某海底管道失效分析

某海底管道失效分析张国礼;秦立峰;张峙;胡徐彦【摘要】Thefailurereasonofsubmarinepipelineisanalyzedaccordingtophysicalandchemicaltesting,corrosionproductanalysis,corrosionmorphologyobservation,pipelineserviceenvironmentandlaboratorysimulationexperiments.TheresultsshowthatthematerialofthesubmarinepipelinemeetstherequirementsofAPIspec5Lstandard,thereisthescalecomposedofCaCO3,BaSO4andFe(OH)3ontheinnersurfaceofthepipeline.Thescalelayermakestheuniformcorrosionrateofthepipelinebeincreasedbyabout7times.Themainreasonfortheperforationfailureofthepipelineisthecorrosionunderthescalelayer.%通过对某海底管道进行理化检测、腐蚀产物分析、腐蚀形貌观察、服役环境分析及室内模拟实验，研究管道失效原因.结果表明:管道材质满足APIspec5L要求；内管存在由CaCO3、BaSO4和Fe(OH)3形成的结垢，垢层的存在使得管体的均匀腐蚀速率增大了约7倍,垢下腐蚀是导致管道腐蚀穿孔失效的主要原因.【期刊名称】《西安石油大学学报(自然科学版)》【年(卷)，期】2013(028)001【总页数】4页(P98-101)【关键词】海底管道;失效分析;垢下腐蚀【作者】张国礼;秦立峰涨峙湖徐彦【作者单位】中海石油中国有限公司湛江分公司，广东湛江524057；中海石油中国有限公司湛江分公司，广东湛江524057;中海石油中国有限公司湛江分公司，广东湛江524057;中海石油中国有限公司湛江分公司，广东湛江524057【正文语种】中文【中图分类】TE98;TG174海底管道作为钻井平台之间、陆地与钻井平台之间的纽带，被称为油气运输的〃大动脉”，是开发海洋油气资源的关键因素之一[1-2].而海底管道流体中含有02、C02、SRB和H2S等多种腐蚀介质，会造成隐蔽性较强的管道内壁腐蚀，从而引发管道穿孔泄露事故，甚至导致爆炸、燃烧和伤亡事故，造成巨大的经济损失和严重的社会后果[3-4].某海底管道采用X65钢级钢管，自2003年开始服役，近年来发现管道内部存在腐蚀，部分管段甚至出现穿孔失效.对该海底管道的失效原因进行分析，可以为后期管道防护提供依据，也为今后海底管道设计与建设提供有益的参考.1宏观分析管体腐蚀穿孔处的宏观形貌如图1所示.由图1可见，样品夕卜壁呈黑色，穿孔附近区域密布尺寸较小的腐蚀坑.内壁大部分呈黑色，腐蚀严重处呈红棕色且存在成串的腐蚀坑，部分腐蚀坑穿透管壁形成由内向外的穿孔，没有明显的冲刷痕迹.参考海底管道服役工况，推断穿孔是由海底管道内壁腐蚀造成的，穿孔方向由内壁至外壁.图1管体腐蚀穿孔处宏观形貌图Fig.1Corrosionperforationmorphologiesofpipelinewall2微观分析在金相显微镜下观察腐蚀区域腐蚀坑形状，分别取腐蚀区域和管壁中部试样观察材料金相组织的变化，结果如图2所示.从图2(a)看出，样品内壁腐蚀坑底大口小，表面由于腐蚀而凹凸不平.腐蚀区域与管壁中部金相组织均为贝氏体，未见组织异常.图2样品金相显微分析照片Fig.2Metallographicpicturesofsamples样品内壁横截面和腐蚀产物的扫描电镜结果如图3，能谱分析结果见表1.从图3(a)可看出，腐蚀产物为多层结构，与基体间存在间隙且有微小孔洞.紧贴金属壁的腐蚀产物(图3(a)能谱分析位置8)由Fe、C、O和少量S组成，中部腐蚀产物(见图3(a)能谱分析位置9)由Fe、C、O和少量的S、Ba组成.从图3(b)中可以看出，表层腐蚀产物存在较深孔洞，部分区域腐蚀产物膜破裂并脱落.表层腐蚀产物(见图3(b)能谱分析位置14、15)元素组成以Fe、C、O为主并伴有少量S、Ba、Sr，腐蚀产物中的Si元素可能来自砂石，Ca、Mg、Al等元素可能来自于沉积盐.图3样品内壁横截面和腐蚀产物扫描照片Fig.3Scanningphotosofcrosssectionandcorrosionproductsattheinternalwall表1内壁腐蚀产物能谱分析结果Tab.1EDSresultsofcorrosionproductsattheinternalwall?3腐蚀产物成分分析XPS分析结果如图4所示.由图4可见，腐蚀产物中Fe元素为Fe2+和Fe3+，C元素为C4+，O元素为O2—.腐蚀产物中的S元素的化合价为+6价，结合能谱分析可以判断，S元素应该是以BaSO4等硫酸盐的形式存在，而非Fe的硫化物.XRD结果见图5所示，表层腐蚀产物以FeCO3为主，还含有CaCO3和硫酸锶钡盐沉积物.紧贴金属壁腐蚀产物以FeCO3、Fe3O4和FeO(OH)为主，紧贴金属壁处有硫酸锶钡盐，但不含CaCO3.图4腐蚀产物XPS分析谱图Fig.4XPSdiagramofcorrosionproduct图5腐蚀产物XRD分析谱图Fig.5XPSdiagramsofcorrosionproduct4理化检验按照APISpec5L标准要求对样品进行理化检验，管体化学成分分析结果见表2，室温拉伸、夏比冲击试验和硬度试验的结果见表3.检测结果显示，管体材料各项性能均符合APISpec5L标准要求.表2海底管道管体化学成分检测结果Tab.2Chemicalcompositionofsubmarinepipeline注："一”表示APISpecSL对该元素质量分数未作要求〃总量”指V、Nb、Ti元素质量分数和？表3海底管道管体力学性能检测结果Tab.3Mechanicalpropertiesofsubmarinepipeline注："一”表示APISpec5L对断面收缩率未作要求？图6海底管道水样结垢量随压力和温度变化关系图Fig.6Relationshipsbetweentheamountofwatersamplescaleonsubmarinepipelineandpressureandtemperature5结垢预测及室内模拟实验5.1结垢预测参照SY/T5281—2000原油破乳剂使用性能检测方法（瓶试法）进行油水分离实验，结果在5min后，油水几乎完全分离.运用美国OLI公司ScaleChem3.2垢化学分析系统预测油水分离后的水样结垢趋势.图6为结垢量分别随压力和温度的变化关系.从图6中可以看出，此水样的结垢物中含有碳酸钙、氢氧化铁和硫酸钡等物质，这和XPS、XRD分析结果相吻合.其中硫酸钡和氢氧化铁含量随压力增大而增大，随温度升高而降低，碳酸钙恰好相反.5.2室内模拟实验室内模拟实验在高温高压釜内进行，根据结垢预测并结合现场垢样分析结果，现场工况应该由硫酸盐还原菌（SRB）、细砂和碳酸钙硫酸钡垢层共同组成.分别选取（a）有SRB有细砂无垢层、（b）无SRB有细砂无垢层、（c）有SRB有细砂有垢层、（d）无SRB有细砂有垢层4种典型工况，对比分析挂片的腐蚀情况，结果见图7.图7模拟海底管道腐蚀挂片平均腐蚀速率变化趋势图Fig.7Averagecorrosionratesofsubmarinepipelinecouponsunderdifferentsimulatedcorrosionconditions从图7中可以看出，釜底的挂片都要比同条件油水介质中的挂片腐蚀严重，有垢层工况下的腐蚀速率大约是无垢层的7倍，（。工况最符合现场，其釜底挂片腐蚀也最严重，等级为严重腐蚀.6分析及建议根据海底管道腐蚀部位外部与紧贴内壁的产物分析，海底管道内壁表层腐蚀产物显示为以CO2腐蚀为主，内壁还含有部分FeO（OH）和Fe3O4，是典型的垢下腐蚀[5-6]的特征.综合以上实验分析结果，判断海底管道的腐蚀失效过程为:管道流体在输送的过程中发生油水分离，水中CO2等腐蚀介质和SRB共同作用在管道内壁形成了硫酸锶钡盐垢层，加速了内管壁的腐蚀•垢层表面存在较多裂纹，利于垢下腐蚀的产生，从而造成管道严重腐蚀直至穿孔失效.为减缓该海底管道的垢下腐蚀，可以采取以下措施：1）优选适合该海底管道流体使用的防垢剂，将其加注于海底管道.该防垢剂可抑制CaCO3和硫酸锶钡盐沉积生成，破坏〃垢下”腐蚀的环境，从而避免垢下腐蚀的发生.2）增加流速，降低流体在海底管道内的停留时间，避免油水分离或者直接在平台进行油水分离，降低海底管道油水混合物的含水量.3）定期清管.为了有效破坏〃垢下”腐蚀环境，可采用直板或者皮碗等除垢较好的清管器，并对每次清管产物进行分析，确定清管效果.4）加强海底管道腐蚀检测.定期检测防垢剂和清管效果，腐蚀速率变化趋势，水样中结垢离子变化等，做到及时发现问题及时解决.7结论海底管道的材质满足APIspec5L的要求.内管存在由CaCO3、BaSO4和Fe(OH)3形成的结垢，垢层的存在使得管体的均匀腐蚀速率增大了约7倍.⑶垢下腐蚀是导致管道腐蚀穿孔失效的主要原因.参考文献：[1]夏日长，潘晓东.海底管道高温高压屈曲分析[J].中国造船，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，龙媛媛.油气管道防腐蚀工程[M].北京:中国石化出版社，2008.[4]徐乃欣•阿拉斯加油管腐蚀穿孔漏油[J].腐蚀与防护，2006,27(9):485-486.[5]HowellGA.Under-depositcorrosionatweldseamsincarbonsteelpiping[C].NewOrleans:Corrosion97,1997.[6]朱元良，姬鄂豫，邱于兵，等.用闭塞电池研究月桂酸根离子抑制碳钢垢下