南海某油田真空泵腐蚀失效原因分析

2022-06-17陈海兵于海涛

全面腐蚀控制 2022年5期

陈海兵于海涛

（中海油能源发展装备技术有限公司，天津 300459）

0 引言

南海油田某平台所用真空泵2009年投入使用，2021年10月，发现真空泵出现故障，严重影响油田的正常生产，随后维修人员对真空泵进行拆解，发现真空泵叶轮一端腐蚀严重，一端腐蚀不严重。腐蚀严重一端的叶轮根部和边缘部位有明显的局部腐蚀坑，腐蚀坑大小不一，分布密集，表面覆盖红棕色腐蚀产物。具体如图1所示。

在油气田生产运营过程中，发生真空泵叶轮失效，影响海上平台正常生产的事件时有发生，叶轮腐蚀失效的原因众多，深入研究叶轮失效原因，根据失效原因制定针对性措施，避免此类事件再次发生，总结此类腐蚀治理的经验，为今后叶轮失效原因及预防措施提供参考依据[1]。

1 理化性能检测

针对真空泵理化性能进行检测，分析叶轮腐蚀失效原因，主要包括拉伸性能、化学成分分析、金相显微分析、扫描电镜及能谱分析、腐蚀产物XRD分析[2]。

1.1 拉伸性能分析

金属材质的拉伸试验是测定材料弹性、强度、延性、应变硬化和韧度等重要的力学性能指标，是材料的机械力学性能，对于铜合金材质，通过测定材料在轴向拉伸载荷下的变形程度，确定材料的弹性极限、拉伸率、弹性模量、比例极限、面积缩减量、拉伸强度、屈服点、屈服强度和其他拉伸性能指标[3]。

本次试验，在叶轮根部取样进行拉伸试验，拉伸试样的标距内直径为Φ6.25mm、标距内长度为25±0.10mm，试验温度为室温，叶轮拉伸试验结果如表1所示。

表1 叶轮拉伸试验结果

一般来说，材料在拉伸过程中，会经历四个阶段，分别是弹性阶段、屈服阶段、强化阶段和颈缩阶段，由上表的叶轮拉伸试验结果表明，叶轮的拉伸性能满足ASTM B148-97（2009）标准的要求，可以排除材料本身的机械性能缺陷造成的腐蚀失效。

1.2 化学成分分析

采用一定的化学分析手段，鉴定金属材质由哪些元素组成，并测定各组分间量的关系，称为化学成分分析。为进一步明确叶轮的化学组成，在叶片的中部和边缘处切取化学成分分析样品，并进行分析，叶片化学成分分析结果如表2所示。

表2 叶片化学成分分析（WT%）

由表2叶片化学成分分析结果可知，叶片中部和边缘化学成分含量接近，均符合ASTM B148-97（2009）标准要求，可以排除材料成分均质性不足的影响。

1.3 金相显微组织

金相显微分析在材料研究领域占有十分重要的地位，是研究材料内部组织的重要手段之一，运用金相显微镜，将分析样品放大几十到上千倍来研究材料组织。此次，从叶轮切取金相样品，将试样研磨抛光，观察其金相显微组织，叶轮的金相组织如图2所示。

图2 叶轮金相组织

由图2叶轮金相组织分析结果可知，金相显微组织包括α相和树突状的KⅠ和板层状或球形的KⅢ，晶粒度为5.5，夹杂物为A：0.5细系，D：1.0细系。

1.4 扫描电镜及能谱

扫描电镜是不同于金相显微的另一种微观观察手段，其原理是利用很窄的高能电子束来扫描样品，通过光束与物质间的相互作用，来激发各种物理信息，对这些信息收集、放大，再成像以达到对物质微观形貌表征的目的。

图3为叶轮局部腐蚀扫描电镜（SEM）和能谱分析（EDS）的位置，由图可见，叶轮表面有明显的局部腐蚀坑，腐蚀坑最大直径为5.7mm，表面生成的产物较少，表3为能谱分析结果。

表3 叶轮表面腐蚀产物分析结果

图3 叶轮局部腐蚀SEM形貌及EDS分析位置

由表3分析可知，腐蚀产物中除基体中所含元素Al、Cu、Ni和Fe之外，还含有O、Mg、S、Ca、Cl等元素，这些元素主要来源于海水，腐蚀坑底的C、O、Fe和S含量明显高于叶轮表面的含量。

为进一步研究腐蚀发生位置与金属元素间的关系，针对叶轮腐蚀部位上取样进行Cu和Fe元素扫描，扫描结果如图4所示。

由图4分析可知，Fe元素在灰色区域含量高，Cu元素在白色区域含量高，Fe为负电性金属，Cu为正电性金属，在具有腐蚀性的介质中，富含Fe元素的部位优先发生腐蚀。

图4 叶轮腐蚀部位扫描照片

2 模拟试验

2.1 高温高压模拟实验

从叶轮上切取36×11mm圆弧片进行模拟真空泵实际工作环境试验，测试叶轮的平均腐蚀速率及局部腐蚀速率，试验结果如表4所示。

表4

2.2 气蚀模拟实验

从叶轮上切取φ20mm的圆片，依据GB6383-2009-T《振动空蚀试验方法》标准进行空蚀试验。试验仪器采用广州市新栋力超声电子设备有限公司生产的NP-N系列超声波直插式处理仪。空蚀试验在超声波伸缩振动空蚀试验机上进行，超声波发生器输出功率1kW；工作频率20kHz；振幅25um。为模拟真空泵的工作环境，试验介质采用3.5%NaCl溶液，温度保持在（25℃±1℃），空蚀时间40h。试验装置如图5所示。