某油田地面集输管道弯头腐蚀的原因

乔德康,郗文博,张伦亭,李 尤,陈 浩,蔡 锐

(1.中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司,天津 300452；2.中国石油集团石油管工程技术研究院 石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室,西安 710077)

某油田为提高采收率和降低采油成本，陆续实施了二氧化碳吞吐和二氧化碳驱油工艺，使得采出液和伴生气中的二氧化碳含量升高，同时伴生气中开始出现硫化氢。近年来，地面集输管道腐蚀穿孔事故频繁发生，严重影响了油田的正常生产。

某外输管线自实施二氧化碳吞吐和二氧化碳驱油工艺以来，在管道的底部、弯头等部位发生了多次腐蚀穿孔。该管线长3.05 km，采用规格为φ219 mm×7 mm的无缝钢管，运行压力为0.89 MPa，材料为20号钢，工作压力为1.0 MPa左右，工作温度为40～60 ℃，腐蚀穿孔基本为内部腐蚀所致。

1 理化检验

1.1 宏观观察

将发生腐蚀穿孔的管道弯头对剖，观察管段外壁和内壁的宏观形貌，并采用数码相机进行拍照记录，见图1。该弯头为对接焊弯头，其外壁完好，无明显腐蚀坑及腐蚀产物，如图1a)所示。管体内壁发生明显腐蚀的区域表面光滑，无明显疏松状物质存在，未见明显腐蚀的区域表面有一层完整且致密的物质。腐蚀区域主要集中在管道弯头的底部、焊缝及其附近区域、弯头转角部位等，腐蚀表面呈明显的沟槽状，管壁局部减薄极其严重，穿孔位置在焊缝处，如图1b)、图1c)所示。

图1 穿孔管道弯头各部位的宏观形貌

1.2 化学成分分析

从穿孔管道弯头上取样，按照GB/T 4336-2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法》，用ARL 4460型直读光谱仪对其进行化学成分分析，结果见表1，其化学成分符合标准值。

表1 穿孔管道弯头的化学成分

1.3 金相检验

从管道弯头上取样，依据GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》、GB/T 6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》和GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》，进行组织、晶粒度及非金属夹杂物分析，并对腐蚀坑附近区域的腐蚀形貌及显微组织进行观察，结果如表2和图2所示。由表2和图2可见：管道弯头的显微组织均匀细小且无异常，为铁素体+珠光体，晶粒度为8级；非金属夹杂物未超标准尺寸；管道弯头主要为内壁腐蚀，腐蚀坑底未发现裂纹，组织无异常。

表2 穿孔管道弯头非金属夹杂物的评级结果

图2 穿孔管道弯头及腐蚀坑周围的显微组织

1.4 扫描电镜观察及能谱分析

从管道弯头穿孔部位取样，采用扫描电镜(SEM)及能谱仪(EDS)对试样表面进行观察及腐蚀产物成分分析。如图3所示，试样表面覆盖了一层相对致密的腐蚀产物，局部腐蚀坑较为明显。由表3可知，腐蚀坑(A)内主要含有铁、碳、硫、氧四种元素，而腐蚀坑外(B,C两处)则主要含有铁、氧、碳三种元素，硫元素在腐蚀坑内有聚集的现象。

表3 图3不同位置处的EDS分析结果

图3 管道弯头穿孔部位的SEM形貌

2 模拟腐蚀试验结果

采用与现场管道材料相同的20号钢挂片试样，在高温高压釜内进行模拟腐蚀试验，分析20号钢在现场环境中的腐蚀规律。试验环境为模拟现场环境，腐蚀介质采用现场取回的水样，水的体积分数为75%，pH为7.13，矿化度为3.02 g/L，水样分析结果如表4所示，试验参数如表5所示。模拟腐蚀试验结束后，对试样表面进行去污剂及除膜液清洗处理，清除表面的腐蚀产物，在干燥箱中放置12 h后，采用FR2300MK型电子天平称量，计算试样的质量损失和腐蚀速率。

表4 现场水样的离子含量 mg/L

表5 模拟腐蚀试验参数

如图4所示，20号钢的腐蚀速率随CO2体积分数的增大而增大。对腐蚀后的试样表面进行观察，如图5所示。由图5可见：CO2体积分数为5%和10%时，20号钢表面呈均匀腐蚀形貌，无明显的点蚀坑存在；CO2体积分数为20%时，20号钢表面存在大量的点蚀坑。

图4 不同CO2体积分数条件下20号钢的腐蚀速率

图5 不同CO2体积分数条件下20号钢表面的腐蚀微观形貌

3 分析与讨论

管道弯头的宏观观察及金相检验结果表明，管道弯头外壁腐蚀十分轻微，内壁存在大量的腐蚀坑，局部存在致密的腐蚀产物。因此，管道弯头以内壁腐蚀为主，穿孔为内壁腐蚀所致。能谱分析结果表明，管道弯头内壁腐蚀产物主要含有铁、氧、碳三种元素，腐蚀形貌及腐蚀产物形态均为典型的CO2腐蚀特征。由此可初步判断管道弯头内壁发生CO2腐蚀。此外，与腐蚀坑外区域相比，腐蚀坑内的硫元素含量非常高，表明腐蚀过程还伴随有一定的H2S腐蚀[1-6]。

模拟腐蚀试验结果表明，20号钢的腐蚀速率随CO2体积分数的增大而增大，在CO2体积分数为20%时，20号钢表面出现大量的腐蚀坑。在试验条件下，CO2与H2S的分压比为20

此外，管道弯头内壁发生明显腐蚀的部位表面光滑，无明显疏松状物质存在；未见明显腐蚀的部位表面有一层完整且致密的物质。腐蚀主要发生在管道弯头底部、焊缝及其附近区域、弯头转角部位等，腐蚀表面呈明显的沟槽状，局部腐蚀减薄极其严重，穿孔部位位于焊缝处。由此可判断，管道弯头内壁腐蚀主要是其底部腐蚀介质沉积、流体流向变化对管道弯头造成的冲刷腐蚀所致。冲蚀是高速流体的机械损坏与电化学腐蚀共同作用的结果。发生腐蚀的金属表面呈深或马蹄形凹槽，一般按流体的流动方向进入金属表面层，腐蚀表面光滑，没有腐蚀产物积累[7]。

腐蚀集中在弯头对接焊焊缝附近的主要原因是焊缝处会存在焊渣、焊瘤等，焊口及其附近区域将从两方面加剧腐蚀：一方面，焊口及其附近区域成为活性区，成为阳极，发生腐蚀；另一方面，当流体突然被改变方向时(如弯管)或流体受内壁障碍物(如环焊缝)阻挡时，被迫改变方向的部位，障碍物及其后面的管道所受的冲刷作用加剧，冲蚀就会加剧[8]。

4 结论

(1)管道弯头减薄及穿孔主要是CO2和H2S 的协同腐蚀作用及流体冲刷腐蚀所致。

(2)应避免使用对接弯头。