)，采用ARL 4460直讀光譜儀分別對三組樣品進(jìn)行了化學(xué)成分分析。三組樣品分別從1#(腐蝕輕微)樣品、4#(腐蝕嚴(yán)重)樣品和6#(未腐蝕)樣品上進(jìn)行取樣，檢測結(jié)果見表2。由檢測結(jié)果可知，該冷卻器管束材料的化學(xué)成分與標(biāo)準(zhǔn)要求存在一定的偏差，其中Mo和Ni元素含量略低于GB/T 20878-2007標(biāo)準(zhǔn)對S31603不銹鋼材質(zhì)下限要求[5]。

表2 化學(xué)成分結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2.3 力學(xué)性能分析

依據(jù)ASTM A370-16標(biāo)準(zhǔn)，利用UTM5305型拉伸試驗機(jī)對5#、6#管樣進(jìn)行整管拉伸試驗，試驗結(jié)果見表3，試樣斷后伸長率不均衡，試驗結(jié)果僅供參考。

表3 拉伸試驗結(jié)果

2.4 金相分析

采用線切割方法在1#管樣(輕微腐蝕)上取橫向試樣，4#管樣(嚴(yán)重腐蝕)上取橫向試樣，6#管樣(未腐蝕)上取橫向試樣。依據(jù)GB/T 13298-1991、GB/T 10561-2005、GB/T 4340.1-2009標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)用MeF3A金相顯微鏡，進(jìn)行晶粒度、非金屬夾雜物分析，分析及檢測結(jié)果見表4，顯微組織、非金屬夾雜物形貌及裂紋組織如圖2所示。由圖表可知，不同橫向管樣晶粒度分別為9.0級、6.5級、7.0級，同時橫向試樣的金屬組織(僅作為參考)也有明顯差異，說明不同管樣的金屬組織存在較大差別。

表4 管束金相檢測結(jié)果

注：縱向試樣晶粒度檢測結(jié)果僅供參考

圖2 管束金相組織

2.5 微觀分析

從該2#、4#管段上分別取試樣，經(jīng)醋酸纖維紙+丙酮試劑清洗后，采用TESCAN VEGA3 XMU掃描電子顯微鏡及其附帶的能譜分析儀分別進(jìn)行微觀形貌觀察和能譜分析。2#管段試樣低倍形貌如圖3所示，管樣內(nèi)壁兩側(cè)可見腐蝕產(chǎn)物附著，腐蝕程度較輕微。4#管段試樣低倍形貌如圖4所示，管樣內(nèi)壁兩側(cè)可見大量腐蝕產(chǎn)物，內(nèi)壁中間部分存在一定量的腐蝕坑。

圖3 2#管樣低倍形貌

圖4 4#管樣低倍形貌

圖5為2#管樣內(nèi)壁能譜分析結(jié)果，其主要元素為Fe、Cr、Ni不銹鋼基體元素，還含有一定量的C、O、S元素，結(jié)合樣品的服役環(huán)境，由這些元素推斷，該管束可能發(fā)生由CO2、O2和H2S引起的點蝕或局部腐蝕。圖6為4#管樣能譜分析結(jié)果，其主要元素為Fe、Cr、Ni不銹鋼基體元素，還含有一定量的C、O、S元素，表明該管束也可能同樣發(fā)生了由CO2、O2和H2S引起的點蝕或局部腐蝕。

元素質(zhì)量/%原子/%CK25.1449.97OK14.1521.12SiK0.290.25SK9.817.30CrK10.184.68FeK14.025.99NiK25.4210.34CuK0.980.37Totals100.00

(c)EDS元素分析結(jié)果;

圖5 2#管樣能譜分析結(jié)果

元素質(zhì)量%原子%CK17.4940.53OK11.2719.61SiK0.150.15SK11.8710.30CrK12.946.92FeK23.0411.48NiK23.2311.01Totals100.00

(c)EDS元素分析結(jié)果

圖6 4#管樣能譜分析結(jié)果

2.6 模擬腐蝕試驗

在高壓釜內(nèi)進(jìn)行一組腐蝕試驗，確定該管束材料在模擬工況下的腐蝕速率，其試驗條件見表5。CO2及H2S分壓由表2中CO2和H2S濃度計算得出，由于現(xiàn)場無法在管束內(nèi)取水樣，模擬溶液離子成分參考開采油田的地層水濃度，其離子組成見表6。利用去離子水、分析純級別化學(xué)試劑(NaHCO3、Na2SO4、NaCl、CaCl2、KCl、MgCl2)配制。利用稀鹽酸或氫氧化鈉水溶液調(diào)節(jié)pH值。

表5 模擬試驗條件

表6 模擬水溶液離子組成 mg·L-1

由于管束壁厚僅為2 mm，以50×10×2 mm規(guī)格進(jìn)行腐蝕掛片取樣，試片逐級打磨后，利用丙酮溶液及無水乙醇先后超聲5 min，吹干，用濾紙包好，貯于干燥容器中。放置1 h后再測量尺寸和稱重(精確至0.1 mg)。

試驗結(jié)束后，取出試樣，先用水沖洗，再用化學(xué)法清除表面腐蝕產(chǎn)物，之后依次用飽和氫氧化鈉水溶液、去離子水、丙酮和無水乙醇超聲清洗，吹干后稱重。通過計算可知試樣的腐蝕速率，其平均腐蝕速率為0.001 3 mm/a，見表7。試樣去膜前宏觀形貌如圖7所示，去膜后宏觀形貌如圖8所示。對試樣腐蝕形貌觀察可知，試樣腐蝕類型主要表現(xiàn)為均勻腐蝕。

表7 模擬試樣腐蝕情況

圖7 試樣去膜前形貌

圖8 試樣去膜后形貌

3 失效原因分析

失效樣品材料的化學(xué)成分、力學(xué)性能等基本理化性能基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求，但部分指標(biāo)處于標(biāo)準(zhǔn)下限并有所超標(biāo)，力學(xué)性能也有所退化。發(fā)生腐蝕的部位其材料顯微組織晶粒較未腐蝕部位粗大。

材料在幾年的服役周期內(nèi)，由于腐蝕環(huán)境的作用，發(fā)生了腐蝕。其腐蝕特征主要為嚴(yán)重的局部腐蝕，其原因應(yīng)為不銹鋼材料在含水、氯離子以及二氧化碳、硫化氫和氧等腐蝕介質(zhì)中發(fā)生了點腐蝕。多處點腐蝕擴(kuò)展的結(jié)果形成了樣品的局部腐蝕形貌并穿孔。

不銹鋼點腐蝕的特點、機(jī)理及規(guī)律，產(chǎn)生、發(fā)展的歷程中最主要特點是：不銹鋼在含氯離子的腐蝕環(huán)境中易因鈍化膜破裂發(fā)生點蝕。點蝕的特征是：點蝕的形成具有幾個階段，包括孕育形核、發(fā)生及加速發(fā)展的過程。其中孕育期可能很短時間、也可能很長，一旦形核，腐蝕加速發(fā)展。分析現(xiàn)場管段有的還具有金屬光澤、有的部位腐蝕嚴(yán)重，就是因為孕育期的原因，發(fā)生腐蝕的部位應(yīng)當(dāng)是由于材料、或者服役參數(shù)(比如材料的顯微組織(發(fā)生腐蝕部位晶粒粗大)、溫度、壓力或流速、腐蝕介質(zhì)等)較為惡劣而先形成了點蝕核而后加速腐蝕，隨著時間的延長，其它部位也一定會發(fā)生類似的腐蝕。室內(nèi)模擬的結(jié)果也說明，材料的均勻腐蝕輕微，腐蝕后仍具有金屬光澤，但仔細(xì)觀察表面局部地方已開始出現(xiàn)細(xì)小的點坑，如果實驗時間足夠長(可能需要數(shù)月甚至數(shù)年，現(xiàn)場發(fā)生第一次穿孔應(yīng)在設(shè)備服役幾年后?？梢酝茢帱c蝕發(fā)生的時間并不長，一旦發(fā)生，加速發(fā)展，很快穿孔)這些點坑就是后續(xù)點蝕發(fā)生的形核部位。

綜上所述，嚴(yán)格控制材料的制造質(zhì)量，包括化學(xué)成分、顯微組織以及材料的表面質(zhì)量；或更換在此類環(huán)境中更加耐點腐蝕的材料。

4 結(jié)論及建議

1)該中壓氣冷卻器管束化學(xué)成分不符合GB/T 20878-2007標(biāo)準(zhǔn)對316L不銹鋼材質(zhì)要求；力學(xué)性能不符合GB/T 228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)對316L不銹鋼材質(zhì)要求。

2)該中壓氣冷卻器管束中流體流速較快，對管壁造成沖刷，在含腐蝕介質(zhì)條件下，最終導(dǎo)致穿孔失效。

3)建議加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量控制并對原有材質(zhì)進(jìn)行升級。

[1] 崔志峰，韓一純，莊力健,等.在Cl-環(huán)境下金屬腐蝕行為和機(jī)理[J].石油化工腐蝕與防護(hù)，2011，28(4):1-5.

[2] 錢世鋼，尤 剛.奧氏體不銹鋼(1Cr18Ni9Ti)管材在含有氯離子介質(zhì)中腐蝕的原因分析[J].貴州化工，2012，37(1):25-29.

[3] 王曉梅，劉芳榮，張 堯,等.納米/超細(xì)晶奧氏體不銹鋼腐蝕機(jī)理研究進(jìn)展[J].腐蝕與防護(hù)，2014，35(11):1069-1073.

[4] 艾志斌，陳學(xué)東，楊鐵成,等.復(fù)雜介質(zhì)環(huán)境下承壓設(shè)備主導(dǎo)損傷機(jī)制的判定與失效可能性分析[J].壓力容器，2010，27(6):52-58.

[5] 冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究所.不銹鋼和耐熱鋼牌號及化學(xué)成分：GB/T 20287-2007[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2007.

FailureAnalysisforStainlessSteelTubeinWestOilField

MENGBo，CHANGZeliang，LIXianming，MAOXueqiang，YANZifeng

(PetroChinaTarimOilFieldCompany,Korla,Xinjiang841000,China)

The failure analysis of the 316L stainless steel tube used in one western oil field was done through series physical and chemical properties tests and simulation tests under high temperature and high pressure. Combined with the actual field working condition, the comprehensive analysis and research were done. The results showed that the stainless tube was contained with highly corrosive feed gas also with serious inside wall erosion corrosion by the feed gas. With the strong corrosion function and serious inside wall erosion corrosion, the passsive film of the stainless steel tube was broken, and the corrosion pit was formed. The corrosion pits growth resulted in the stainless steel tube local corrosion and perforation failure.

316L; corrosive medium; pitting; failure

孟 波，男，1968年生，高級工程師，1990年畢業(yè)于大慶石油學(xué)院石油地質(zhì)勘查專業(yè)，現(xiàn)從事油田地面工藝及防腐管理工作。E-mail:1922168138@qq.com

TE988

A

2096-0077(2017)06-0063-05

10.19459/j.cnki.61-1500/te.2017.06.016

2017-04-20

韓德林)