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        氣浮選管線彎頭腐蝕穿孔失效分析

        2019-11-25 07:40:50秦俊嶺高大義趙起鋒朱玉長(zhǎng)狄志剛廖伍彬
        全面腐蝕控制 2019年10期
        關(guān)鍵詞:外壁空泡內(nèi)壁

        秦俊嶺 高大義 趙起鋒 徐 慧 朱玉長(zhǎng) 靳 健 狄志剛 廖伍彬

        (1. 中海油常州涂料化工研究院有限公司,江蘇 常州 213016;2.中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所,江蘇 蘇州 215123)

        0 背景介紹

        海洋油田的生產(chǎn)設(shè)施受海洋環(huán)境和復(fù)雜的工況條件影響,外腐蝕和內(nèi)腐蝕都面臨嚴(yán)峻考驗(yàn)。如果管線或罐體腐蝕穿孔泄漏,將會(huì)帶來嚴(yán)重和惡劣的環(huán)境生態(tài)破壞[1,2]。因此,海洋油田對(duì)生產(chǎn)設(shè)施的腐蝕控制非常嚴(yán)格,對(duì)腐蝕失效問題也非常重視。

        本案例是南海某油輪氣浮選管線彎頭腐蝕穿孔的失效分析。穿孔樣品如圖1所示的一段6寸氣浮選管線彎頭,位于外排水緩沖罐內(nèi)部。

        圖1 6寸氣浮選管線

        該外排水緩沖罐內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中也說明了彎頭外側(cè)和彎頭內(nèi)側(cè)的位置。

        圖2 6寸氣浮選管線結(jié)構(gòu)示意圖

        6寸氣浮管線中的流體是微氣泡發(fā)生器產(chǎn)生的溶氣水,其流向是從罐子底部進(jìn)入,穿過第一級(jí)堰板進(jìn)入微氣泡懸浮室。溶氣水是由生產(chǎn)水和氮?dú)饣旌蠘?gòu)成,生產(chǎn)水與氮?dú)獾谋戎荡蠹s是10:1。氣浮管線外部是處理后的外排生產(chǎn)水。水溫55℃左右。

        圖3是生產(chǎn)水的水質(zhì)分析報(bào)告,水質(zhì)基本中性,水中的主要腐蝕性物質(zhì)是Cl-、SO42-、HCO3-等鹽類。

        圖3 水質(zhì)分析報(bào)告

        該氣浮管線大約使用8個(gè)月左右穿孔,歷次穿孔位置一致,均在彎頭外側(cè)位置。

        1 腐蝕因素分析

        通過腐蝕背景信息的調(diào)查分析,可以發(fā)現(xiàn)幾類顯而易見的腐蝕因素:

        (1)Cl-離子腐蝕:含量在20000mg/L左右;

        (2)HCO3-離子腐蝕:含量中等,400mg/L左右;

        (3)氣泡水中O2的腐蝕:氣泡水中所充氮?dú)鉃榉歉呒兊形⒘康难鯕猓?/p>

        (4)氣泡水沖刷腐蝕:氣泡水對(duì)彎頭處的沖刷;

        (5)水中H2S的腐蝕:從腐蝕產(chǎn)物有一點(diǎn)臭雞蛋氣味推測(cè)水中應(yīng)溶解有H2S,但根據(jù)水的類型,H2S含量應(yīng)不高[3];

        確定了基本的腐蝕因素之后,擬從腐蝕形貌觀察、基材成分分析、腐蝕產(chǎn)物成分分析、金相分析等角度,探究氣浮管線彎頭產(chǎn)生腐蝕穿孔的成因。

        2 腐蝕形貌觀察

        圖4是樣品到達(dá)實(shí)驗(yàn)室時(shí)的照片。圖4也說明了彎頭外壁和彎頭內(nèi)壁的位置。

        圖4 氣浮選管線彎頭外側(cè)外壁和內(nèi)壁的形貌

        氣浮管線彎頭外側(cè)腐蝕穿孔。根據(jù)氣浮管線設(shè)計(jì)資料,管線材質(zhì)為碳鋼,外涂防腐漆(環(huán)氧富鋅涂料)。腐蝕現(xiàn)象特點(diǎn)為彎頭外側(cè)管壁優(yōu)先發(fā)生局部腐蝕,腐蝕孔已穿透管壁,且腐蝕孔口徑外大內(nèi)小,說明腐蝕穿孔是由外向內(nèi)。彎頭外側(cè)外壁有頭蓋骨形狀的穿孔和凹坑。沿腐蝕孔斜面成梯田狀,上面有凸棱和小凹坑。這是一種典型的空泡腐蝕宏觀特征[4-6]。

        從彎頭內(nèi)部看,靠近腐蝕穿孔位置的內(nèi)表面相對(duì)光滑,沒有覆蓋過多腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物。而在彎頭內(nèi)側(cè)內(nèi)壁,覆蓋了較多的腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物。說明彎頭外側(cè)內(nèi)壁受到的流體沖刷強(qiáng)度比彎頭內(nèi)側(cè)內(nèi)壁大,導(dǎo)致該表面粘附的腐蝕產(chǎn)物少。

        3 分析測(cè)試

        3.1 分析測(cè)試方法

        為分析彎頭腐蝕穿孔的原因,將對(duì)材質(zhì)成分、腐蝕產(chǎn)物、金相組織進(jìn)行分析。選取的測(cè)試部位如圖5所示。

        圖5 彎頭測(cè)試前外觀照片(A、B區(qū)域?yàn)榛某煞譁y(cè)試區(qū)域)

        所用到的測(cè)試設(shè)備如表1所示。

        表1 測(cè)試設(shè)備

        3.2 基材成分分析

        按照標(biāo)準(zhǔn)采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀和CS分析儀對(duì)管道基材成分進(jìn)行測(cè)試,所選測(cè)試區(qū)域如圖5中A、B區(qū)域,測(cè)試結(jié)果如表2所示。各元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14164-2013中要求含量,材質(zhì)為碳鋼,這也和氣浮選管線設(shè)計(jì)資料相符。

        3.3 腐蝕產(chǎn)物成分分析

        分別選取彎頭內(nèi)壁腐蝕物、外壁腐蝕物進(jìn)行EDS成分測(cè)試,如圖6~圖9所示。

        EDS測(cè)試結(jié)果表明內(nèi)壁腐蝕物中主要含有Cl和O元素,并含有少量的S元素,外壁腐蝕物中主要含有O、S元素及少量 Cl元素。具體元素含量分別如表3和表4所示。

        表2 基材化學(xué)成分分析結(jié)果(%)

        圖6 彎頭外壁表面腐蝕物EDS成分分析位置

        圖7 彎頭外壁表面腐蝕物EDS成分分析能譜圖

        圖8 彎頭內(nèi)壁表面腐蝕物EDS成分分析位置

        圖9 彎頭內(nèi)壁表面腐蝕物EDS成分分析能譜圖

        表3 彎頭外壁表面腐蝕物EDS成分分析測(cè)試結(jié)果 (wt%)

        表4 彎頭內(nèi)壁表面腐蝕物EDS成分分析測(cè)試結(jié)果 (wt %)

        基本可判定腐蝕產(chǎn)物是鐵的氧化物、氯化物和硫化物。外壁腐蝕產(chǎn)物中含有Zn,推測(cè)來自外壁環(huán)氧富鋅涂層。氣浮選管線內(nèi)外壁均浸在高含Cl-的生產(chǎn)水中,但外壁腐蝕產(chǎn)物較少,Cl-含量也較低,說明外壁的腐蝕產(chǎn)物因某種外力被剝離。

        3.4 金相組織分析

        分別在彎頭上選取靠近腐蝕穿孔位置、遠(yuǎn)離腐蝕穿孔位置制取金相樣品,采用3D數(shù)碼顯微鏡對(duì)所取樣品進(jìn)行金相組織觀察,如圖10和圖11,可以看出所選兩個(gè)區(qū)域的金相組織主要為鐵素體和珠光體,也就是說彎頭基材金相組織均勻,無異常。

        圖10 腐蝕孔邊緣區(qū)域金相顯微組織圖

        圖11 遠(yuǎn)離腐蝕孔區(qū)域金相顯微組織圖

        圖12 腐蝕孔側(cè)壁截面金相組織(晶粒變形)

        然后對(duì)腐蝕孔斜面的亞表面做金相分析,如圖12所示,發(fā)現(xiàn)在腐蝕孔斜面的金相組織出現(xiàn)金相變形,似沿某種力的方向拉伸而成流線型。另外從圖13觀察,腐蝕孔的斜面也存在明顯的光滑流線型形貌。這是一種典型的空泡腐蝕微觀特征[5]。

        圖13 腐蝕孔斜面的金屬流線形貌

        4 結(jié)果與討論

        通過對(duì)腐蝕背景、分析測(cè)試結(jié)果的分析測(cè)試,可以發(fā)現(xiàn):

        (1)生產(chǎn)水對(duì)碳鋼有一定的腐蝕性,造成6寸氣浮管線內(nèi)壁腐蝕結(jié)垢和點(diǎn)蝕;

        (2)6寸氣浮管線彎頭內(nèi)側(cè)內(nèi)壁腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物多,而彎頭外側(cè)內(nèi)壁腐蝕結(jié)垢產(chǎn)物少,說明彎頭外側(cè)內(nèi)壁受到流體沖刷作用;

        (3)6寸氣浮管線彎頭外側(cè)外壁腐蝕宏觀形貌表現(xiàn)為空泡腐蝕特征,腐蝕孔成頭蓋骨形和馬蹄形,穿孔外大內(nèi)小,沿腐蝕孔斜面有梯田狀的凸棱和小凹坑;

        (4)6寸氣浮管線彎頭外側(cè)外壁腐蝕微觀形貌也表現(xiàn)為空泡腐蝕特征,沿腐蝕孔斜面的晶粒變形,并伴有沿特定方向的流線形特征。

        因此,可推斷6寸氣浮管線彎頭腐蝕穿孔的全過程分為兩個(gè)階段。腐蝕的第一階段,在氣浮管線內(nèi)部,隨著溶氣水對(duì)管內(nèi)壁的持續(xù)腐蝕,管壁表面結(jié)垢。在彎頭外側(cè)內(nèi)壁,受到水流的沖刷,腐蝕產(chǎn)物會(huì)被水流剝離,造成該處內(nèi)表面腐蝕更快。而且由于水中有Cl-等,可造成局部的點(diǎn)蝕,時(shí)間久了可造成從內(nèi)到外的穿孔,但此時(shí)穿孔的直徑較小。腐蝕的第二階段,溶氣水從第一階段造成的穿孔中溢出,氣泡在穿孔處不斷膨脹破裂,沖擊金屬表面,金屬表面受氣泡破裂力的反復(fù)作用,逐層剝落金屬表面,形成梯田狀的凸棱和小凹坑,直至管壁減薄穿孔。氣泡破裂的沖擊力也使表面至亞表面的金相組織發(fā)生了塑性變形,從微觀形貌上觀察成流線組織特征[5,6]。

        綜上所述,結(jié)論如下:

        (1)管線腐蝕孔外形似漏斗,腐蝕孔表面上的棱、凹坑等形貌符合空泡腐蝕的宏觀特征;腐蝕孔亞表面的金相流線形組織符合空泡腐蝕的微觀特征;

        (2)管線發(fā)生腐蝕穿孔主要是空泡腐蝕失效所致。腐蝕過程分為兩個(gè)階段:第一階段,管線內(nèi)表面因多種電化學(xué)腐蝕、沖刷腐蝕等形成局部腐蝕穿孔,氣泡泄漏;第二階段,大量氣泡在泄漏處的外表面破裂,對(duì)外表面形成強(qiáng)烈的空泡腐蝕,導(dǎo)致穿孔擴(kuò)大。

        鑒于該氣浮管線腐蝕穿孔的重要原因是空泡腐蝕,防止從內(nèi)壁局部腐蝕穿孔而造成氣泡溢出是關(guān)鍵。因此建議應(yīng)從材質(zhì)選擇和防腐工程的角度去解決[7]。比如,氣浮管線選擇比碳鋼耐蝕性好的材料,或?qū)飧」芫€內(nèi)涂柔性陶瓷涂料。本案例比較典型,探究其腐蝕穿孔的原因,對(duì)腐蝕防護(hù)有一定的指導(dǎo)意義。

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