分享：某油田原油输送20钢管线弯头穿孔原因

罗 懿,杨 阳,蒋晓斌,王骅钟 

(中海油(天津)管道技术工程有限公司,天津 300452) 

摘 要:采用宏微观形貌、化学成分、显微组织、腐蚀产物、水质、受力仿真等分析方法,研究了某 油田原油输送20钢管线弯头的穿孔原因。结果表明:弯头内壁陶瓷涂层存在气孔、鼓泡等质量缺 陷;且外弧面曲率较大处的壁厚最小,形成低洼区,原油中的水极易产生 CaCO3 水垢沉积在低洼区 而引起垢下腐蚀。在弯头内部原油介质中 CO2、H2S、硫酸盐还原菌和 Cl - 的协同作用下,在流体 冲击力最大且涂层破损最严重的外弧面曲率较大区域形成腐蚀穿孔。

 关键词:弯头;腐蚀;陶瓷涂层;失效分析 中图分类号:TG174 文献标志码:B 文章编号:1000-3738(2021)05-0105-06 

0 引 言 

某油田生产流量计进口直径20.32cm(8″)钢管 弯头在运行3a后发生泄漏。为了不影响生产,对该 泄漏点进行紧急带压堵漏,并用铁水泥对其整体覆 盖,待停产大修时(约4个月后)予以更换。该钢管弯 头材料为20钢,管内壁采用热喷涂方法涂敷了陶瓷 涂层,实际操作温度为72~74 ℃,实际操作压力为 2.8~2.9MPa,输送介质为密度0.8702g·cm -3的原 油,原油中含砂量(体积分数)为0.0035%,含硫量 (体积分数)为0.174%,含水率(质量分数)为50%。 历史资料显示,该管线输送介质中含有腐蚀性气体, 其中 CO2 体积分数在1.78%~2.14%,H2S体积分 数为0.01%。 通常情况下,引起钢管弯头腐蚀的因素主要包 括:管体材料或涂层选型与服役环境不匹配;管体材 料或涂层的显微组织存在缺陷;服役环境中存在应 力、腐蚀性介质(CO2 或 H2S等酸性介质)、结垢、流 速过大、高温、细菌等现象[1]。该钢管弯头的设计寿 命为20a,实际使用寿命为3a。为了找到该钢管弯 头泄漏原因,避免再次出现同类事件,作者对其进行 失效分析,并提出改进措施。

 1 理化检验及结果 

1.1 宏观形貌

 钢管弯头泄漏位置位于法兰曲率半径最大处, 如 图1(a)所示。去除铁水泥后,泄漏区域存在一个 105 罗 懿,等:某油田原油输送20钢管线弯头穿孔原因 图1 失效弯头宏观形貌 Fig 1 Macromorphologyoffailedelbow a overallmorphology b innerwallmorphologyinperforationareaand c outerwallmorphologyinperforationarea 穿透型孔洞,孔洞呈圆形,直径为2.8cm,如图1(b) 和图1(c)所示。观察可见,穿孔为由内向外发展形 成,穿孔区域的外壁光滑,无腐蚀痕迹。综上可知, 钢管弯头呈现出内腐蚀特征[2]。 沿轴向且 保 留 完 整 穿 孔 区 域 将 弯 头 剖 开,依 次用石油醚、酒精清洗内壁表面油污,观察内壁形 貌。内壁表 面 有 黑 色 及 红 棕 色 附 着 物,附 着 物 质 地疏松,存 在 分 层 现 象;局 部 发 现 锈 瘤 状 物 质,剥 离后发现金属基体已发生腐蚀,甚至形成腐蚀坑, 属于典型 的 垢 下 腐 蚀 特 征。内 壁 表 面 不 平 整,存 在多处 凸 起 棱。沿 凸 起 棱 的 痕 迹 勾 勒 出 两 条 弧 线,为了 便 于 分 析,沿 弧 线 将 弯 头 内 壁 区 域 分 为 A,B,C等3个区域,如图2(a)所示。其中:A 区域 为两弧线交 叉 靠 内 侧 的 小 三 角 区,表 面 可 观 察 到 较均匀的涂层;B区域为两弧线交叉靠外侧的大三 角区,表面涂层稀薄,局部可观察到裸露的基体;C 区域涂层 均 匀,但 存 在 轻 微 鼓 泡。各 区 域 交 界 处 涂层存在翘边、破损等缺陷,如图2(b)所示。穿孔 位于 B区域,该区域除发生穿孔外,表面还有多处 大小不一的 腐 蚀 坑,腐 蚀 坑 周 边 附 着 疏 松 物 质 和 少量黑色坚硬瘤 状 物 质。由 图 2(c)可 见,与 穿 孔 侧相对的未穿孔侧内壁各区域交界处涂层破损现 象严重,并且出现一条从 C 区域贯穿到 B区域 的 粗线状涂层痕迹(如箭头所示)。 图2 失效弯头剖开后内壁宏观形貌 Fig 2 Innerwallmacromorphologyoffailedelbowaftersplitting a overallmorphologyatperforationside b enlargementofperforationareaand c overallmorphologyatimperforationside

 1.2 剩余壁厚 

采用 GEDM5E型超声波测厚仪对不同位置处 的剩余壁厚进行测量。由图3可以看出,远离穿孔 且在弯头内侧位置的剩余壁厚最大,穿孔位置的壁 厚最小,其余位置的壁厚相差不大,即 A 区域平均 壁厚最大,其次为 C区域,B区域平均壁厚最小。

 1.3 化学成分

 在失效 弯 头 无 腐 蚀 的 完 好 区 域 处 取 样,采 用 SPECTROLABLAVM11型直读光谱仪,根据ASTM 图3 失效弯头不同位置的剩余壁厚测量值 Fig.3 Measurementvaluesofresidualwallthicknessat differentspotsoffailedelbow 106 罗 懿,等:某油田原油输送20钢管线弯头穿孔原因 A106-18进行化学成分分析。由表1可知,失效弯头 除硅元素含量偏高以外,其他元素含量均符合 ASTM A106-18(A级)要求。

 1.4 显微组织

 在失效弯头内表面有涂层和无涂层区域以及穿 孔区域切取金相试样,经预磨、抛光,用体积分数4% 的硝酸酒精溶液腐蚀后,采用ZeissobserverA1m 型 倒置光学显微镜观察显微组织。由图4可以看出,失 效弯头有涂层、无涂层和穿孔区域的显微组织均为铁 素体+珠光体,根据 GB/T13298-2015判定其晶粒 度为8.5级,显微组织无异常。

 1.5 微观形貌 

分别刮取弯头内壁附着物的表层产物和底层产 物以及穿孔侧B,C区域交界处的涂层和 C区域的涂 层,采用 ZeissEVO18型扫描电镜观察微观形貌。 由图5可知,内壁附着物表层产物的形状不规则且颗 粒尺寸较大,底层产物相对致密,但表面仍存在孔隙。 腐蚀介质会通过这些孔隙渗入到金属基体表面,造成 金属基体的腐蚀[3]。 由图6可见:穿孔侧 B,C区域交界处的涂层截 面上存在多处直径不一的气孔,最大气孔直径约为 200μm;此处涂层表面不光滑、不致密。 表1 失效弯头的化学成分 质量分数 Table1 Chemicalcompositionoffailedelbow massfraction % 条件 C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu V 测试值 0.201 0.217 0.405 0.0036 0.0077 0.013 0.00089 0.0053 0.0073 0.0009 标准要求 ≤0.25 ≤0.10 0.27~0.93 ≤0.035 ≤0.035 ≤0.40 ≤0.15 ≤0.40 ≤0.40 ≤0.08 图4 失效弯头不同位置处的显微组织 Fig 4 Microstructuresatdifferentpositionsoffailedelbow a coatedarea b uncoatedareaand c perforationarea 图5 失效弯头内壁附着物的微观形貌 Fig 5 Micromorphologyofattachmentsoninnerwalloffailedelbow a surfaceattachmentsand b bottomattachments 由图7可见,穿孔侧 C区域涂层表面存在微气 孔,且分布较为密集,涂层厚度约为524.1μm。综上 可知,失效弯头内壁的陶瓷涂层存在气孔、厚度不均 等质量缺陷[4-5],无法起到在腐蚀环境中的防腐作用。

 1.6 物相组成 

在弯头腐蚀坑表层、腐蚀坑底层以及内壁表面黑 色附着物处分别取样,采用石油醚、酒精溶解脱脂,过 滤并干燥处理后,使用 BrukerD8advance型 X射线 衍射仪(XRD)进行物相分析,扫描范围为3°~80°,采 样步宽为0.02°,波长为1.54056nm。由图8可知:腐 蚀坑表层产物的主要物相为SiO2、CaCO3、FeCO3 和 Fe2O3·H2O,表明腐蚀坑表层产物既有腐蚀产物又有 大量的垢和砂石;腐蚀坑底层产物主要物相为 Fe3C、 FeCO3 和 FeOOH;内壁表面的黑色附着物 主 要 为 107 罗 懿,等:某油田原油输送20钢管线弯头穿孔原因 图6 穿孔侧 B,C区域交界处涂层的截面和表面微观形貌 Fig 6 Micromorphologyofcrosssection a andsurface b ofcoatingatjunctionofareasBandCatperforationside 图7 穿孔侧 C区域涂层的微观形貌 Fig 7 Micromorphologyofsurface a andcrosssection b ofcoatinginareaCatperforationside FeCO3、FeS和 Fe(OH)3。由此推断,内壁表面腐蚀 产物与 H2S和CO2 腐蚀有关[6-8]。

 1.7 水质及结垢预测

 取弯头内部的现场水样进行水质分析,试验温 度为23.4 ℃。测试结果表明水型为 CaCl2 型,pH 图8 失效弯头穿孔区域腐蚀坑处产物和内壁表面黑色附着物的 XRD谱 Fig 8 XRDpatternsofproductsatcorrosionpitinperforation area a-b andofblackattachmentsoninnerwallsurface c offailedelbow a upperproductsatcorrosionpit and b bottomproductsatcorrosionpit 为8.16,总矿化度为29747mg·L -1,硫酸盐还原菌 (SRB)数量为600个·mL -1,腐生菌(TGB)数量为 2.5个·mL -1,离子含量见表 2。根据水质分析数 据,采用 Oddo-Tomson饱和指数法[9]进行结垢预 测,结果表明该水质 CaCO3 结垢趋势很严重。前文 物相分析也显示存在 CaCO3,与预测结果吻合。此 外,水样中 SRB 数量远高于 SY/T5329-2012规 定的SRB数量小于10个·mL -1的要求。SRB在一 定条件下能够将 SO 2- 4 还原成 S 2- ,进而形成副产 物 H2S,使腐蚀产物表面形成小气孔[10],并且腐蚀 反应产 生 的 FeS 沉 淀 会 造 成 堵 塞[11]。 由 GB/T 30579-2014可知,微生物腐蚀的特点是在沉积物 或结节下面出现局部坑洞,损伤特征表现为杯状特 征。失效弯头穿孔处的宏观形貌与之相吻合。由于 弯头处不清管,因此前期由SRB引起的腐蚀产物无 108 罗 懿,等:某油田原油输送20钢管线弯头穿孔原因 表2 现场水样中离子的质量浓度 Table2 Ionmassconcentrationinfieldwatersample mg·L -1 CO 2- 3 HCO - 3 OH - Cl - SO 2- 4 Ca 2+ Mg 2+ K + Na + Ba 2+ Sr 2+ Fe 2+ 总铁 总阳离子 总阴离子 0 577 0 17610 368 720 203 274 9722 1.8 16.4 59.68 84.71 10919 18555 法消除,腐蚀产物的存在使得内壁表面更不均匀,从 而加速垢下腐蚀的进程。

 1.8 弯头内部流场

 采用 FLUENT 软 件 对 弯 头 流 场 进 行 数 值 模 拟。弯管几何建模参数如下:管外径219.1mm,弯 曲半 径 200 mm,弯 管 进 口 长 度 和 出 口 长 度 均 为 2m,含水率(质量分数)为50%。模型以六面体网 格形式进行划分,边界条件设置参数如下:入口设置 为速度入口,出口设置为压力出口,压力为2.9MPa; 使用 VOF模型计算多相流,湍流模型使用标准k-ε 模型。由图9可见,弯头外弧面曲率最大处受到的 流体压力最大,且随着流速的增加,外壁面受力逐渐 升高。这是因为内部流体在弯头外弧面的动能极大 程度转变为比压能,导致该区域所受压力最大。在 流体较大冲击力作用下,该区域内壁涂层和表面腐 蚀产物层遭到破坏而引发腐蚀[12]。在实际工况下 该弯头中原油介质的平均流速约为1.4m·s -1。由 于弯头外弧面曲率最大处内壁 B区域的涂层较薄, 在流体的冲击下更容易发生破损,从而加速内壁腐 蚀,直至穿孔。 图9 不同流速流体作用下弯头内的压力分布 Fig.9 Pressuredistributioninelbowatdifferentfluidvelocities 2 泄漏原因分析 失效弯头 的 化 学 成 分 和 显 微 组 织 无 异 常,因 此排除材质因素造成腐蚀穿孔。弯头内壁陶瓷涂 层厚度不均 匀,在 外 弧 面 曲 率 较 大 区 域 处 的 涂 层 更为稀薄。涂 层 表 面 存 在 鼓 泡,同 时 存 在 破 损 现 象,涂层截面存在大量直径不一的气孔,说明涂层 质量存在缺陷。当服役环境中存在腐蚀诱发因素 时,涂层缺 陷 处 会 优 先 发 生 腐 蚀。弯 头 内 部 输 送 原油介质中含有质量分数50%的水,且含有 CO2, 这构成了发 生 CO2 腐 蚀 的 必 要 条 件[13]。水 质 分 析结果表明输送的水极易产生 CaCO3 水垢,由于 外弧面曲率 较 大 处 的 壁 厚 小 于 周 围 区 域,形 成 了 局部低洼区,内部介质容易在此处存留,成垢核心 生长的环境稳 定,更 容 易 形 成 CaCO3 水 垢。水 垢 的存在使得 内 壁 表 面 不 均 匀,造 成 内 壁 表 面 不 同 部位腐蚀性 气 体 浓 度 的 差 异 而 形 成 浓 差 电 池,从 而引 起 垢 下 腐 蚀[14-15]。现 场 水 样 中 SRB 含 量 超 标,不 可 避 免 地 会 发 生 细 菌 腐 蚀[16]并 将 SO 2- 4 还 原成 H2S [17] ;并且 SRB腐蚀可以与垢下腐蚀发生 协同作用。现场水样中还存在 Cl - ,Cl - 通过垢层 缝隙或微孔 富 集 在 垢 层 和 金 属 界 面,加 速 垢 下 金 属基体的腐蚀[18-19]。此外,当内部流体流动时,弯 头外弧面曲 率 最 大 处 受 到 的 流 体 压 力 最 大,涂 层 缺陷处在流 体 的 冲 蚀 下 更 容 易 发 生 破 损,从 而 加 速内壁腐蚀,直至穿孔。

 3 结论与建议

 (1)弯头内壁陶瓷涂层存在厚度不均、气孔、鼓 泡等质量缺陷,并且在外弧面曲率较大处弯头壁厚 最小,形成低洼区;原油所含的水极易产生 CaCO3 水垢,沉积在低洼区而引起垢下腐蚀。在弯头内部 原油介质中 CO2、H2S、SRB 以及 Cl - 的协同作用 下,在流体冲击压力最大且涂层破损最严重的外弧 面曲率最大处形成腐蚀穿孔。 (2)建议陶瓷涂层生产厂家优化工艺配方,提 109 罗 懿,等:某油田原油输送20钢管线弯头穿孔原因 高陶瓷涂层材料的致密性,同时加强涂层质量检验; 持续对除垢剂和除菌剂的效果进行评定,降低结垢 和微生物腐蚀引起的管道失效的风险。 

来源：材料与测试网