集气管道绝缘接头非阴极保护侧腐蚀穿孔失效分析

薛继军，史盈鸽

1.西安石油大学机械工程学院（陕西西安 710065）

2.西安摩尔石油工程实验室股份有限公司（陕西西安 710065）

1 现场概况

外加电流阴极保护已经成为石油工业中一种常见的、成熟的管道外防腐保护措施[1]。绝缘接头作为阴极保护体系中不可或缺的部件，用来连接施加阴极保护管段和未保护管段，但油田现场集输管线在应用阴极保护时，常常发生绝缘接头的失效[2-4]。某作业区集气汇管，全长10 880 m，输送介质为油气混输，管线采用API-X60 无缝钢管，规格Φ219.1 mm×14.3 mm，自2003 年投用，至今已运行十几年。近期该管线实际输量为天然气13×104m3/d、油130 t/d，管道运行温度50～60 ℃，运行压力11～13 MPa，输送介质综合含水为0.8%。为避免管道腐蚀，采取了牺牲阳极式阴极保护，牺牲阳极为镁阳极。2018 年9 月发现该管道有油气渗漏现象，经排查发现，泄露处绝缘接头内部管体焊缝腐蚀穿孔，介质在绝缘接头封闭焊缝处发生泄漏。

综上所述，为了调查此次绝缘接头失效原因，并避免该现象的再次发生，提高输气管线的使用寿命，针对集气管线绝缘接头非保护侧腐蚀泄露问题展开失效分析，通过物相分析、微观形貌、腐蚀产物分析、腐蚀机理探讨等，确定管道内腐蚀泄露原因。

2 宏观分析

图1为绝缘接头泄露部位及非阴极保护侧管体腐蚀宏观形貌，观察图1（a）发现，泄漏发生于绝缘接头焊缝周围。对管体内壁进行放大观察如图1（b）所示，可以明显看到，管体内壁腐蚀严重，存在大量腐蚀凹坑，且这些凹坑主要集中在管壁下端，即与介质相接触侧，管体上部未见明显腐蚀。

图1 绝缘接头泄漏部位及短管腐蚀宏观形貌

3 实验结果及分析

3.1 组织形貌分析

采用线切割将试样加工成尺寸为12 mm×12 mm×6 mm的块体，使用JXA-8530F Plus场发射电子探针对样品进行SEM 形貌观察，结果如图2 所示。观察图2（a）—2（d）可知，保护侧和非保护侧为同一种组织，均为铁素体+珠光体。由SEM 显微组织图可知，绝缘接头两侧组织未见明显差异，故可排除由于异种金属连接造成的电偶腐蚀。由图2（e）、2（f）可看出，焊接部位相较于保护侧及非保护侧组织形貌较差，分布较为杂乱，无明显取向，这是由于焊缝表面成分和凝固条件比较复杂所导致。

图2 不同位置SEM形貌

3.2 腐蚀产物分析

绝缘接头非保护侧发生严重的局部腐蚀，采集腐蚀重灾区表面反应产物，对产物的物相结构、化学成分进行局部分析，确定腐蚀过程及腐蚀机理。

图3为绝缘接头非保护侧不同倍率下SEM腐蚀形貌图。观察图3（a）可发现，低倍率下样品表面全部被腐蚀产物覆盖，腐蚀层较厚并且呈片状形貌，对其进行放大观察见图3（b），可以看到腐蚀层中有许多凹坑（如箭头所示），表明接头处腐蚀主要以局部腐蚀为主。对比图3（c）、3（d）可知，腐蚀膜疏松并全部破裂，在腐蚀介质中其保护性较弱。

图3 绝缘接头非保护侧SEM腐蚀形貌

由于油气管线内腐蚀介质成分复杂，腐蚀产物成分复杂、不单一，采用EDS 能谱对腐蚀产物的成分进行定性分析，结果如图4 所示。由图4 可以看出，腐蚀产物成分主要包含C、O、Fe元素，还包含少量的Si、Mn、Na、S 等元素。除了接头材料的物质以外，管壁内部腐蚀产物还存在Cl、S、C 和O 元素，这是导致管体发生腐蚀的环境因素。

图4 腐蚀产物EDS图

3.3 力学性能

采用CSS-2205 型电子万能试验机对样品进行拉伸性能测试，分别在保护侧、非保护侧、绝缘接头3 个部位各取3 块试样，试验方法参照GB/T 228—2002《金属材料室温拉伸试验方法》执行，加载速率为6 mm/min。为便于数据比较，结果采用平均数值进行统计，测试结果见表1。

根据GB/T 9711—2017《石油天然气工业管线输送系统用钢管》标准，由表1 中数据可知，保护侧及非保护侧试样的平均抗拉强度、平均屈强比及平均延伸率均符合标准要求，而保护侧试样平均屈服强度略高于标准要求上限。绝缘接头处样品平均抗拉强度为511.33 MPa，低于SY/T 0516—2016《绝缘接头与绝缘法兰技术规范》要求的≥540 MPa，不符合绝缘接头设计要求。

表1 不同部位样品拉伸性能

4 腐蚀机理分析

在非保护侧接头内腐蚀严重区域和腐蚀较弱区域取样进行XRD分析，从结果可知腐蚀产物主要为FeCO3和Fe2O3。FeCO3的形成主要是由于油气中含有大量的CO2，在一定压力和流速中容易发生二氧化碳腐蚀[5-6]。

CO2的腐蚀机理是CO2气体与溶液中的水发生反应生成弱酸碳酸，对管线金属进行腐蚀，反应方程如下所示：

CO2腐蚀会在管道内壁形成一定的沉淀物即FeCO3，该沉淀物附着在管道表面，腐蚀速率受到了一定的影响[7-8]。由于沉淀区域的差异化和沉淀厚度的不同，使得区域之间形成了较强的腐蚀电偶，发生电化学作用，常常会导致CO2的局部腐蚀更加严重[9]。

Fe2O3的形成主要由化学腐蚀和电化学腐蚀生成。化学腐蚀：

在电解液中电化学腐蚀Fe 和C 与电解质溶液构成了原电池：

接着Fe(OH)3分解生成了Fe2O3。

5 分析讨论

通过对样品进行组织形貌分析，结果表明保护侧和非保护侧为同一种组织，均为铁素体+珠光体，绝缘接头两侧组织未见明显差异，故可排除由于异种金属连接造成的电偶腐蚀。焊接部位相较于保护侧及非保护侧组织形貌较差，分布较为杂乱，无明显取向。这是由于焊缝表面成分和凝固条件比较复杂所导致。

通过腐蚀形貌和腐蚀微区成分表明：腐蚀主要以局部腐蚀为主，腐蚀膜破裂严重的地方微区成分含有少量的Mn、Si 等不易腐蚀元素，表明接头微观组织内含有Mn、Si 等相作为阴极加速了电偶腐蚀。腐蚀产物XRD表明，腐蚀产物主要为FeCO3，推测介质内溶有大量的CO2，使介质整体呈现弱酸性，绝缘接头材质与管线段偶接，对这种环境表现出很强的敏感性，腐蚀倾向加强。力学性能结果表明，保护侧及非保护侧试样力学性能符合标准要求，绝缘接头处样品平均抗拉强度为511.33 MPa，低于SY/T 0516—2016《绝缘接头与绝缘法兰技术规范》要求的≥540 MPa，不符合设计要求。

综上所述，绝缘接头的失效，主要是由于非保护侧发生CO2局部腐蚀，在管体薄弱的焊接处尤为严重，腐蚀由内壁发生、发展，最终形成刺漏，导致绝缘接头失效。