段塞流捕集器三通管线穿孔失效分析

李志奇，杨阳，柴圆圆

［1.中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油（天津）管道工程技术有限公司，天津 300452；3.海油来博（天津）科技股份有限公司，天津 300450］

0 引言

在海洋油气资源开采的过程中，气液混输组合管线极易发生段塞流现象，段塞流的瞬时性和波动性会造成管线的接头、三通、支柱等构件损伤，对管道和下游设备产生不良影响。张洋洋等［1］研究发现，温度、压力对管道腐蚀影响很大，管道腐蚀程度因流型转变而加剧，其中段塞流的腐蚀破坏影响最大。高凌霄等［2］发现严重段塞流的周期波动给生产设施带来巨大的交变载荷，最终引起腐蚀挂片支架断裂。周立臣［3］以文昌油田群为研究对象，分析严重段塞流发生的条件，以及不同条件下段塞流对出口阀门、捕集器等设备的冲击。抑制段塞流常采用的方法有节流法、气举法、分离器控制等［4-7］。

某海上集输中心平台管线存在水平、倾斜、垂直等多种管型，并且管道较长，有较严重的段塞问题，平台通过采用技术较成熟的容器式段塞流捕集器消除段塞流。近期，段塞流捕集器水相出口管线的三通位置出现穿孔失效的问题，为了查找管线穿孔原因，选取失效位置进行分析，通过宏观分析、微观分析、理化性能检测及流体冲蚀模拟评估等方法，明确腐蚀发生的主要原因，并制定行之有效的预防和改进措施。

1 宏观及微观分析

1.1 宏观检查及分析

段塞流捕集器水相出口管线的失效件如图1（a）所示，分别以入口1、入口2和出口代表3个通路。在三通出口位置存在2 处漏点，2 处漏点分别为6.20 mm×4.28 mm 椭圆形穿孔和直径为2.16 mm 的圆形穿孔，外壁表面无明显的附着物，未发现其他明显的腐蚀缺陷。对穿孔的三通位置进行纵向解剖，进一步观察三通管体内壁形貌特征。入口1 和入口2 的焊缝和母材未见明显壁厚减薄特征；出口位置壁厚减薄较明显，内壁形貌如图1（b）所示，穿孔位于介质双向汇聚的出口侧管体，穿孔所在管体部位母材大面积壁厚减薄且延伸至环焊缝，壁厚减薄位置未见明显的腐蚀产物或沉积物附着，存在典型的冲刷性沟槽的特征。

图1 三通管线失效部位宏观形貌

1.2 微观形貌分析

穿孔部位内壁表面利用一定浓度的“盐酸+缓蚀剂”进行清洗，采用德国Zeiss EVO 18 型扫描电镜对穿孔位置进行微观形貌观察。如图2（a）所示，穿孔附近存在0.2 mm×0.5 mm 的缩松，可清晰地观察到漏点位于腐蚀凹坑区域内，并且腐蚀凹坑的壁厚减薄明显，属于面积型壁厚减薄后局部位置优先穿孔特征，为典型的内腐蚀形貌。进一步放大穿孔附近的微观形貌后，如图2（b）所示，可以观察到明显的珠光体组织层片状特征，以及逐层冲刷腐蚀形貌特征。

图2 穿孔位置内壁形貌

2 理化性能分析

2.1 化学成分分析

针对三通入口1、入口2 和出口侧（腐蚀位置）母材分别取样。采用SPECTRO LAB M11 直读光谱仪，按照钢铁产品化学分析的标准测试方法（ASTM A751—20）进行材质化学成分分析，结果显示进、出口处母材的各元素含量均满足《碳素结构钢》（GB/T 700—2006）对Q235D 钢的技术要求，2个入口和出口位置的母材化学成分组成基本一致，未见明显差异。

2.2 金相分析

采用ZEISS Observer A1m 金相倒置显微镜分别对入口1、入口2 和出口侧（腐蚀位置）母材进行金相分析，结果显示，3处母材金相组织均为“铁素体+珠光体”，未见明显差异，焊缝、熔合线位置铁素体的尺寸不均匀，有少量的贝氏体和魏式组织（如图3所示）。

图3 出口侧管线母材金相分析

3 腐蚀模拟试验

为进一步研究内部介质水样对管材腐蚀程度的影响，本研究现场取内部介质水样，并设计腐蚀模拟试验，试验条件与现场工况参数保持一致。具体设置如下：温度为55 ℃，压力为1.5 MPa，环境气体为N2+CO2，CO2含量为0.28%，流速为1.5 m/s，实验时间为7 d，实验水质为现场取样。

挂片试样取自三通管体出口侧（“母材+焊缝”），分别用320#、600#、800#和1200#砂纸打磨，将试样清洗、除油、冷风吹干后测量尺寸并称质量，再将试样相互绝缘后安装在特制的试验架上，放入高压釜内的腐蚀介质环境中。试验结束后，将挂片放入由1 L稀盐酸、20 g三氧化二锑及50 g氧化亚锡配制的酸洗液中剧烈搅拌，直至挂片腐蚀产物被清除。将酸洗后的挂片进行冲洗、中和处理，再次冲洗、脱水后，用电子天平称质量，再计算结果。按照公式（1）计算挂片平均腐蚀速率Vcorr：

其中：Vcorr为均匀腐蚀速率（mm/a）；m为实验前试片质量（g）；mt为实验后试片质量（g）；S1为试片的总面积（cm2）；ρ为试片材料的密度（g/cm3）；t为实验时间（h）。

按照公式（2）计算最大点蚀速率Vt：

其中：Vt为最大点蚀速率（mm/a）；ht为试验后试片表面最深点蚀深度（mm）；t为实验时间（h）。

实验结果显示，试验后挂片表面均被一层灰黑色物质覆盖，经微区化学成分分析，得出其主要元素为C、O、Fe。进一步观察挂片表面，未见明显点蚀坑，整体呈现均匀腐蚀的特征，将挂片酸洗并中和酸碱度后，焊缝位置与母材位置未见明显腐蚀差异，随后对挂片称质量并计算腐蚀速率，可得平均腐蚀速率为0.048 1 mm/a。参考《Control of Internal Corrosion in Steel Pipelines and Piging System》（NACE SP0106）中关于碳钢材质的生产设备及管道的内腐蚀程度划分，可知挂片平均腐蚀的程度均为中度腐蚀。

4 流体冲蚀模拟与评估

根据平台生产信息，段塞流捕集器来液为某段混输海管输送介质，目前仅作为捕集器，不进行来液的分离工作。三通处管线规格为7.62 mm，设计管道外径为88.9 mm、壁厚取值为7.62 mm，三通处流量为水相与油相出口流量共2 138.8 m3/d，含水率为90%。

4.1 冲蚀评估计算

采用《海上生产平台管道系统设计和安装的推荐做法》（API RP 14E）中对管道临界冲蚀速率的计算方法：

其中：Ve为临界磨蚀速度（m/s）；C为经验常数，对于无固体流体且使用缓蚀剂控制腐蚀的连续运行管道，取值为150；ρm为气液混合密度（kg/m3）。可以使用下列导出公式计算：

其中：P为操作压力（psi）；Sl为标准状况下的液体相对密度；R为在标准状况下的气体/液体比率；T为操作温度（o）；Sg为在标准状况下的气体相对密度；Z为气体压缩系数，无量纲。

目前，临界冲蚀流速为3.87 m/s，在三通处流量为2 138.8 m3/d的条件下，三通有冲刷腐蚀风险。根据计算，在管线的管径规格及其他条件不变的情况下，水相与油相出口的共同流量在不大于1 424.64 m3/d时，三通处无冲蚀风险；若保持目前水相与油相出口共同流量为2 138.8 m3/d，则需三通及后续管道内径不小于90.63 mm。

4.2 三通内流场模拟

为失效管线建立管道几何模型（如图4所示），在模拟计算中，2 个入口均设置为速度入口，速度均按实际工况设置为2.91 m/s，出口设置为自由流动出口，湍流模型选择RNG k-ε。

图4 管线几何模型及流速分布图

采用《海上生产平台管道系统设计和安装的推荐做法》（API RP 14E）中对管道临界冲蚀速率的计算方法为Ve=C/ρ0m.5。其中：C 为经验常数，对于无固体流体且使用缓蚀剂控制腐蚀的连续运行管道，取值150；ρm为气液混合密度（kg/m3），其计算公式为

其中：P为操作压力（psi）；Sl为标准状况下的液体相对密度；R为在标准状况下的气体/液体比率；T为操作温度（°）；Sg为在标准状况下的气体相对密度；Z为气体压缩系数，无量纲。

由模拟计算可知，管线内流速最大位置位于三通位置，图4中圈内的拐角接口处最大值为8.24 m/s，最大流速远超API RP 14E 计算得到的临界冲蚀流速3.87 m/s。根据管线内流速分布，介质冲刷管壁的位置与三通壁厚减薄较严重的位置重合，三通实际穿孔点位于模拟冲蚀高风险区域内，因此冲蚀为三通发生穿孔泄漏的主要原因。

5 失效原因分析

段塞流捕集器三通管线的母材材质满足《碳素结构钢》（GB/T 700—2006）对Q235D 钢的技术要求，排除由于材质问题引起的腐蚀失效。经过腐蚀模拟实验验证可知，管线内部介质对管材不会造成局部腐蚀，并且平均腐蚀的腐蚀程度为中度腐蚀，结合失效穿孔部位未见明显沉积物或结垢，排除由于介质腐蚀性影响导致的局部失效。

三通的2个入口管路未见明显冲蚀和结垢，原因是流速平稳，并且层流对管壁的腐蚀并不明显；而在出口侧，介质流速急剧增大形成湍流，湍流的磨蚀更严重，不仅加速了去极化剂的供应，还附加了流体对表面的切应力，这个切应力可以将已经形成的腐蚀产物剥离并由流体带走。此外，在输送流体的管道内，如果流体按水平垂直方向运动，管壁的腐蚀是均匀减薄的，但是在三通中流体突然改变方向的地方，其壁厚减薄要比其他部位的管壁更迅速，这是由于高速流体不断冲刷管壁表面造成冲刷腐蚀。

三通管线的穿孔位于介质双向汇聚的出口侧管体，经冲蚀评估计算，在当前运行工况下介质双向汇聚部位的局部流速大于临界冲蚀速率，经过长期的冲刷腐蚀，最终导致管体局部穿孔。

6 结论

经过上述检测与分析，本文得出如下结论：①三通管线的母材符合《碳素结构钢》（GB/T 700—2006）对Q235D钢的技术要求。②管线内部介质的腐蚀性影响不会造成管材发生局部腐蚀。③三通管线的穿孔位于介质双向汇聚的出口侧管体，属于内腐蚀特征。④在当前运行工况下，介质双向汇聚部位的局部流速大于临界冲蚀速率，经过长期的冲刷腐蚀导致穿孔。

建议在后续三通结构设计时，进行冲蚀评估或流动状态模拟，避免管线内介质流速大于临界冲蚀流速。此外，排查类似工况条件下的三通结构管线的壁厚状况，应重点关注介质双向汇聚部位，做到提前预防。