某油田电泵井J55油管螺纹丝扣腐蚀失效分析

周 雄,齐亚猛

(宝山钢铁股份有限公司 1.钢管条钢事业部,上海 201900; 2.中央研究院,上海 201999)

1 概述

某油田电泵井油管采用φ73.02 mm×5.51 mm规格J55钢级不加厚油管,油管服役2个月后发现生产不正常,液量由正常的100 m3/d下降至60 m3/d。作业队取出油管发现第55～62根油管外螺纹发生腐蚀、刺漏(见图1)。为找到油管螺纹腐蚀刺漏的原因,展开了分析。

图1 J55油管外螺纹腐蚀照片

2 取样及分析方案

为进行全面详细分析,取含腐蚀螺纹的两段600 mm管段(见图2)。管段1进行理化性能分析,管段2进行螺纹丝扣失效处内外壁腐蚀产物微生物分析。

图2 用于失效分析的管段照片

3 分析结果

3.1 理化性能

失效管的化学成分及API 5CT中对J55成分要求列于表1,分析结果表明,该管子的化学成分满足标准要求。同时,管子S含量为0.003%、P含量为0.009%,有害元素的含量远低于标准要求。图3为失效管金相组织,组织为铁素体和珠光体,未见组织异常。

图3 金相组织

表1 失效油管化学成分

3.2 腐蚀产物分析

采用X射线衍射(XRD)方法对油管内壁腐蚀产物进行分析,结果见图4。由图4可知,油管内壁腐蚀产物主要成分为FeCO3,说明井工况中含有CO2腐蚀气体。

图4 失效管内壁腐蚀产物XRD结果

3.3 微生物分析

将螺纹失效处内外壁腐蚀产物加入到细菌培养瓶中,培养7天,然后抽去上层清液再注入新培养瓶中,培养结果见图5。由培养结果可以发现,螺纹失效处内外壁腐蚀产物中均含有硫酸盐还原菌(SRB),同时还有腐生菌(TGB)和铁细菌(FEB)。

图5 螺纹失效部位内、外壁腐蚀产物微生物分析

3.4 宏观形貌

J55油管主要失效为外螺纹局部腐蚀和刺漏。宏观照片看局部腐蚀和穿孔发生在螺纹起始位置及向管体方向延伸,螺纹起始位置最外延已经穿孔腐蚀掉,向内还有3个局部腐蚀坑,最里面腐蚀坑较浅,见图6(b);此外,局部腐蚀坑多呈圆或椭圆形状,相邻腐蚀坑之间有明显腐蚀减薄痕迹,见图6(b)黄色标记处;另外,在螺纹起始位置发现了局部腐蚀坑(图6(c)),深度较深,服役时间延长可能会腐蚀穿孔。

图6 螺纹失效部位宏观照片

采用锯床干切方法将失效管段管体部分剖开,管体内壁覆盖有较厚的暗棕色腐蚀产物,肉眼观察无明显局部腐蚀。用清洗剂将管段2的一段腐蚀产物清洗掉,发现管体内壁呈现典型的CO2局部腐蚀形貌(XRD结果已证实),局部腐蚀深度浅且遍布整个钢管内壁,该类局部腐蚀及减薄主要是CO2腐蚀所致。

将穿孔失效部位沿着红色虚线切开,观察螺纹处和内壁局部腐蚀情况。由图7可见,内壁局部腐蚀相对较浅,而螺纹处局部腐蚀坑深度较深但未穿孔,螺纹起始位置已经穿孔。由以上结果可判断,螺纹丝扣处局部腐蚀坑(见图6(a))和内壁局部腐蚀(见图8)不是一类局部腐蚀。

图7 螺纹失效部位纵截面形貌

图8 失效管管段剖面宏观形貌

4 分析与讨论

由理化性能结果可知,J55油管化学成分和金相组织均正常,并符合API5CT标准要求。

据油田用户反馈信息,电泵井管柱仅第55～62根油管丝扣处发生腐蚀穿孔失效,其他油管丝扣及整个管体部分均未发生刺漏及腐蚀穿孔现象。通过 XRD分析结果可知,油管遭受了CO2腐蚀,但局部腐蚀较浅,不会引发穿孔刺漏,与实际情况相符合。宏观形貌分析结论表明,管体内壁局部腐蚀与螺纹局部腐蚀明显不同。如果螺纹穿孔刺穿是CO2腐蚀所引起,那么管体以及第55～62根外的其他螺纹处也会发生穿孔刺漏,因此,螺纹处穿孔刺穿并非CO2腐蚀所致。

由微生物分析可知,螺纹失效部位及内壁腐蚀产物中均含有SRB、TGB和FEB等细菌。微生物在适宜温度下附着在钢表面形成生物膜后会不断生长、繁殖及代谢过程中会引起微生物腐蚀,最明显的特征是严重局部腐蚀[1]。微生物膜是目前公认的导致发生微生物腐蚀的主要因素之一[2-4],即微生物附着于材料表面并形成生物膜,是材料腐蚀过程中的重要步骤。微生物膜内的细菌,可通过直接电子转移(细胞膜上的电子转运蛋白)或间接电子转移(自身分泌的生物小分子电子转移载体)从金属获得电子,起到“阴极去极化”作用,促进局部腐蚀[5-6]。此外,微生物在金属表面形成内部环境相对稳定的垢壳,这种稳定的微生物菌落为相对固定的阳极,金属为阴极,在“小阳极—大阴极”作用下促进局部腐蚀[5]。因此,微生物(SRB、TGB等)能够导致金属严重的局部腐蚀。据文献可知,SRB最适宜的温度为25～45 ℃[7],与第55～62根油管所处温度相符合。螺纹部位或螺纹起始与管体之间部位易于形成“防干扰区”,更易于微生物的附着形成微生物膜,在微生物腐蚀作用下,螺纹起始部位腐蚀穿孔掉,在腐蚀作用下微生物可不断向螺纹内部迁移进而产生更多的局部腐蚀坑(图6)。因此,电泵井管柱仅第55～62根油管丝扣处发生腐蚀穿孔主要是微生物腐蚀所导致。

5 结论

(1)电泵井J55油管化学成分、金相组织均正常;管体内壁腐蚀产物主要为FeCO3,结合腐蚀形貌和腐蚀产物XRD分析,内壁局部腐蚀及减薄是CO2腐蚀所导致,然而螺纹丝扣处局部腐蚀并非CO2腐蚀原因。

(2)失效管螺纹丝扣失效处内外壁腐蚀产物均含有硫酸盐还原菌(SRB)、腐生菌(TGB)和铁细菌(FEB)。结合腐蚀形貌、工况信息和微生物分析结果,螺纹丝扣腐蚀穿孔主要为SRB、TGB和FEB微生物腐蚀所致。

(3)J55钢级不适用于该电泵井工况,根据上述失效原因分析结果应采用耐CO2腐蚀和微生物腐蚀的油管产品。