周吉鋒，朱環(huán)環(huán)，袁海娜

(1. 山東博興實華天然氣有限公司,山東 濱州 256500； 2. 山東濱農(nóng)科技有限公司，山東 濱州 256600； 3. 延長石油股份有限公司，陜西 延安 717600)

水壓試驗是驗證油氣集輸管線完整性的常規(guī)方法。自上世紀(jì)50年代【1】美國德克薩斯東部運輸公司首次成功應(yīng)用水壓試驗以來，該方法得到了大規(guī)模的應(yīng)用，并于60年代后期寫入了美國ASME B31.8規(guī)范【2-3】，要求油氣集輸管線投產(chǎn)運行之前，應(yīng)按照要求進行水壓試驗。與該規(guī)范類似，挪威船級社【4-5】也做了相關(guān)規(guī)定。

根據(jù)規(guī)范【6】，我國大部分新建管線尤其是失效風(fēng)險較高的海上集輸管線，也需進行水壓試驗。目前水壓試驗壓力一般取1.25倍設(shè)計壓力，整個水壓試驗流程持續(xù)至少48 h，包括打壓、穩(wěn)壓、泄壓過程。海上集輸管線試壓用水一般為海水，腐蝕性較強，因此一般均需摻入一定濃度的緩蝕劑、殺菌劑等藥劑。原則上，試壓用水偏堿性，pH值保持在7.04～8.0；懸浮物顆粒<50 μm。水壓試驗完成后，試驗用水需留在試壓管線內(nèi)一段時間，因此規(guī)范明確規(guī)定，試壓水需配置一定的緩蝕劑和殺菌劑以保護試壓管線。整個試壓過程完成后，試壓管線需進行后續(xù)的排水、干燥和充氮等流程以保護集輸管線【7-9】。但實際操作中，經(jīng)常出現(xiàn)水壓試驗致管線運行1 a內(nèi)失效甚至投產(chǎn)前失效的問題，因此本文重點研究水壓試驗對管線內(nèi)腐蝕的影響，驗證油氣集輸管線完整性的同時，也對其完整性進行保護。

1 水壓試驗

水壓試驗管段選用某氣田待投產(chǎn)濕氣集輸管線，材質(zhì)為X65管線鋼，其化學(xué)成分見表1；管線規(guī)格為φ110 mm×8 mm，試驗用水為當(dāng)?shù)氐叵滤?，水質(zhì)分析見表2。物化參數(shù)見表3。從表3可以看出，水質(zhì)為典型的氯化鈣型，但Cl-含量不高，且pH值為7.03，符合規(guī)范要求，因此實際操作中未在水壓水源添加緩蝕劑和殺菌劑。水壓試驗流程按照規(guī)范進行【10-11】。

表1 X65鋼管材化學(xué)成分(質(zhì)量百分數(shù))

表2 水壓試驗用水水質(zhì)分析

表3 物化參數(shù)

水壓試驗升壓結(jié)束、穩(wěn)壓30 min后，出現(xiàn)壓力下降現(xiàn)象，水壓試驗壓力隨試壓時間的變化曲線如圖1所示。由圖1可見，隨著穩(wěn)壓時間的增長，壓力下降速率越來越大，2 h后，找到泄漏點，如圖2所示，水壓試驗結(jié)束。

圖1 水壓試驗壓力隨試壓時間的變化

圖2 水壓試驗泄漏點

2 結(jié)果與分析

2.1 顯微組織分析

圖3(a)～圖3(d)為水壓試驗泄漏點附近掃描電鏡圖，其中圖3(a)～圖3(b)為管材環(huán)向局部掃描電鏡圖，標(biāo)尺分別為500和50 μm，放大倍數(shù)分別為50×和500×；圖3(c)～圖3(d)為管材軸向局部掃描電鏡圖，標(biāo)尺分別為100和10 μm。從圖3(a)可以看出：水壓試驗管線環(huán)向方向管材顯微組織表面存在諸多暗斑，暗斑附近出現(xiàn)較多大顆粒沉淀物，說明管材表面存在較嚴重局部腐蝕傾向，且局部腐蝕附近腐蝕產(chǎn)物大量聚集。圖3(b)為圖3(a)的局部放大顯示，清楚地顯示出水壓試驗造成的較嚴重的局部腐蝕,局部腐蝕坑內(nèi)部出現(xiàn)較明顯的蜂窩狀腐蝕微孔，極易儲存腐蝕介質(zhì)，引起氧濃差腐蝕，即常說的氧濃差電池閉塞電池自催化效應(yīng)引起的電化學(xué)腐蝕，且存在局部腐蝕連接成片的趨勢。從圖3(c)可以看出，水壓試驗管線軸向管材顯微組織存在明顯的裂紋傾向，且已發(fā)育出二次裂紋， 給集輸管線的后續(xù)安全運行帶來極大的安全風(fēng)險。這說明水壓試驗穩(wěn)壓過程中， 壓力下降速率逐漸增大不是只有泄漏點局部腐蝕缺陷逐漸增大一個原因，管線軸向方向裂紋產(chǎn)生， 并逐漸擴展也是一個重要原因。圖3(d)為圖3(c)的局部放大顯示，從圖3(d)可以清楚地觀察軸向裂紋的發(fā)育過程。

圖3 水壓試驗泄漏點附近掃描電鏡

2.2 腐蝕產(chǎn)物分析

水壓試驗過程中的腐蝕主要為水的電化學(xué)腐蝕。管材暴露于水環(huán)境中，金屬離子在陽極區(qū)進入溶液，相當(dāng)于在陰極區(qū)的反應(yīng)(見圖4)。以鐵基金屬為例，得到較多認可的電化學(xué)反應(yīng)【12-14】過程如下：

圖4 電化學(xué)性質(zhì)的簡單腐蝕過程模型

Fe→Fe2++2e-

(1)

2H++2e-→H2

(2)

4H++O2+4e-→2H2O

(3)

2Fe+2H2O+O2→2Fe(OH)2

(4)

4Fe(OH)2+2H2O+O2→4Fe(OH)3

(5)

mFe(OH)2→pH2O+m(FeO·nH2O)

(6)

mFe(OH)3→pH2O+m/2(Fe2O3·nH2O)

(7)

含水氧化亞鐵(FeO·nH2O)或氫氧化亞鐵[Fe(OH)2]在鐵基表面附近形成腐蝕產(chǎn)物膜。飽和Fe(OH)2溶液的pH值約為9.5，使Fe表面試壓水一般為堿性。雖然純Fe(OH)2的顏色為白色，但通常情況下會被空氣氧化呈現(xiàn)黃綠色，如圖5 所示，水壓試驗泄漏點附近腐蝕管材部分位置呈現(xiàn)的綠色。在氧化膜的外表面，溶解氧可將FeO轉(zhuǎn)化為Fe2O3·nH2O或Fe(OH)3。純Fe2O3·nH2O是橙色的，經(jīng)氧化后顏色一般是紅棕色，即通常說的鐵銹(如圖5所示)，它以非磁性γ-Fe2O3(赤鐵礦)或磁γ-Fe2O3的形式存在。飽和Fe(OH)3溶液的pH值幾乎是中性的，磁化的鐵素體Fe3O4·nH2O通常會在水合物Fe2O3和FeO之間形成一個黑色中間層。因此，銹膜通常由3種不同氧化態(tài)的氧化鐵組成。

圖5 水壓試驗泄漏點附近管材

對圖5所示的水壓試驗泄漏點附近腐蝕管材上的腐蝕產(chǎn)物做XRD分析，分析結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出：圖5中“1”所示黑色腐蝕產(chǎn)物主要是穩(wěn)定的γ-Fe2O3；“3”所示的內(nèi)部的黃綠色產(chǎn)物主要是Fe(OH)2，F(xiàn)e(OH)2分為兩部分，其中α-Fe(OH)2較穩(wěn)定，而γ-Fe(OH)2為新生成產(chǎn)物，穩(wěn)定性差，對基體的保護性也差；“2”所示點蝕區(qū)主要是γ-Fe2O3和α-Fe(OH)2以及少量的沉積物CaCO3。腐蝕產(chǎn)物成分與碳鋼的大氣腐蝕產(chǎn)物類似，與上述管材在水環(huán)境中的電化學(xué)腐蝕原理吻合。

圖6 水壓試驗泄漏點附近管材腐蝕產(chǎn)物XRD分析

由此可見，水壓試驗管道內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物主要是較穩(wěn)定的γ-Fe2O3、α-Fe(OH)2，管道內(nèi)壁底部的腐蝕產(chǎn)物整體衍射峰較高，表明γ-Fe2O3和α-Fe(OH)2含量更高一些，腐蝕產(chǎn)物成型的晶體多，腐蝕時間長，對基體的保護作用也更強一些。同時還存在少量的γ-Fe(OH)2，γ-Fe(OH)2是不穩(wěn)定的腐蝕中間產(chǎn)物，保護性差，意味著管道底部仍處于活性腐蝕階段。

2.3 局部腐蝕截面分析

對圖5所示水壓試驗泄漏點附近局部腐蝕做掃描電鏡分析，分析結(jié)果如圖7(a)～圖7(b)所示。從圖7(b)可以看出，腐蝕產(chǎn)物在腐蝕坑區(qū)較厚，可達1.44 mm，而腐蝕產(chǎn)物膜整體厚度僅有100 μm左右，說明在腐蝕坑附近，經(jīng)歷了腐蝕產(chǎn)物膜反復(fù)破損再生的過程，導(dǎo)致腐蝕坑區(qū)出現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物堆積現(xiàn)象。不僅如此，圖7(b)還顯示：腐蝕坑處腐蝕產(chǎn)物膜呈現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象，外層較厚，主要是顆粒直徑較大的沉積物，多為2.2節(jié)所述的γ-Fe(OH)2，但組織松散稀疏，不穩(wěn)定，與中間層之間結(jié)合較差，兩層腐蝕產(chǎn)物膜之間存在較明顯縫隙，極易儲存腐蝕介質(zhì)，引起氧濃差腐蝕【15】，不僅起不到保護作用，反而極易誘發(fā)局部腐蝕；中間層鐵含量較高(顏色較深)，腐蝕產(chǎn)物較致密，與內(nèi)層腐蝕產(chǎn)物結(jié)合緊密，厚度分布較均勻，多為較穩(wěn)定的α-Fe(OH)2，主要是沉積形成的，是腐蝕防護的主力層，但從圖7(a)可以明顯看出，中間層與內(nèi)層之間也存在細長縫隙，易儲存高濃度腐蝕介質(zhì)，導(dǎo)致更加嚴重的氧濃差電池閉塞電池自催化效應(yīng)引起的電化學(xué)腐蝕；內(nèi)層氧含量較高(由初期腐蝕形成)，與金屬基體之間結(jié)合較緊密，多為非常穩(wěn)定的γ-Fe2O3。局部腐蝕中心區(qū)域內(nèi)層、中間層腐蝕產(chǎn)物均是最厚的，與前文的分析一致，局部腐蝕區(qū)腐蝕產(chǎn)物膜反復(fù)破損再生過程是由內(nèi)而外的，說明局部腐蝕是在內(nèi)層腐蝕產(chǎn)物膜生成之前或內(nèi)層腐蝕產(chǎn)物膜遭遇局部破壞時發(fā)生的。

圖7 水壓試驗泄漏點附近管材局部掃描電鏡分析

3 結(jié)論

綜上所述，水壓試驗泄露的主要原因是實驗過程中產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物膜防護性能差，同時存在軸向裂紋發(fā)育，具體結(jié)論如下：

1) 引起水壓試驗穩(wěn)壓過程中壓力下降速率逐漸增大原因不僅包括管材表面存在較嚴重局部腐蝕，管線軸向方向裂紋產(chǎn)生、發(fā)育，并逐漸擴展也是一個重要原因；

2) 水壓試驗管道內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物主要是較穩(wěn)定的γ-Fe2O3和α-Fe(OH)2，其中管道內(nèi)壁底部的腐蝕產(chǎn)物多為γ-Fe2O3和α-Fe(OH)2，且成型晶體多，對基體的保護作用也更強一些。同時還存在少量不穩(wěn)定的腐蝕中間產(chǎn)物γ-Fe(OH)2，其保護性差，導(dǎo)致管道底部仍處于活性腐蝕階段；

3) 水壓試驗管道內(nèi)壁腐蝕產(chǎn)物膜存在內(nèi)層、中間層和外層3層結(jié)構(gòu)，外層是沉積物，組織較松散，不穩(wěn)定，保護性差；中間層多為較穩(wěn)定的α-Fe(OH)2，主要是沉積形成的；內(nèi)層氧含量較高，與金屬基體之間結(jié)合較緊密，多為非常穩(wěn)定的γ-Fe2O3。外層與中間層之間結(jié)合差，存在較大縫隙，極易滲入腐蝕介質(zhì)；中間層與內(nèi)層之間結(jié)合較好，但存在較大縫隙，易產(chǎn)生縫隙腐蝕，進而導(dǎo)致嚴重的局部腐蝕。