某L245钢油气输送管道的穿孔原因

2020-12-18丁融

理化检验(物理分册) 2020年7期

丁融

(中石油管道有限责任公司西部分公司，乌鲁木齐 830013)

管道是油气输送的重要载体，油气田集输管道输送的介质一般为油、气和水等多相混合介质，时常混杂有CO2,H2S等酸性气体。管道在温度、流速、压力以及交变应力等多种因素的影响下易发生腐蚀，成为管道运行安全的重大隐患[1-6]。国内某输送管线投产运行3 a(年)左右，在进行壁厚检测过程中，检测人员清理外防腐层后发现管道壁存在多处穿孔。穿孔管道采用L245螺旋缝埋弧焊钢管，规格为φ273 mm×7.1 mm，外表面防腐方式为喷涂厚度不小于150 μm的环氧粉末层加30 mm的高分子材料保温层，内表面未进行防腐处理，管线运行压力为0.3～0.4 MPa，运行温度为52～54 ℃，输送介质为含水量95%(质量分数)左右的油气水混合物。从现场截取穿孔段管道，如图1所示，可见管体有5处穿孔，孔洞沿轴向尺寸最大达到8.1 mm，均位于管道6点钟位置。除穿孔位置外，其余部位防腐层完好。为找出管道穿孔的原因，笔者对其进行了一系列检验和分析，并提出改进措施，以防止此类问题再次发生。

图1 穿孔管道宏观形貌Fig.1 Macro morphology of perforation pipeline

1 理化检验

1.1 壁厚测量

采用MX-5型超声测厚仪，依据GB/T 11344-2008《无损检测接触式超声脉冲回波法测厚方法》测量管道远离穿孔处的壁厚，测量结果为6.4～7.8 mm，满足GB/T 9711-2017《石油天然气工业管线输送系统用钢管》对油气输送管道的技术要求。再每间隔50 mm对穿孔管道3点-9点、6点-12点方向的外径进行测量，测量结果为271.0～275.0 mm，满足GB/T 9711-2017对管道外径尺寸的技术要求。

对6点钟穿孔位置附近进行壁厚加密测量，以环向3 mm、纵向5 mm为间隔画测量网格，如图2所示，测量结果如图3所示。可知穿孔周围的壁厚明显减薄，远低于GB/T 9711-2017标准的要求。

图2 管道6点钟位置壁厚加密测量网格Fig.2 Densification measurement grid of pipeline wall thickness at 6 o′clock position

图3 管道壁厚加密测量结果Fig.3 Densification measurement results of pipeline wall thickness

图4 穿孔管道内表面的宏观形貌Fig.4 Macro morphology of inter surface of perforation pipeline

1.2 扫描电镜分析及金相检验

将穿孔段管道沿轴线剖开，发现管道内壁布满腐蚀坑，且覆盖着一层灰黑色腐蚀产物，灰黑色腐蚀产物与内壁结合强度不高，可以比较容易地从管道内壁上剥离。将管道内壁的灰黑色腐蚀产物去除后，靠近管道基体金属的腐蚀产物呈褐色，如图4所示。在穿孔管道上切取块状试样，采用TESCAN VEGAⅡ型扫描电镜(SEM)对试样内表面的腐蚀形貌进行观察，如图5所示，可见试样内表面被腐蚀产物覆盖，腐蚀坑呈台阶状，腐蚀产物较疏松，基本呈片状分布。

依据GB/T 13298-2015《金属显微组织检验方法》的技术要求，采用MEF3A型光学显微镜对腐蚀坑边缘进行观察，由图6可见显微组织为铁素体(F)+珠光体(P)。

图5 穿孔管道内表面腐蚀坑附近SEM形貌Fig.5 SEM morphology near the corrosion pit on inter surface of perforation pipeline

图6 腐蚀坑周围的显微组织形貌Fig.6 Microstructure morphology near the corrosion pit

依据GB/T 6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》、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》及GB/T 13298-2015的技术要求,采用MEF3A型光学显微镜对远离腐蚀坑区域的显微组织形貌进行观察,并对晶粒度和非金属夹杂物进行评级，如图7所示。可知管道的显微组织为铁素体+珠光体，平均晶粒度为10.5级，非金属夹杂物评级结果为A0.5，B0.5，D0.5。

图7 远离腐蚀坑区域的显微组织形貌Fig.7 Microstructure morphology of the area away from corrosion pit

1.3 腐蚀产物的物相分析

将穿孔管道内壁的腐蚀产物剥离后进行充分研磨，制成粉末状试样，采用X射线衍射(XRD)分析方法对腐蚀产物进行物相分析，结果如图8所示，可知腐蚀产物主要为碳酸亚铁(FeCO3)。采用XFORD INCA350型能谱分析仪对试样内表面及腐蚀坑底的腐蚀产物进行分析，结果如图9和图10所示。可见，试样内表面腐蚀产物主要含有碳、氧、铁、硫等元素；腐蚀坑底的腐蚀产物主要含有碳、氧、铁、硫、氯等元素。

图8 管道内壁腐蚀产物的XRD谱Fig.8 XRD spectrum of corrosion products on the inner wall of pipeline

图9 管道内表面腐蚀产物EDS分析位置及结果Fig.9 a) Analysis position and b) results of EDS of corrosion products on inner surface of pipeline

图10 管道内表面腐蚀坑底的腐蚀产物EDS分析位置及结果Fig.10 a) Analysis position and b) results of EDS of corrosion products at the bottom of corrosion pit on inner surface of pipeline

1.4 输送介质成分分析

表1 管道输送介质成分分析结果Tab.1 Composition analysis results of pipeline transportation medium

1.5 管材化学成分分析

依据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(常规法)》，采用ARL 4460型直读光谱仪对远离腐蚀坑区域的管体进行化学成分分析，结果如表2所示，可知结果符合GB/T 9711-2017对输油管道化学成分的技术要求。

1.6 力学性能测试

采用UTM5305型材料试验机、PIT752D-2型冲击试验机，分别依据GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》和GB/T 229-2007《金属材料夏比摆锤冲击试验方法》，对远离腐蚀坑区域的管体取样进行室温拉伸试验和夏

表2 管体远离腐蚀坑区域的化学成分分析结果(质量分数)Tab.2 Chemical composition analysis results of pipeline body away from corrosion pit area (mass fraction) %

比V形缺口冲击试验。拉伸试样取全壁厚板状试样，规格为38 mm×50 mm(宽度×标距)，拉伸试验前，试样需经冷压平。夏比冲击试验的温度为0 ℃，试样尺寸为5 mm×10 mm×55 mm，V形缺口垂直钢管表面。拉伸试验结果如表3所示，可见拉伸性能符合GB/T 9711-2017的技术要求；3次冲击试验的冲击功分别为87，85，83 J，该标准对L245钢管的冲击性能并无明确要求，但冲击试验结果表明管材具有良好的韧性。

表3 拉伸试验结果Tab.3 Tensile test results

2 分析与讨论

2.1 腐蚀机理分析

壁厚测量结果表明，管道的穿孔均发生在管体的6点钟位置，穿孔周围壁厚明显减薄。金相检验结果表明，管道内表面布满腐蚀坑及腐蚀产物，但显微组织未发现异常。扫描电镜观察发现腐蚀产物呈片状覆盖在钢管内壁；能谱分析表明，内壁腐蚀产物主要包含碳、氧、铁、硫等元素；腐蚀坑底的腐蚀产物主要包含碳、氧、铁、硫、氯等元素，Cl-在腐蚀坑底部富集；X射线衍射分析结果表明，管道内壁上沉积的腐蚀产物主要是FeCO3。同时根据输送介质的分析结果可知，输送介质中HCO3-含量很高，并且Cl-浓度也很高。结合输送介质及腐蚀产物的分析结果，可以判断造成L245钢螺旋焊管管体穿孔的主要原因是输送介质中溶解的HCO3-与Cl-引起的局部腐蚀。

HCO3-对管线的腐蚀机理如下

Fe→Fe2++2e-

(1)

NaHCO3→Na++HCO3-

(2)

2HCO3-+2e-→H2+2CO32-

(3)

Fe2++ CO32-→FeCO3

(4)

2.2 局部腐蚀原因分析

根据现场资料显示，管线的运行温度仅为52～54 ℃。有关资料研究[7-10]认为：当环境温度低于60 ℃时，HCO3-局部腐蚀形成的FeCO3附着力较差，不能形成致密的、具有保护性的腐蚀产物膜。由于输送介质中Cl-浓度非常高，当管线钢发生局部腐蚀后，虽然腐蚀产物(FeCO3)的不断堆积会使腐蚀坑内形成封闭的空间，阻碍内外物质交换，致使溶解的金属阳离子(Fe2+)不易向外扩散，造成阳离子浓度增加，但是，半径较小、浓度又很高的Cl-会较容易的从腐蚀坑外穿透疏松的FeCO3腐蚀产物膜，扩散进入腐蚀坑来维持电价平衡，从而形成孔蚀核，不断加速金属表面腐蚀速率、加深孔蚀深度；与此同时，由于Fe2+的水解，腐蚀坑内介质的酸性不断增加，进而影响了腐蚀坑内金属表面腐蚀产物膜的形成和覆盖，加速了腐蚀坑内金属阳极的溶解速率，即发生“自催化酸化作用”造成孔蚀。Cl-在腐蚀反应中只起到催化作用，Cl-本身并不会生成相应的腐蚀产物,因此在内壁腐蚀产物的XRD谱中并没有发现含有氯元素的物质。当管道内壁持续减薄直至剩余壁厚不足以承受管线输送压力时，就会发生腐蚀穿孔泄漏失效事故。在管线运行过程中，6点钟位置始终与输送介质接触，相对于管线的其他位置，6点钟位置腐蚀更加严重，因此，穿孔均发生在管线的6点钟位置。