某油田分離器液位計排污管道腐蝕失效分析
在中國西南煤層氣田的生產中,當兵貯罐設計和給水管總體面對高 CO2、高 H2S、高 Cl- ,高 溫 高 壓 和 高 礦 化度的不近人情工程標準,較之過去建筑材質,不銹建筑材質料仍然界面具有著非均質的鈍化膜空間結構而突出癥狀出優質產品的耐蝕性,在金屬氧化性過強的周圍情況中可以夠有不安全防護性的突出癥狀,那么不銹建筑材質料也被范圍廣應用領域于煤層氣田的生產方式舉動中。在不近人情的金屬結垢周圍情況中,304不繡鋼鋼板材鈍化膜的不安全防護性性也會受 到 影 響,容 易 誘 發 應 力 腐 蝕 開 裂 等 失 效 方式舉動[1-4],較為嚴重的的威脅貯罐設計和給水管的施用安全防護。近期來更多歷史學家采取煤層氣田周圍情況中304不繡鋼鋼板材的剪切力金屬結垢方式舉動來了研究方案[5-7]。賈 靜 煥 等[8]研 究 了 316L 不 銹 鋼 在堿硫化橡膠物液體中的剪切力金屬結垢方式舉動,為其在堿周圍情況中 的 適 用 性 提 供 參 考 依 據。 王 峰 等[9]研 究 了13Cr304不繡鋼鋼板材在各種的 H2S分壓下 CO2 注氣井環空周圍情況模擬網液中的電電學優點及剪切力金屬結垢規律性。304不繡鋼鋼板材在各種的的周圍情況中會出來各種的的報廢方式舉動[10-11]。
西部某油田在檢查集氣區氣液分離器現場液位計時,發現的密閉排污管線底部有液體滲出。拆開檢查發現排污管道已發生斷裂失效,如圖1所 示。該 管 道 的 材 料 為316L 不 銹 鋼,管 道壓力為6.9~8.3MPa,工作溫度為15~30℃,介質成分為凝析油、采出水。介質中采出水含有大量的氯鹽,礦化度較高,并且分離器處理的天然氣中含有H2S,氣 田 采 出 原 料 氣 中 H2S 的 摩 爾 分 數 為0.06%,CO2 的摩爾分數為1.57%。現場污水中氯鹽含量達80720.4mg/L,屬于高含氯環境,并且呈酸性(pH 為5.70),密度為1.0861。因此,腐蝕管道運行面臨 含 氯、含 H2S腐 蝕 和 含 CO2 的 腐 蝕 環境。對該失效管道進行理化檢驗,分析其斷裂失效原因,為作業區管線使用和更換提供建議。
1 理化檢驗與結果
1.1 化學成分分析
從失效管道 管 體 的4個 部 位 取 樣,采 用 ThermoFisherScientificARL3460光 譜 分 析 儀 對 管 道的化學成分進行分析,結果如表1所示。結果表明:管道 4 個部位的化學成分均滿足 GB/T20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分》的要求,即化學成分合格,可以排除由于化學成分不合格造成管道腐蝕失效的可能。
1.2 金相檢測
從失效管道上截取金相試樣,用體積比為3∶1的 鹽 酸 硝 酸 溶 液 (王 水)腐 蝕 試 樣,再 依 據 GB/T13298-2015 《金屬顯微組織 檢驗方法》在 VHX-2000型3D顯微鏡上對失效管道進行 金 相 檢 測,結果如圖2所示。
金相檢測結果表明:該失效管道材料呈現均一的奧氏體相 組 織,晶 界 清 晰 可 見,晶粒直徑分布在30~100μm,無明顯的夾雜物。
1.3 硬度分析
使用顯微硬度測試儀測失效管道的顯微維氏硬度,試驗方法 參 照 GB/T4340.1-2009《金 屬 材 料維氏硬度試驗 第1部分:試 驗 方 法》標 準 中 顯 微 維氏硬度相關規定,共測試了4個試樣,每個試樣測8個點,結果如表2所示。
硬度測試結果表明:4個試樣的硬度基本一致,均滿足 GB13296-2013《鍋 爐、熱 交 換 器 用 不 銹 鋼無縫鋼管》中的指標要求(≤220 HV),即失效管道的硬度合格。
1.4 腐蝕產物分析
從斷口附近對腐蝕產物進行取樣,用丙酮溶液去除樣品表面油脂并使用超聲波震 蕩1h后 烘 干,再使用S4800掃描電鏡及其附帶的能譜儀(EDS)進行分析,結果如圖3所示。結果表明:除了管體材料中的元素以外,腐蝕產物中存 在 Cl,S,C 和 O 等 元素,這些元素來自于導致管體發生腐蝕的環境。CO2 和 H2S的存 在 都 會 促 進 不 銹 鋼 發 生 應 力腐蝕[12-14],隨著 CO2 相 對 含 量 的 增 加,腐 蝕 主 導 因素將轉變 為 CO2[15]。奧 氏 體 不 銹 鋼 對 于 Cl- 引 起的應力腐 蝕 較 為 敏 感[16-17],Cl- 造 成 不 銹 鋼 發 生 應力腐蝕開裂大致可分為兩個階段:第一階段,金屬表面鈍化膜破壞發生點蝕;第二階段,以腐蝕坑底部的敏感點為裂紋源產生裂紋,裂紋在應力作用下不斷擴展,zui終形 成 應 力 腐 蝕 開 裂[18]。Cl- 能 顯 著 增 加304不銹鋼在 飽 和 H2S溶液中的點蝕傾向[19]。目前,關 于 H2S-CO2-Cl- 共 存 體 系 的 研 究 較 少,有 研究表明超級13Cr不銹鋼在 H2S-CO2-Cl- 體系中的點蝕傾向 隨 著 Cl- 含 量 增 加 而 越 發 嚴 重[20]。管 體在該工況環境中服役存在較大的應力腐蝕敏感性和點蝕敏感性[21]。
1.5 斷口腐蝕形貌分析
失效管道斷 口 上 有 肉 眼 可 見 的 裂 紋,采 用 Hi-tachiTDCLS4800場發射掃描電子顯微鏡對斷口裂紋區形貌進行分析,結果如圖4所示。結果表明,斷裂處有兩處裂紋,均從管壁內萌生,然后向外擴展,其中2號裂紋已經發展成為貫穿管壁的裂紋,且裂紋出現分叉現象。
對斷口上的2號裂紋附近進一步放大分析,結果如圖5所示。結果表明:在2號裂紋附近有大量的 晶粒以及較為寬大的晶界,端口呈沿晶斷裂和穿晶解理斷裂特征,表面可見“泥狀花樣”形貌,此種斷裂形貌為應力腐蝕開裂的典型斷裂形貌[22];寬大晶界大面積出現,此處晶粒間距可達到1μm 左右。通過使用SEM 的背散射電子像對斷口裂紋區的觀察可知,裂紋附近幾乎所有的晶界都發生了腐蝕,如圖6 所 示。由 此 可 見,失 效 管 道 發 生 了 晶 間腐蝕。
采用掃描電鏡對斷口非裂紋區形貌也進行了分析,結果如圖7所示。結果表明:在靠近外壁斷口處存在大量韌 窩,這 是 典 型 的 韌 性 斷 裂 形 貌[23];靠 近內壁斷口處呈現河流狀花樣,這是脆性解理斷裂的形貌特征。因此,該區域斷口呈現脆性解理斷裂和韌性斷裂的混合型斷裂特征。
管道發生應力腐蝕失效的原因是由于污水系統中 H2S,Cl- ,CO2 等 腐 蝕 性 物 質 不 斷 在 管 內 壁 沉積,并與 管 道 內 壁 發 生 電 化 學 反 應,加 速 材 料 腐蝕[24],由于晶界 處 電 位 比 晶 內 電 位 低,因 此 晶 界 容易腐蝕,從而產生沿晶和穿晶裂紋,裂紋從管道內壁向外擴展,斷裂也從沿晶斷裂轉變為脆性斷裂,當裂紋擴展到管外壁時發生韌性撕裂,管體斷裂失效。
1.6 表面腐蝕形貌分析
使用線切割將發生斷裂的管體附近完好部位從中部剖開,再使用稀鹽酸對其進行除銹10min并清洗,除銹過程中使用超聲波震蕩。采 用 VHX-2000型3D顯微鏡觀察除銹后試樣的表面腐蝕形貌。失效管道內壁除銹前后的宏觀腐蝕形貌如圖8所示。結果表明:管道內壁出現了較為嚴重的腐蝕現象,腐蝕產物較多且較難去除;除銹后可見,管道內壁多數部位存在腐蝕坑。
失效管道內壁微觀腐蝕形貌如圖9所示。結果表明:低倍下可見管壁內壁出現較為嚴重的腐蝕現象,有較多腐蝕坑,并且部分腐蝕坑已被腐蝕產物覆蓋;高倍下可見管壁內壁出現沿晶腐蝕特征,多數部位晶界發生腐蝕,晶間腐蝕現象明顯。分析失效管道表面腐蝕形貌可知,該管道內壁出現大面積的點蝕坑,且管道腐蝕破壞zui先從內壁開始發生。
2 失效原因分析
失效管道的化學成分、硬度等指標滿足標準要求,材料本身無缺陷,因此可以排除材料本身性能問題引起管道斷裂失效的可能。腐蝕產物中存在 Cl,S,C和 O 等元素,這表明失效管道所處的環境在存在 H2S,CO2,Cl- 等促進不銹鋼發生應力 腐 蝕 開 裂的因素。由斷口腐蝕形貌可知,失效管道發生了晶間腐蝕,斷裂由應力腐蝕開裂引起。由此可以判斷該處斷裂是氯化物、硫化物和 CO2 共同作用導致的應力腐蝕開裂。由管道表面腐蝕形貌可知,管道腐蝕破壞zui先從內壁開始發生。
管線失效的原 因 為 H2S,CO2,Cl- 等 腐 蝕 性 物質共同作用下的應力腐蝕開裂,腐蝕失效開裂過程可分為以下幾個部分:
(1)腐蝕從 排 污 管 線 內 壁 開 始 發 生,在 腐 蝕 性介質的侵蝕下金屬表面鈍化膜被破壞,管道內壁發生點蝕。
(2)腐蝕坑 底 部 的 敏 感 點 為 裂 紋 源,晶 界 處 發生腐蝕并沿晶界擴展,出現沿晶腐蝕和穿晶腐蝕,在管道內壓力的作用下,裂紋發生擴展。
(3)隨著裂 紋 的 擴 展,當 管 壁 處 的 局 部 應 力 達到材料本身強度極限時,沿晶斷裂轉變為脆性解理斷裂,裂紋擴展到管外壁時發生韌性撕裂,管體斷裂失效。
3 結論與建議
該管道發生了由應力腐蝕開裂導致的斷裂,產生應力腐蝕失效的原因是污水系統中 H2S,Cl- ,CO2 等腐蝕性物質不斷在鋼管內壁沉積,與管道內壁發生電化學反應,加速材料腐蝕,管道內壁首先發生腐蝕,從而產生沿晶和穿晶裂紋,裂紋從管道內壁向外擴展,當裂紋擴展到管外壁時發生韌性撕裂,管體zui終斷裂失效。
管道腐蝕是由 H2S,Cl- ,CO2 等腐蝕性物質引起的,為防止管道再次發生腐蝕,可以在污水進入管道前增加一道工序去除腐蝕性物質或采用耐蝕性更好的管道材料。
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