南海海域某油田海底管道腐蚀剩余寿命评估

2015-11-29周莉

石油化工腐蚀与防护 2015年3期

周莉

(中海石油(中国)有限公司番禺作业公司，广东深圳 518067)

随着国内经济发展对原油需求量与日俱增，海上油气田的开采越来越受重视。海底管道作为海上油气田生产的主要设施，海底管道若发生腐蚀泄漏，不仅会引起设备更换、平台停产等巨大的经济损失，还会造成严重的环境污染。近年来，南海油田陆续出现海底管道因腐蚀发生泄漏的事故，严重影响了正常的生产，如何防止海底管道泄漏，更好地监测海管运行的状况和腐蚀现状，成为油田十分关心的问题。因此，加强海底管道的安全管理十分必要，特别是对已服役海管的寿命评估就显得更为重要。

选用南海某油田已经运行3 a 的海管，对其进行化学成分、金相组织、机械性能等测试分析，并对其腐蚀微观形貌进行观察，从而对其内腐蚀情况进行评估，然后利用基于腐蚀速率的预测方法，对海管的剩余寿命进行评估。

1 海管工况

海管的规格:外径323.9 mm;海管壁厚12.7 mm;材质为API 5L X65。日平均输送量为9 965 m3/d，平均流速为1.65 m/s，平均含水率为62.3%。内管入口平均压力1.517 MPa，入口平均温度87.9 ℃。硫化氢质量分数最高为350 μg∕g，CO2最高体积分数25%。

2 宏观分析

由图1 可见，外壁腐蚀轻微。肉眼观察内管内壁有不同程度的腐蚀，但未见明显局部腐蚀坑。

用腐蚀液(1.19 g/mL 盐酸1 L，三氧化二锑20 g，氯化亚锡50 g)将海管试样表面腐蚀产物清除后测量壁厚。

图1 宏观腐蚀形貌

表1 超声波测厚结果 mm

由表1 可见，测量最小壁厚为10.96 mm，最大壁厚为12.69 mm。壁厚减薄严重区

集中在4 点半到7 点半位置，其中6 点位置壁厚减薄最严重，根据管壁减薄量，计算均匀腐蚀速率0.256 7 mm/a。

3 性能测试分析

3.1 金相分析

按GB/T 10561-2005 标准，进行金相分析(结果如图2 所示)，金相组织为铁素体+珠光体。按GB/T 6394-2002 标准对材料晶粒度评定，晶粒度为9.5。

图2 金相组织

3.2 化学成分分析

化学成分分析结果见表2。由表2 可见，化学成分均满足API Spec 5L-2007 对X65 的规定。

表2 化学成分分析 w，%

3.3 机械性能分析

对管体进行机械性能测试，拉伸、冲击、硬度测试结果分别见表3、表4、表5 所示。由表3～5可见，管体拉伸性能、冲击韧性及硬度均符合API Spec 5L-2007 对X65 要求。

表3 拉伸性能测试

表4 冲击性能测试

表5 硬度测试

4 腐蚀微观形貌测试分析

4.1 腐蚀形貌分析

清洗后试样表面微观形貌见图3。扫描电镜200 倍下观察，均出现明显局部腐蚀。用金相显微镜和千分尺测量不同管段内腐蚀坑的最大深度，腐蚀坑最大深度为1.74 mm。腐蚀坑最大深度，计算最大局部腐蚀速率为0.58 mm/a。

4.2 腐蚀产物分析

对海管内壁的腐蚀产物，进行EDS 和XRD分析，以确定腐蚀产物的成分，从而确定腐蚀类型。腐蚀产物能谱分析结果见表6。由表6 可见，腐蚀产物主要由C，O，Fe，Cl，S，Ca，Si 等元素组成。图4 为腐蚀产物XRD 分析结果，由图4 可见内壁腐蚀产物有FeCO3，SiO2，Fe3O4和CaCO3。FeCO3为CO2腐蚀产物，Fe3O4是FeCO3的氧化产物或是在空气中放置后氧腐蚀的产物，X 射线衍射分析的CaCO3为沉积物，SiO2为井内携带物，后两种并非腐蚀产物，结合EDS 分析结果可以判断海管内部为CO2腐蚀。

图3 腐蚀形貌SEM 分析

表6 腐蚀产物EDS 分析

图4 腐蚀产物XRD 分析结果

4.3 腐蚀原因分析

CO2腐蚀过程包括［1］:

碳酸分两步水解:

因为H2CO3第二步水解非常微弱，可忽略不计，所以可以认为溶液中的H2CO3是以H+和存在的。在CO2腐蚀反应中，铁的溶解反应包括:

所以，反应产物主要是FeCO3。

同时，H2CO3吸附在金属表面，未离解的H2CO3分子可直接被还原，随后氢原子快速结合成氢分子;氢原子从电解质溶液扩散到金属表面，与再化合形成H2CO3。因此，CO2溶于水生成的H2CO3比某些完全电离的酸有更高的腐蚀性［2］。

对于CO2腐蚀，局部腐蚀穿孔是其主要失效形式。由于CO2腐蚀形成的产物通常是晶体，堆垛之间必然有空隙，造成膜本身存在大量缺陷，而且由于膜脆性很大，容易破损或脱落。产物膜的局部脱落造成局部腐蚀的发生，形成腐蚀坑。腐蚀坑内发生酸化自催化效应，使局部腐蚀加剧，图5 为腐蚀坑内的酸化自催化效应示意图［3］。

图5 点蚀坑内酸化自催化效应示意

在蚀坑内部:局部腐蚀导致的腐蚀电流，使氯离子向坑内迁移而富集;金属离子的水化，使坑内溶液酸化，腐蚀电位降低;坑内溶液浓度加大，导电性提高。所有这些，致使坑内金属处于活化状态，发生阳极溶解反应。在蚀坑口部:形成一层水化物的外皮，阻碍了扩散和对流，使孔内溶液得不到稀释。在蚀坑周围:作为阴极受到保护，同时阴极反应产生的碱促使钝化，阻抑了蚀坑周围金属的腐蚀。高Cl-含量也是加速油管局部腐蚀的重要因素，由于在腐蚀介质中存在大量的Cl-，点蚀发生后Cl-向点蚀坑内的迁移以及腐蚀产物在蚀孔外部的堆积，使电解质溶液的扩散传质过程受到阻碍，导致点蚀坑内部酸化，蚀坑内部的电极电位小于外部电极电位，具有大阴极-小阳极的典型特征，并且随着蚀坑内部进一步酸化，自催化效应越来越强，导致材料发生严重局部腐蚀。