海洋平台海水系统铜镍合金管道腐蚀的原因分析

2019-03-11高德洁李印全王传忠沈召斌

石油工程建设 2019年1期

关键词：短节扫描电镜穿孔

王鑫，高德洁，李印全，王传忠，沈召斌

1.海洋石油工程股份有限公司，天津 300452

2.中国石油管道局工程有限公司天津分公司，天津 300452

2018年2月5日，渤海某海洋油气田生产平台上的海水系统有一处B10铜镍合金管道短节发生腐蚀穿孔，现场将该短节进行了替换处理，由于B10铜镍合金管道被海水腐蚀情况实属罕见，因而将腐蚀穿孔短节运返陆地进行重点检测分析。

1 实验检测

1.1 化学成分分析

1.1.1 取样

从短节的内表面取样（见图1），进行化学成分分析，取样前将内表面的腐蚀产物用机械方法清理。

图1 化学取样位置

1.1.2 成分分析结果

采用碳硫分析仪（CS800）和全谱直读等离子体发射光谱仪（ICP），依据GB 5121.4-2008、GB/T5121.27-2008进行成分检测[1-2]，短节实测化学成分见表1。从表1可以看出，化学成分满足要求。

表1 实测化学成分

1.2 金相组织分析

1.2.1 取样

金相试样从短节的侧边取样，试样包括焊缝区域，内部焊缝余高约2 mm，如图2所示。

图2 金相取样试样

1.2.2 金相分析结果

采用ZEISS Observer Z1m金相显微镜对1#～2#试样进行金相组织检验，检验标准采用YS/T 448-2002《铜及铜合金铸造和加工制品宏观组织检验方法》、YS/T 449-2002《铜及铜合金铸造和加工制品显微组织检验方法》、GB/T 6394-2002《金属平均晶粒度测定方法》。据检测，短节腐蚀处热影响区金相组织为孪晶α，晶粒度为7.5级，短节腐蚀处非热影响区金相组织为孪晶α，晶粒度为8.5级。试样金相组织见图3，可见试样金相组织正常。

1.3 扫描电镜形貌分析

1.3.1 取样

在进行扫描电镜观察前用丙酮清洗试样表面，确保表面没有泥土、海洋生物等杂物，扫描电镜取样位置见图4。

1.3.2 扫描电镜分析结果

腐蚀坑分别放大100倍、200倍和500倍后的微观形貌如图5所示，从图5中可以看出，腐蚀坑内B10合金表面的钝化膜已大面积脱落。

图3 金相组织

图4 扫描电镜取样位置

1.4 腐蚀产物能谱分析

利用扫描电镜对腐蚀产物进行能谱分析，结果如表2所示。因B10合金的钝化膜是富铁膜，而其他元素含量对膜的形成及稳定影响较小，故主要对比腐蚀坑内外的铁元素能谱分析结果。从表2可以看出，坑外的腐蚀产物成分铁元素含量相对较高，说明铁元素在合金表面富集，钝化膜存在；坑内的腐蚀产物中铁元素含量较低，说明腐蚀坑内B10合金表面的钝化膜已被破坏。

2 综合分析

经过一系列实验检测，表明受腐蚀短节化学成分符合要求，焊接热影响区域无缺陷，而已形成的钝化膜被破坏是造成腐蚀穿孔的主要原因，由此对几种可能导致该问题的常见因素进行分析。

图5 扫描电镜微观形貌

表2 腐蚀产物能谱分析

2.1 焊接热影响因素

管道腐蚀穿孔处如图6所示，腐蚀穿孔点位于短节中一段长约55 mm的直管段部分，现行标准规范中对于直管段并无两条焊缝间距大于或等于管段直径的要求，只要相互避开其他焊缝的热影响区，焊后检验合格即可。因铜镍管道采用手工氩弧焊进行焊接，该工艺焊缝热影响区宽度在2～5 mm之间，因此位于直管段两端的焊缝热影响区不会重合，完全可以避开，由此可知焊接热影响在正常范围内，并未导致母材退变进而造成腐蚀。

2.2 流速因素

该平台海水系统处管道设计模拟流速2.5 m/s，在设计允许范围内，经出海现场调研，启泵压力可达0.9 MPa，正常工作压力为0.65 MPa，根据计算，当管道内海水达到满负荷流量时，水流速度约2.21m/s。其中受腐蚀管段两端各有1条环焊缝，存在约2 mm焊缝余高，会产生轻微的激流效应，造成该处海水流速有小于10%的局部增速，因此推断该处为整个海水系统流速的极限位置，该处流速约为2.43 m/s，参考实际经验以及行业内实验，海水流速在3.0 m/s以下不会发生合金管冲击腐蚀破损[3]，因此不会因流速过快造成钝化膜冲刷破损。

图6 腐蚀穿孔的短节

2.3 管道材质因素

海水通常为中性或弱碱性，设计选型采用铜镍材质不存在问题，但经过现场调研，发现平台上多个与海水接触的系统均有不同程度腐蚀，如海水消防系统中柴油消防泵泵轴点蚀，海水冷却系统中主发电机不锈钢管道、铜镍接头腐蚀。众多材料（包括多种材质）分别由不同厂家供货，由此推断出现腐蚀为共性问题，并非管道材质选型及母材质量原因导致。