徐 軍,李世勇,陳世波

1中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術(shù)研究院 2低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室 3中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術(shù)作業(yè)公司

0 引言

2017年7月到2019年5月上旬，川南頁巖氣自營區(qū)塊測試管線共發(fā)生22起刺漏事件。刺漏部位有分離器配管、法蘭管線和地面油管等位置，其中分離器配管刺漏最嚴(yán)重，刺漏點主要在彎頭和焊縫處。頻繁的刺漏事故，嚴(yán)重影響了頁巖氣的正常生產(chǎn)，而且刺漏后造成環(huán)境污染、人員傷害及帶來作業(yè)現(xiàn)場安全隱患。因此，如何減少由于刺漏導(dǎo)致的失效事故，延長分離器的使用壽命，確保地面測試系統(tǒng)正常運(yùn)行，對于頁巖氣的穩(wěn)產(chǎn)與增產(chǎn)具有重要意義。目前，自營區(qū)塊針對測試管線的刺漏現(xiàn)象，采取以更換為主的措施，僅有一個平臺采取加注藥劑進(jìn)行防腐。防腐手段單一，經(jīng)濟(jì)成本較高，且對管線刺漏原因認(rèn)識還不夠清晰，需開展失效原因分析。

1 試驗檢驗及結(jié)果

1.1 宏觀分析

圖1和圖2分別為分離器配管彎頭和變徑管焊縫宏觀腐蝕形貌。由圖1(a)可見，彎頭腐蝕以條形片狀、坑狀特征為主，腐蝕嚴(yán)重區(qū)主要集中在彎頭的外側(cè)，且腐蝕痕跡有顯著的方向性，即存在流體沖刷腐蝕痕跡，即紅色區(qū)域。由圖2(a)可見，變徑管管體腐蝕相對輕微，腐蝕嚴(yán)重部位在焊縫處，尤其是下部焊縫，出現(xiàn)明顯環(huán)向溝槽。采用超聲波測厚儀對剩余壁厚進(jìn)行測量，可以看出彎頭壁厚減薄嚴(yán)重位置在外側(cè)，見圖1(b)中陰影部分，最小剩余壁厚為5.9 mm;變徑管壁厚減薄嚴(yán)重位置在焊縫位置，最小剩余壁厚為6.3 mm。

圖1 彎頭宏觀腐蝕形貌

圖2 變徑管焊縫宏觀腐蝕形貌

1.2 腐蝕環(huán)境及腐蝕介質(zhì)分析

頁巖氣含二氧化碳0.7%～1.6%，為低含二氧化碳、不含硫化氫氣藏。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研情況，分別在失效最嚴(yán)重和未出現(xiàn)失效情況的分離器內(nèi)取水樣，進(jìn)行水質(zhì)全分析。參照SY/T 0532-2012標(biāo)準(zhǔn)[1]對水介質(zhì)進(jìn)行細(xì)菌種類及含量測定，兩個分離器內(nèi)水質(zhì)離子含量接近，差異較小,如表1所示。腐蝕嚴(yán)重分離器內(nèi)水質(zhì)的細(xì)菌含量反而小于腐蝕輕微分離器內(nèi)水質(zhì)的細(xì)菌含量。由此可見水質(zhì)腐蝕性(Cl-、礦化度、細(xì)菌)不是造成分離器配管頻繁刺漏的主因。

表1 分離器內(nèi)水質(zhì)檢測結(jié)果

1.3 材質(zhì)性能分析

1.3.1 化學(xué)成分

彎頭外側(cè)和內(nèi)側(cè)、變徑管管體和焊縫化學(xué)成分分析結(jié)果如表2所示，分析結(jié)果表明彎頭和變徑管管體的化學(xué)成分均滿足ASTM SA106C高溫用無縫碳鋼公稱管標(biāo)準(zhǔn)要求[2]。變徑管焊縫化學(xué)成分中C、Si、Mn等元素成分顯著增加，與母材成分差異較大。元素種類及含量對材質(zhì)的耐蝕性和機(jī)械性能都有影響，例如：隨C元素含量增加，鋼的硬度上升，塑性和韌性降低，耐蝕性降低；Si元素含量增加，則降低鋼的焊接性能；Mn元素含量增加，鋼的抗腐蝕能力減弱，焊接性能降低。由此可見，焊縫的耐蝕性與母材相比有所下降。由于焊縫與母材的化學(xué)成分存在一定程度的差異，焊縫處容易形成濃差極化的腐蝕微電池，發(fā)生嚴(yán)重的電化學(xué)腐蝕。

表2 彎頭、變徑管管體和焊縫化學(xué)成分分析結(jié)果

1.3.2 金相組織

圖3和圖4分別為彎頭外弧側(cè)和內(nèi)弧側(cè)的金相組織，彎頭外弧側(cè)和內(nèi)弧側(cè)組織均為鐵素體+珠光體，組織分布均勻，沒有偏析現(xiàn)象，也未發(fā)現(xiàn)馬氏體等組織，但外弧側(cè)晶粒較內(nèi)側(cè)粗大，其耐蝕性降低。

圖3 彎頭外弧側(cè)金相組織

圖4 彎頭內(nèi)弧側(cè)金相組織

圖5和圖6分別為變徑管管體和焊縫的金相組織，變徑管管體組織為鐵素體+珠光體；焊縫部位金相組織比管體母材組織更細(xì)小，熱影響區(qū)組織明顯粗大，抗腐蝕性能降低。

圖5 變徑管管體金相組織

圖6 變徑管焊縫金相組織

1.3.3 電化學(xué)性能

分別在變徑管管體和焊縫取2組平行試樣，采用電化學(xué)方法測試兩組平行試樣的自腐蝕電位和自腐蝕電流，分析化學(xué)成分和組織對腐蝕性能的影響。電化學(xué)測試由AMETEK公司生產(chǎn)的M237A恒電位儀完成。動電位極化曲線測量的電位為-1 000～+300 mV，掃描速度為0.166 7 mV/s。試驗介質(zhì)為現(xiàn)場采出水，試驗溫度30 ℃。圖7為2組母材和2組焊縫試樣極化曲線測試結(jié)果。由圖7可見，母材的自腐蝕電位更正，其發(fā)生電化學(xué)腐蝕的驅(qū)動力相對較小，運(yùn)用極化曲線分析軟件對圖7進(jìn)行分析，參數(shù)擬合結(jié)果如表3所示。

圖7 母材和焊縫極化曲線測試結(jié)果

由表3可見，焊縫和母材的自腐蝕電位差超過50 mV，當(dāng)異種金屬相接觸，電位差在50 mV以上時，會導(dǎo)致明顯的電偶腐蝕。因此，焊縫和母材之間會產(chǎn)生電偶腐蝕，焊縫為陽極，優(yōu)先被腐蝕。根據(jù)擬合結(jié)果，焊縫的自腐蝕電流密度高于母材，即焊縫的耐蝕性較母材更差。

表3 極化曲線參數(shù)擬合結(jié)果

1.4 腐蝕形貌及腐蝕產(chǎn)物分析

圖8和圖9分別為彎頭內(nèi)側(cè)和變徑管內(nèi)壁微觀腐蝕形貌。由圖可見，管內(nèi)表面腐蝕產(chǎn)物脆存在大量裂紋，對基體無保護(hù)作用。取管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行X射線衍射分析，分析結(jié)果表明腐蝕產(chǎn)物主要為FeCO3、FeS和Fe3S4，即管內(nèi)壁腐蝕為CO2和H2S腐蝕。

圖8 彎頭內(nèi)測管壁腐蝕產(chǎn)物微觀形貌

圖9 變徑管內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物微觀形貌

1.5 彎頭內(nèi)流體軟件模擬

由于彎頭處結(jié)構(gòu)的特殊性，其腐蝕往往會更嚴(yán)重[3]。彎頭的腐蝕與流體的運(yùn)動息息相關(guān)，多相流經(jīng)過彎頭后流速、液相分布、湍動能、壓力的大小分布都發(fā)生變化，加速彎頭的腐蝕[4]。利用ANSYS軟件進(jìn)行管道流體介質(zhì)模擬分析，重點分析流體介質(zhì)對管道沖刷作用以及管道的薄弱環(huán)節(jié)。圖10為彎頭內(nèi)流體介質(zhì)模擬分析示意圖。假設(shè)液體流動方向如圖10所示，在管內(nèi)A處流體急轉(zhuǎn)，A處壓力增大，符合自由渦流理論，即彎頭薄弱點在外側(cè)，液相和壓強(qiáng)較大的點主要分布在彎頭外側(cè)[5～9]。因此，彎頭外側(cè)是腐蝕嚴(yán)重區(qū)域，流體對此處沖刷效果明顯，腐蝕產(chǎn)物被流體帶走，不斷露出新鮮金屬表面，加劇外側(cè)腐蝕。由軟件模擬分析可知，模擬失效部位與實際試樣失效部位吻合。且隨著流速和腐蝕介質(zhì)腐蝕性的增強(qiáng)，沖刷腐蝕現(xiàn)象會更加明顯。

圖10 彎頭沖刷腐蝕模擬示意圖

2 失效原因及機(jī)理分析

2.1 彎頭腐蝕原因及機(jī)理

分離器配管彎頭沖刷腐蝕明顯，嚴(yán)重部位為彎頭外側(cè)。沖刷腐蝕是金屬表面與腐蝕流體之間由于高速相對運(yùn)動引起的金屬損傷。對彎頭部分作受力分析，彎頭內(nèi)的流體遵循動量守恒定律。在流體中取1-1′到2-2′界面小單元進(jìn)行分析，流體對彎頭內(nèi)壁的壓力R見圖11[10]，Rx′為X軸方向壓力，Ry′為Y軸方向壓力，θ為彎曲角度，p1和p2分別為1-1′和2-2′截面處的壓力。設(shè)定彎頭兩端管徑相同，各截面流速和壓力也相同，則：

圖11 彎頭內(nèi)壁受力分析

Rx′=(cosθ-1)(ρQV+pA)

(1)

Ry′=sinθ(ρQV+pA)

(2)

R=(ρQV+pA)(cosθ-1)2+ sin2θ

(3)

式中：ρ—流體密度,kg/m3；Q—流量,m3/s；V—截面處流速,m/s；A—截面處截面積,m2。

根據(jù)式(3)可知，管內(nèi)壁受到的側(cè)壓力隨θ的增大而增大，即直管內(nèi)流體對管壁無壓力，無沖刷作用，90°彎頭的側(cè)壓力最大，沖刷作用也最強(qiáng)。沖力的大小與流體的流速和管內(nèi)壓力成正比，即介質(zhì)對管壁的壓力越大，流速就越快，沖力就越大，沖刷作用就越嚴(yán)重。在腐蝕介質(zhì)作用下，腐蝕產(chǎn)物受沖刷作用而剝落，不斷露出新鮮金屬被腐蝕。這樣管內(nèi)流體對彎頭內(nèi)管壁長時間的沖刷腐蝕作用，使其壁厚減薄直至發(fā)生刺漏[6]。

2.2 焊縫腐蝕原因及機(jī)理

變徑管焊縫化學(xué)成分與母材差異較大，存在組織不均勻性，導(dǎo)致焊縫發(fā)生嚴(yán)重溝槽腐蝕。焊縫區(qū)溝槽腐蝕，是焊縫及其熱影響區(qū)與基體金屬在腐蝕介質(zhì)中電化學(xué)不均勻性引起的局部選擇性腐蝕，其特征為焊縫具有更低的腐蝕電位(見圖7)，優(yōu)先發(fā)生腐蝕。焊縫的電化學(xué)不均勻性，是焊接過程中急熱和急冷引起金屬局部的一些化學(xué)成分、組織等變化的結(jié)果[11]。通過優(yōu)化焊接工藝，如調(diào)制處理，使各元素在不同區(qū)域發(fā)生擴(kuò)散和均勻化，從而減小焊縫和母材的原電池電位，降低焊縫溝槽腐蝕敏感性[12]。

2.3 管內(nèi)壁腐蝕原因及機(jī)理

根據(jù)上述分析結(jié)果，彎頭失效主要原因為沖刷腐蝕失效，焊縫失效主要原因為溝槽腐蝕失效。除以上主因外，管內(nèi)輸送介質(zhì)含有腐蝕性氣體也會加劇彎頭和焊縫的腐蝕。根據(jù)腐蝕產(chǎn)物XRD分析結(jié)果，管內(nèi)腐蝕產(chǎn)物為FeCO3、FeS和Fe3S4，表明管內(nèi)壁發(fā)生CO2和H2S腐蝕。CO2來源于天然氣組分，但頁巖氣氣質(zhì)組分中不含H2S，從水質(zhì)全分析中，所有被測水樣中均含有較高含量的硫化物和SRB，表明硫酸鹽還原菌是硫化氫的主要來源。在無氧或極少氧情況下，SRB利用金屬表面的有機(jī)物作為碳源，并利用細(xì)菌生物膜內(nèi)產(chǎn)生的氫，將硫酸鹽還原成H2S，H2S在基體表面形成黑色導(dǎo)電層FeS，黑色導(dǎo)電層將基體與介質(zhì)連通，將基體Fe失去的電子傳至表面，發(fā)生陰極反應(yīng)，加速管道腐蝕。SRB腐蝕機(jī)理為陰極去極化理論，與其對應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)式如下：

4Fe→ 4Fe2++8e(陽極過程)

(4)

8H2O→ 8OH-+8H+(水的電離)

(5)

8H++8e→ 8H(陰極過程)

(6)

(7)

Fe2++S2-→ FeS(腐蝕產(chǎn)物)

(8)

3Fe2++6OH-→ 3Fe(OH)2(腐蝕產(chǎn)物)

(9)

總反應(yīng)式為：

4Fe2++SO42-+4H2O→ FeS+3Fe(OH)2+2OH-

(10)

3 結(jié)論

(1)失效彎頭和變徑管管體材質(zhì)化學(xué)成分滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，金相組織無明顯異常。

(2)分離器配管彎頭失效原因為流體沖刷腐蝕失效。

(3)變徑管焊縫化學(xué)成分與管體差異較大，存在組織不均勻性，導(dǎo)致焊縫發(fā)生溝槽腐蝕失效。

(4)管內(nèi)輸送介質(zhì)含有CO2腐蝕性氣體和硫酸鹽還原菌，從而產(chǎn)生二氧化碳和硫化氫協(xié)同腐蝕，加速了彎頭和焊縫的腐蝕失效。