油田内涂层管道腐蚀泄漏原因分析

2020-07-11

油气田地面工程 2020年7期

长庆油田分公司第一采油厂

随着油田的开发，原油含水不断上升，集输管道腐蚀日趋严重[1-2]。为了减缓介质对管道的腐蚀，近年来，长庆油田采用环氧玻璃纤维复合内衬涂层（HCC）对集输管道进行内防腐，该工艺对管道要求较高。内涂施工前，必须对管道进行整体确认[3]，施工管段中不得有三通、阀组，管道焊缝不得有焊瘤，对口错变量不得超标，管径、壁厚应相同，弯头必须与无缝钢管的壁厚一致。

通过多年对管道实施环氧玻璃纤维复合内衬涂层，管道防腐效果明显，腐蚀泄漏事件明显减少，但也存在一些问题。如某采油厂X站外输管道采用环氧玻璃纤维复合内衬，运行36 个月就发生腐蚀泄漏。经现场开挖检查，发现有连续多道直管段焊缝部位发生腐蚀泄漏。本文以X站外输管道泄漏为例，查找管道泄漏原因，以避免同类质量问题再次发生，为后续施工提供借鉴[4]。

1 泄漏管线概况

X 站外输管道全长5.4 km，管道材质为20#钢，规格为Φ114 mm×5 mm，设计压力6.3 MPa，管道采用手工电弧焊焊接，V 型坡口，坡口角度65°～70°，钝边0.5～1 mm，对口间隙2.0～2.5 mm；管线外防腐层采用环氧粉末普通级结构，保温层采用硬质聚氨酯泡沫塑料，保护层为聚乙烯塑料。内壁采用环氧玻璃纤维复合内衬涂层（HCC）普通级防腐，涂层设计厚度200 μm。2016 年9 月施工完成并投运，2019年9月发生腐蚀泄漏（图1）。

图1 管道泄漏部位Fig.1 Leaking parts of pipeline

2 管道泄漏部位宏观观察

对管道泄漏部位进行宏观检查，发现管口及焊缝部位外防腐涂层已脱落，存在轻微腐蚀，但无腐蚀产物，在管道安装运行时的11 点钟位置的焊趾部位有一直径3 mm的圆形穿孔。

对泄漏管道进行解剖观察，管道内壁泄漏部位的焊缝及管体内壁涂层已脱落，表面存在一层黄褐色锈蚀产物，在一侧焊趾部位，有多个直径、深度不一的腐蚀凹坑和1个直径3.5 mm的圆形喇叭状穿孔。管体内壁其他部位涂层未脱落，但焊缝部位的涂层粘结牢固性较差，用小锤轻轻敲打，涂层就会脱落。

对管道内壁焊缝进行观察和测量，根部焊缝表面成型较差[5-6]，焊缝宽度在2.0～3.5 mm之间，焊缝余高最低为0.5 mm，最高为4 mm，有256 mm长度的焊缝余高在2.5～3.5 mm之间，约占焊缝总长度的85%，整条焊缝形成环状凸起[7]（图2）。

图2 管道内壁焊缝形状Fig.2 Inner wall weld shape of pipeline

3 管材理化性能分析

在泄漏管道上截取试样开展理化性能和金相组织分析，检测管道材质是否满足标准要求。试验项目包括化学成分分析、力学性能测试和金相组织分析。

3.1 化学成分分析

管道化学成分测试结果如表1 所示。结果显示，泄漏管道样品的化学成分符合标准GB/T 8163—2018的要求。

表1 化学成分分析结果Tab.1 Chemical composition analysis results 质量分数/%

3.2 拉伸性能试验

管道母材的拉伸试验结果如表2所示。结果表明，样品钢管的抗拉强度、下屈服强度、断后伸长率均满足标准要求。

表2 拉伸试验结果Tab.2 Tensile test results

3.3 管材金相组织分析

依据标准GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》、GB/T 4335—2013《低碳钢冷轧薄板铁素体晶粒度测定方法》等有关标准，对泄漏管道取样进行金相分析。结果表明：泄漏管体金相组织为F（铁素体）+P（珠光体），未发现组织存在明显异常；晶粒度评级结果为10.0 级，管材晶粒度较细，无异常；非金属夹杂物评级结果也无明显异常（图3）。

图3 管材金相组织Fig.3 Metallography of pipeline

4 涂层性能分析

4.1 涂层壁厚测量

将泄漏管段沿径向剖开，采用超声测厚仪，依据标准GB/T 11344—2008《无损检测接触式超声脉冲回波法测厚方法》对管道内壁涂层厚度进行测量，选取焊缝及焊缝两侧各150 mm处的3个环型截面作为测量位置，每个截面共测量4个点，分别位于管道安装运行时的3 点、6 点、9 点及12 点钟位置。测量示意图如图4所示，测量结果如表3所示。

图4 涂层厚度测量位置示意图Fig.4 Diagram of coating thickness measurement position

表3 涂层厚度测量结果Tab.3 Coating thickness measurement result

通过对管道焊缝及两侧12 个位置点的涂层厚度测量结果可以看出，管体部位涂层厚度均符合标准要求[8]。而管道焊缝位置的涂层厚度在130～160 μm之间，平均厚度为145 μm，低于标准要求的普通级防腐层干膜厚度不小于200 μm 且不得低于管本体防腐层规定厚度的80%要求。

4.2 涂层附着力测定

依照SY/T 0442—2010《钢质管道熔结环氧粉末内防腐层技术标准》附录G的要求，采用撬剥法对管道管体部位防腐涂层附着力进行测定。试验结果为涂层附着力2级（被撬离的防腐层小于或等于50%），符合标准要求。

4.3 涂层耐原油试验

依照GBT 9274—1988《色漆和清漆耐液体介质的测定》，采用浸泡法，将管道试件放入80 ℃原油介质中浸泡720 h。测试结果显示：涂层外观无变化，防腐层外型完整，无起泡，无脱落。

4.4 涂层耐油田污水试验

依照GBT 1733—1993《漆膜耐水性测定法》，采用浸水试验法，将管道试件放在80 ℃的油田污水中，浸泡1 000 h 以上。结果显示：涂层外观无变化，防腐层完整，无起泡，无脱落，符合标准要求。

4.5 涂层耐阴极剥离试验

依照SY/T 0442—2010《钢质管道熔结环氧粉末内防腐层技术标准》附录C的要求，对管道防腐涂层进行耐阴极剥离试验，试验结果（表4）表明涂层耐阴极剥离试验符合标准要求。

表4 防腐层耐阴极剥离试验结果Tab.4 Test result of anti-corrosion layer cathodic disbondment mm

5 管道焊缝根部超高影响分析

焊缝根部超高对管道的影响很大[9]，根焊缝过高，焊缝的横截面会增大，焊趾处夹角θ增加，转角半径r减小，焊趾处过渡不圆滑，造成管道对接接头的应力增大和集中，严重时形成应力腐蚀裂纹，焊缝应力分布如图5 所示。焊缝的余高愈大，应力集中程度愈严重，焊接接头的强度反而会降低[10-11]。同时，焊缝余高大，对输送介质的摩擦阻力增大，造成输送介质的损失增加，使输送管道的能耗增加。

图5 焊缝应力分布示意图Fig.5 Distribution diagram of weld stress

管道对接接头焊缝根部余高大，导致管道内径减小，在进行管道内涂施工作业时，易造成清管器和涂敷器划伤和卡堵。

管道内壁焊缝超高，在内涂施工喷砂除锈时，压缩空气携带石英砂从管口一端向另一端喷射，在焊缝部位会形成迎风面和背风面（图6）。在焊缝的背风面焊趾部位，存在1 个小的“避风港”，导致该部位除锈质量达不到标准要求的Sa 2.5级，且背风部位的沙粒、尘埃、锈粉等微尘不易清除干净，从而影响涂层的粘接牢度。

图6 焊缝部位喷射除锈示意图Fig.6 Diagram of derusting by sandblast in the weld part

管道对接接头焊缝根部余高大，内涂施工时涂敷器受到的挤压力增加，造成焊缝表面涂层厚度减薄，而焊趾部位涂层厚度增大，质量增加，固化干燥时间延长，涂层粘接力下降。

管道对接接头焊缝根部余高增大，在管体焊缝部位会形成瓶颈，输送介质流经焊缝部位时流体阻力增加，压力升高，对涂层和焊缝的冲刷力增加，导致涂层过早疲劳，发生鼓包、开裂、脱落失效（图7）。

图7 焊缝部位涂层失效图Fig.7 Diagram of coating failure in the weld part

6 管道腐蚀泄漏原因分析

通过对管道材质、机械性能和金相组织进行分析可以看出，管道的化学成分、机械性能均符合标准要求，金相组织检测也未发现明显异常。因此，管道腐蚀泄漏的影响因素，首先剔除管道材质的原因。

对管道泄漏部位进行宏观检查，发现管口及焊缝部位外防腐涂层已脱落，存在轻微腐蚀，但无腐蚀产物，在管道安装运行时的11 点钟位置的焊趾部位有1直径3 mm的圆形穿孔。

对泄漏管道进行解剖观察，管道内壁泄漏部位的焊缝及管体内壁涂层已脱落，表面有一层黄褐色锈蚀产物，在一侧焊趾部位，有多个直径、深度不一的腐蚀凹坑和1 个直径3.5 mm 的圆形喇叭状穿孔。因此可以判定，管道腐蚀泄漏是由内腐蚀造成的，是管道内壁焊缝和母材熔合部位防腐涂层脱落失效，受到输送介质腐蚀造成的；虽然管口及焊缝外部存在轻微外腐蚀，但不是导致管道泄漏的主要原因。

对管道内壁涂层的厚度及性能进行测试和分析表明，除管道焊缝位置的涂层厚度低于设计和标准要求外，管道其他部位的涂层厚度和各项性能指标均符合标准要求。管道焊缝的涂层厚度低于设计和标准要求，且在运行过程中发生脱落，主要是由于管道内壁根部焊缝超高造成的。

管道内壁焊缝超高，焊缝部位的管道内径减小，形成环状凸起，内涂喷砂除锈施工时，在两个焊趾部位分别形成迎风面和背风面。在背风面的焊趾部位，喷砂除锈质量达不到标准要求，且该部位沙粒、尘埃、锈粉等微尘不易清除干净，影响涂层的粘接牢固性，导致涂层粘结力减小，焊缝部位涂层厚度减小等质量缺陷。管道运行时，凸起的焊缝部位流体阻力增加，在输送介质冲刷腐蚀作用下，焊缝部位涂层脱落，焊趾处发生应力点蚀[12]，并由内向外不断发展，最终穿透管壁，导致管道失效。因此，管道焊缝根部超高是导致管道腐蚀泄漏的主要原因。