渤海某油田回注井油管连接件腐蚀分析

张 浩

（中海油能源发展股份有限公司，天津 300452）

0 引言

为了污水回注节能环保的同时，达到注采平衡，补充地层能量；中海油渤海油田为了满足油田稳产除了油井外投用相应的污水回注井。不同注水井的根据油田不同地层开发配制了注水层位。某渤海油田生产污水回注井，该井配制了不同注水层位，现场发现不能有效的将生产污水配注到需求地层。基于此，油田现场对该井实施修井作业，发现了相应的油管连接件腐蚀，并对此进行分析，查找腐蚀原因并给出应对措施。

1 研究对象

作业过程取出油管单根，从上层开始取，取到第45根油管开始直到井底的所有油管单根，在两根油管的连接处均发现油管本体完好、连接件腐蚀的现象。

从该现象可以看出正是因为连接件连接处的腐蚀导致了油管连接不能密封，注水通过连接件腐蚀处漏出，导致配注的污水不能回注到相应的地层。具体照片如下：

图1（a）为腐蚀失效件现场井下取出时的形貌状态。图1（b）为腐蚀件取回40d后的宏观形貌。取回后，研究件在空气中长期放置，大气腐蚀的影响也较为明显，腐蚀件表面存在较为致密的腐蚀产物。

图1（a）为现场作业时当场拍照的注水井油管连接件的表观形态。明显看出连接件两端腐蚀严重、中间较为轻微；腐蚀状态的走向是两边向中间扩散、纵向发展，局部点腐严重。根据腐蚀形态来看，油管连接件腐蚀并不是整个面上都有，呈现的状态具有方向性；而对应的注水井油管灌注相对得到保护，腐蚀较轻微。

2 腐蚀件测试数据

2.1 元素分析

试验仪器：金属光谱分析仪

试验对象：油管短节、连接件

具体如表1所示。

表1 测试件化学元素组成

数据分析： 二者材质相近， 碳含量在0.25%～0.6%之间，属于中碳钢。中碳钢焊接性能较差，印证油管之间采用螺纹连接、而不是焊接。从二者腐蚀的情况来看，油管得到保护、连接件发生腐蚀，说明二者材质或者金相组织可能不同。

表2 油管、连接件试样硬度测试数据表

2.2 硬度测试

试验仪器：维氏、洛氏硬度仪

试验对象：油管短节、连接件

分别截取油管和连接件试样，进行磨平、抛光制样；进行硬度测试，以表2中分别是两种试样的维氏硬度和洛氏硬度测试结果。

根据以上硬度测试对比，可以看出油管的硬度高于连接件。

在不考虑加工硬化的影响因素下，维氏硬度与拉伸强度的关系如下：

从而根据维氏硬度值，计算出来理想状态下的油管近似拉伸强度约925.96MPa、连接件的近似拉伸强度约882.84MPa。对比二者近似强度，显然油管的近似强度比连接件要高约43MPa。

2.3 拉伸试验

试验仪器：金属拉伸试验机。

试验对象：油管短节、连接件。

考虑到油管、连接件的实际壁厚的差别，连接件带处的厚度更薄，测量其厚度小于1.2cm，难于从腐蚀件中截取到标准的拉伸件，因此只能制作非标的板状拉伸试样。

试样加工完成，用万能拉伸试验机进行测试，对比如表3所示，分别是油管和连接件的常温拉伸强度数据。

从以上测试数据来看：

（1）油管没有发生明显的屈服现象，连接件拉伸过程发现屈服现象；

（2）油管的机械性能更高。

2.4 腐蚀产物分析-扫描电镜

试验仪器：扫描电子显微镜

试验对象：腐蚀严重的连接件断口

对比油管，考虑到连接件发生了明显腐蚀。因此，在连接件原始的断口形貌下，用扫描电镜扫描，观察其具体形貌。具体如图2所示。

从图2可以看出：

（1）图2（a）是扫描电镜放大1000倍的连接件断面形貌。可以从此图看到，腐蚀坑底与腐蚀坑周边形貌的差别，腐蚀坑底的表面更为粗糙；

表3 油管和连接件的拉伸试验结果

（2）在此基础上针对图2（a），再进一步局部放大，用扫描电镜进一步观察，如图2（b）所示。可以从图中看出，腐蚀坑底部的局部放大图，能看出细致的微裂纹的出现；而腐蚀坑底部稍远处，有较多的突起小球状的形貌；

（3）依据此，可以初步分析，由于腐蚀端口存在微裂纹，表面的腐蚀产物膜不完整，不能很好的保护金属基体；腐蚀介质由此作为通道进入，接触金属本体，进一步导致基体的腐蚀加剧。

2.5 腐蚀产物分析-能谱分析

试验仪器：能谱分析仪

试验对象：腐蚀严重的连接件断口腐蚀产物

对腐蚀件表面的腐蚀产物也进一步进行了分析；通过能谱分析，确定其相关的影响因子。具体如图3所示。

从以上图中可以看出：

（1）氧和铁含量在腐蚀产物中占有较高比重，但是也能看到氯、碳、钾、镁、钙等元素的存在；

（2）由于腐蚀件在大气中暴露的周期比较长，因此氧的存在使其产生腐蚀；

（3）其中的氯、碳、钾、镁、钙等元素存在，因为注水介质本身存在这些离子，这些离子在回注污水中存在，回注污水作为电解质存在，使得腐蚀件发生了电化学腐蚀。

2.6 电化学分析

试验仪器：电化学工作站

试验对象：油管短节、连接件

分别针对腐蚀件的油管和连接件进行电化学分析。具体以5%的氯化钠水溶液模拟海上油田回注污水；在常温状态下测试不同材质的极化曲线和交流阻抗谱，具体如图4和图5所示。

从油管和连接件的极化曲线可看出：（1）油管的腐蚀电位高于连接件；（2）连接件的自腐蚀电流密度约是10倍于油管。油管和油管之间通过连接件来连接，油管的耐腐蚀等级远高于连接件，必然连接件更易于腐蚀。

从油管和连接件的交流阻抗谱图也可以看出：油管的电阻是连接件的4倍左右。电阻越高，电流越小，腐蚀越难发生，也印证了连接件的腐蚀更严重于油管。

2.7 数据分析

根据腐蚀件本身的表面腐蚀形貌和现场的腐蚀工况来看：

（1）油管和连接件的连接处发生了严重的腐蚀现象，产生了腐蚀失效行为；具体腐蚀为不同金属间，由于注水水质作为电解质情况下发生的电化学腐蚀，主要表现为局部腐蚀和电偶腐蚀；

（2）根据腐蚀件，进行了失效原因分析。从分析结果可以看出，连接件和油管二者的化学组分接近，但是金相组织或材质有所区别，从而导致其机械性能不同；

（3）对腐蚀产物进行了分析，腐蚀产物中主要有Fe和O；也存在氯、碳、钾、镁、钙等元素。考虑到取回的腐蚀件，对比取出时候和送回陆地后的表观形貌差别大，失效件表面在大气中发生了全面腐蚀，产生了较为严重的铁锈。因此O的腐蚀主要为后期未保护好连接件产生的腐蚀，而其他存在元素是在地层中由于回注污水中存在的离子，从而组成了电解质，形成了腐蚀环境；

（4）通过电化学测试，也可以看出油管和连接件连接，油管腐蚀更为轻微、连接件腐蚀更为严重，二者结合形成了电偶腐蚀；在两者和回注污水作为电解质情况下，形成电偶腐蚀。在此腐蚀介质环境中，形成了油管是大阴极，得到保护；连接件是小阳极，加剧腐蚀。这种情况是典型的大阴极-小阳极电偶腐蚀现象。此时，连接件作为阳极发生溶解，阴极发生了吸氧腐蚀；

（5）油管和连接件通过螺纹连接紧固，在紧固的过程中，连接处存在一定的应力集中现象，也导致腐蚀的加剧。

3 腐蚀原因

（1）化学组分相近的油管和连接件，二者可能由于热处理工艺的差别，导致了金相组织不同，或本身材质不同，导致了其机械性能的差别；

（2）回注污水作为电解质的存在，在油管和连接件的腐蚀点位以及自腐蚀电流密度不同的情况下，发生的电偶腐蚀，导致了腐蚀电位更低、自腐蚀电流密度更大的连接件腐蚀的加剧，在此过程中大阴极-小阳极的腐蚀形态，反而保护了油管，使得其腐蚀减轻。

4 措施建议

（1）选材

尽量选择油管和连接件相同的材质，尽量避免二者之间的电位差导致的电偶腐蚀；

（2）表面处理技术

考虑到同名金属间的螺纹连接可能会出现粘扣的现象；可以对油管、连接件的金属表面进行表面处理；例如油管表面磷化工艺，能增强耐蚀性能；连接件表面镀铜，能有效提高抗粘扣的能力等；

（3）其他油管连接件连接

可以考虑油管连接选择，复合材料的油管连接件，如橡胶-金属复合连接件；提高连接件连接的密封性和螺纹连接处的腐蚀；

（4）生产过程的注意

修井作业时，在装配油管-连接件-油管过程中，严格规范操作，避免机械损伤或者应力集中。如果预紧力过大，则容易造成应力腐蚀。

另外，考虑到回注污水中混合有除氧的海水，在海水除氧过程中要尽量保证除氧充分，避免吸氧腐蚀的发生。