某海底管道失效分析張國禮;秦立峰;張峙;胡徐彥【摘要】Thefailurereasonofsubmarinepipelineisanalyzedaccordingtophysicalandchemicaltesting,corrosionproductanalysis,corrosionmorphologyobservation,pipelineserviceenvironmentandlaboratorysimulationexperiments.TheresultsshowthatthematerialofthesubmarinepipelinemeetstherequirementsofAPIspec5Lstandard,thereisthescalecomposedofCaCO3,BaSO4andFe(OH)3ontheinnersurfaceofthepipeline.Thescalelayermakestheuniformcorrosionrateofthepipelinebeincreasedbyabout7times.Themainreasonfortheperforationfailureofthepipelineisthecorrosionunderthescalelayer.%通過對某海底管道進行理化檢測、腐蝕產物分析、腐蝕形貌觀察、服役環(huán)境分析及室內模擬實驗，研究管道失效原因.結果表明:管道材質滿足APIspec5L要求；內管存在由CaCO3、BaSO4和Fe(OH)3形成的結垢，垢層的存在使得管體的均勻腐蝕速率增大了約7倍,垢下腐蝕是導致管道腐蝕穿孔失效的主要原因.【期刊名稱】《西安石油大學學報(自然科學版)》【年(卷)，期】2013(028)001【總頁數(shù)】4頁(P98-101)【關鍵詞】海底管道;失效分析;垢下腐蝕【作者】張國禮;秦立峰漲峙湖徐彥【作者單位】中海石油中國有限公司湛江分公司，廣東湛江524057；中海石油中國有限公司湛江分公司，廣東湛江524057;中海石油中國有限公司湛江分公司，廣東湛江524057;中海石油中國有限公司湛江分公司，廣東湛江524057【正文語種】中文【中圖分類】TE98;TG174海底管道作為鉆井平臺之間、陸地與鉆井平臺之間的紐帶，被稱為油氣運輸?shù)摹ù髣用}”，是開發(fā)海洋油氣資源的關鍵因素之一[1-2].而海底管道流體中含有02、C02、SRB和H2S等多種腐蝕介質，會造成隱蔽性較強的管道內壁腐蝕，從而引發(fā)管道穿孔泄露事故，甚至導致爆炸、燃燒和傷亡事故，造成巨大的經濟損失和嚴重的社會后果[3-4].某海底管道采用X65鋼級鋼管，自2003年開始服役，近年來發(fā)現(xiàn)管道內部存在腐蝕，部分管段甚至出現(xiàn)穿孔失效.對該海底管道的失效原因進行分析，可以為后期管道防護提供依據(jù)，也為今后海底管道設計與建設提供有益的參考.1宏觀分析管體腐蝕穿孔處的宏觀形貌如圖1所示.由圖1可見，樣品夕卜壁呈黑色，穿孔附近區(qū)域密布尺寸較小的腐蝕坑.內壁大部分呈黑色，腐蝕嚴重處呈紅棕色且存在成串的腐蝕坑，部分腐蝕坑穿透管壁形成由內向外的穿孔，沒有明顯的沖刷痕跡.參考海底管道服役工況，推斷穿孔是由海底管道內壁腐蝕造成的，穿孔方向由內壁至外壁.圖1管體腐蝕穿孔處宏觀形貌圖Fig.1Corrosionperforationmorphologiesofpipelinewall2微觀分析在金相顯微鏡下觀察腐蝕區(qū)域腐蝕坑形狀，分別取腐蝕區(qū)域和管壁中部試樣觀察材料金相組織的變化，結果如圖2所示.從圖2(a)看出，樣品內壁腐蝕坑底大口小，表面由于腐蝕而凹凸不平.腐蝕區(qū)域與管壁中部金相組織均為貝氏體，未見組織異常.圖2樣品金相顯微分析照片F(xiàn)ig.2Metallographicpicturesofsamples樣品內壁橫截面和腐蝕產物的掃描電鏡結果如圖3，能譜分析結果見表1.從圖3(a)可看出，腐蝕產物為多層結構，與基體間存在間隙且有微小孔洞.緊貼金屬壁的腐蝕產物(圖3(a)能譜分析位置8)由Fe、C、O和少量S組成，中部腐蝕產物(見圖3(a)能譜分析位置9)由Fe、C、O和少量的S、Ba組成.從圖3(b)中可以看出，表層腐蝕產物存在較深孔洞，部分區(qū)域腐蝕產物膜破裂并脫落.表層腐蝕產物(見圖3(b)能譜分析位置14、15)元素組成以Fe、C、O為主并伴有少量S、Ba、Sr，腐蝕產物中的Si元素可能來自砂石，Ca、Mg、Al等元素可能來自于沉積鹽.圖3樣品內壁橫截面和腐蝕產物掃描照片F(xiàn)ig.3Scanningphotosofcrosssectionandcorrosionproductsattheinternalwall表1內壁腐蝕產物能譜分析結果Tab.1EDSresultsofcorrosionproductsattheinternalwall?3腐蝕產物成分分析XPS分析結果如圖4所示.由圖4可見，腐蝕產物中Fe元素為Fe2+和Fe3+，C元素為C4+，O元素為O2—.腐蝕產物中的S元素的化合價為+6價，結合能譜分析可以判斷，S元素應該是以BaSO4等硫酸鹽的形式存在，而非Fe的硫化物.XRD結果見圖5所示，表層腐蝕產物以FeCO3為主，還含有CaCO3和硫酸鍶鋇鹽沉積物.緊貼金屬壁腐蝕產物以FeCO3、Fe3O4和FeO(OH)為主，緊貼金屬壁處有硫酸鍶鋇鹽，但不含CaCO3.圖4腐蝕產物XPS分析譜圖Fig.4XPSdiagramofcorrosionproduct圖5腐蝕產物XRD分析譜圖Fig.5XPSdiagramsofcorrosionproduct4理化檢驗按照APISpec5L標準要求對樣品進行理化檢驗，管體化學成分分析結果見表2，室溫拉伸、夏比沖擊試驗和硬度試驗的結果見表3.檢測結果顯示，管體材料各項性能均符合APISpec5L標準要求.表2海底管道管體化學成分檢測結果Tab.2Chemicalcompositionofsubmarinepipeline注："一”表示APISpecSL對該元素質量分數(shù)未作要求〃總量”指V、Nb、Ti元素質量分數(shù)和？表3海底管道管體力學性能檢測結果Tab.3Mechanicalpropertiesofsubmarinepipeline注："一”表示APISpec5L對斷面收縮率未作要求？圖6海底管道水樣結垢量隨壓力和溫度變化關系圖Fig.6Relationshipsbetweentheamountofwatersamplescaleonsubmarinepipelineandpressureandtemperature5結垢預測及室內模擬實驗5.1結垢預測參照SY/T5281—2000原油破乳劑使用性能檢測方法（瓶試法）進行油水分離實驗，結果在5min后，油水幾乎完全分離.運用美國OLI公司ScaleChem3.2垢化學分析系統(tǒng)預測油水分離后的水樣結垢趨勢.圖6為結垢量分別隨壓力和溫度的變化關系.從圖6中可以看出，此水樣的結垢物中含有碳酸鈣、氫氧化鐵和硫酸鋇等物質，這和XPS、XRD分析結果相吻合.其中硫酸鋇和氫氧化鐵含量隨壓力增大而增大，隨溫度升高而降低，碳酸鈣恰好相反.5.2室內模擬實驗室內模擬實驗在高溫高壓釜內進行，根據(jù)結垢預測并結合現(xiàn)場垢樣分析結果，現(xiàn)場工況應該由硫酸鹽還原菌（SRB）、細砂和碳酸鈣硫酸鋇垢層共同組成.分別選取（a）有SRB有細砂無垢層、（b）無SRB有細砂無垢層、（c）有SRB有細砂有垢層、（d）無SRB有細砂有垢層4種典型工況，對比分析掛片的腐蝕情況，結果見圖7.圖7模擬海底管道腐蝕掛片平均腐蝕速率變化趨勢圖Fig.7Averagecorrosionratesofsubmarinepipelinecouponsunderdifferentsimulatedcorrosionconditions從圖7中可以看出，釜底的掛片都要比同條件油水介質中的掛片腐蝕嚴重，有垢層工況下的腐蝕速率大約是無垢層的7倍，（。工況最符合現(xiàn)場，其釜底掛片腐蝕也最嚴重，等級為嚴重腐蝕.6分析及建議根據(jù)海底管道腐蝕部位外部與緊貼內壁的產物分析，海底管道內壁表層腐蝕產物顯示為以CO2腐蝕為主，內壁還含有部分FeO（OH）和Fe3O4，是典型的垢下腐蝕[5-6]的特征.綜合以上實驗分析結果，判斷海底管道的腐蝕失效過程為:管道流體在輸送的過程中發(fā)生油水分離，水中CO2等腐蝕介質和SRB共同作用在管道內壁形成了硫酸鍶鋇鹽垢層，加速了內管壁的腐蝕?垢層表面存在較多裂紋，利于垢下腐蝕的產生，從而造成管道嚴重腐蝕直至穿孔失效.為減緩該海底管道的垢下腐蝕，可以采取以下措施：1）優(yōu)選適合該海底管道流體使用的防垢劑，將其加注于海底管道.該防垢劑可抑制CaCO3和硫酸鍶鋇鹽沉積生成，破壞〃垢下”腐蝕的環(huán)境，從而避免垢下腐蝕的發(fā)生.2）增加流速，降低流體在海底管道內的停留時間，避免油水分離或者直接在平臺進行油水分離，降低海底管道油水混合物的含水量.3）定期清管.為了有效破壞〃垢下”腐蝕環(huán)境，可采用直板或者皮碗等除垢較好的清管器，并對每次清管產物進行分析，確定清管效果.4）加強海底管道腐蝕檢測.定期檢測防垢劑和清管效果，腐蝕速率變化趨勢，水樣中結垢離子變化等，做到及時發(fā)現(xiàn)問題及時解決.7結論海底管道的材質滿足APIspec5L的要求.內管存在由CaCO3、BaSO4和Fe(OH)3形成的結垢，垢層的存在使得管體的均勻腐蝕速率增大了約7倍.⑶垢下腐蝕是導致管道腐蝕穿孔失效的主要原因.參考文獻：[1]夏日長，潘曉東.海底管道高溫高壓屈曲分析[J].中國造船，2011,52(2):64-69.XIARi-chang,PANXiao-dong.Analysisofsubseapipelinebucklingduetohightemperatureandhighpressure[J].ChinaShipBuilding,2011,52(2):64-69.[2]PachecoJL,SisakW.Advancesinwetgaspipelinetechnology[C].Dubai:InternationalPetroleumTechnologyConference,2007.[3]石仁委，龍媛媛.油氣管道防腐蝕工程[M].北京:中國石化出版社，2008.[4]徐乃欣?阿拉斯加油管腐蝕穿孔漏油[J].腐蝕與防護，2006,27(9):485-486.[5]HowellGA.Under-depositcorrosionatweldseamsincarbonsteelpiping[C].NewOrleans:Corrosion97,1997.[6]朱元良，姬鄂豫，邱于兵，等.用閉塞電池研究月桂酸根離子抑制碳鋼垢下