20%23钢集输管线泄漏原因分析.pdf

五油管材与仪器50PETROLEUM TUBULAR GOODS&INSTRUMENTS2023年10 月失效分析与预防20#钢集输管线泄漏原因分析王凤仪,徐长松,李珩,杨周瑾,彭庆祥3,张继龙4（1.南方石油勘探开发有限责任公司海南海口5 7 0 10 0；2.中国石油集团工程材料研究院有限公司陕西西安7 10 0 7 7；3.西安长立油气工程技术服务有限公司陕西西安7 10 0 7 7；4.石油天然气冀东工程质量监督站河北唐山0 6 32 9 9）摘要：某油田的2 0#钢集输管线发生了穿孔泄漏事故，为了确定其泄漏原因，对泄漏钢管进行了理化性能试验、腐蚀形貌及腐蚀产物分析。结果表明，泄漏钢管材料的化学成分和拉伸性能符合GB/T8163一2 0 0 8 标准的要求。该钢管泄漏点位于钢管的底部位置，该部位的钢管内壁存在明显的腐蚀痕迹。该泄漏钢管的腐蚀产物主要包括Fe的氧化物、羟基氧化物及FeCO，和FeCl2（H,O)4。由于管线内的凝析油中含有水及较高浓度的HCO和CI,HCO；和CI-与钢管材料发生了电化学反应,其中HCO；与钢管内壁材料发生了阴极和阳极反应，CI-促进了钢管内壁腐蚀坑的形成，在自催化的作用下，腐蚀坑逐渐向钢管外壁扩展，最终穿透钢管管壁并发生了泄漏。关键词：集输管线；腐蚀；阴极反应；阳极反应中图法分类号：TE973D0I:10.19459/ki.61-1500/te.2023.05.010Cause Analysis of 20#Steel Gathering Pipeline LeakageWANG Fengyi,XU Changsong,LI Heng,YANG Zhoujin,PENG Qingxiang,ZHANG Jilong(1.Southern Petroleum Exploration&Development Corporation,Haikou,Hainan 570100,China;2.CNPC Tubular Goods Research Institute,Xian,Shaanxi 710077,China;3.Xian Changli Oil and Gas Engineering Technology Service Co.Ltd.,Xian,Shaanxi 710077,China;4.Jidong Quality Supervision Station of Petroleum&Natural Gas Engineering,Tangshan,Hebei 063299,China)Abstract:Leakage accident of 20#steel gathering pipeline occurred in an oil field.In order to analyze the cause of the leakage,the physi-cal and chemical properties of the leaked steel pipe were tested,the corrosion morphology was observed and the corrosion products were ana-lyzed.The results indicate that the chemical composition and tensile properties of the leaked steel pipe material meet the requirements ofGB/T 81632008 standard.The leakage point was located at the bottom of the pipeline,and there were obvious corrosion marks on the in-ner wall of the pipeline.The corrosion products of the pipeline mainly include iron oxides,ferric hydroxide,FeCO,and FeCl2(H,O)4.High concentration HCO;and CI-in condensate oil transported in the pipeline participated in the corrosion reaction of steel pipes,in whichHCO;participated in the cathodic and anodic reaction of the corrosion,Cl promoted the formation of corrosion pitting on the pipe innerwall.Under the self-catalysis effects,the corrosion pitting continued to expand and deepen,and finally penetrated the steel pipe wall resul-ting in leakage.Key words:gathering pipeline;corrosion;cathodic reaction;anodic reaction0引言油气田集输管线是从油气井的井口到油气田处理站、以及各处理站之间的油气输送管线，是油气田生产及油气输送过程中的主要设施。集输管线实现了油气井、文献标识码：A文章编号：2 0 9 6-0 0 7 7(2 0 2 3)0 5-0 0 5 0-0 5地面管线以及油气田处理站相互间的联通,构建成了油气田的地面集输及处理管网，是整个油气田地面工程的重要组成部分1-3。油气田集输管线的特点是口径小和压力低，集输管通常使用钢铁材料，且钢材牌号较多，主要包括2 0#钢、16 Mn以及低钢级的管线钢等。腐蚀是初投稿收稿日期：2 0 2 2-11-14;修改稿收稿日期：2 0 2 3-0 2-2 5第一作者简介：王凤仪，女，19 9 3年生，助理工程师，2 0 13年毕业于海南热带海洋学院英语专业，获学士学位，目前从事石油工程地面建设及石油储运工作。E-mail:2023年第9 卷第5 期影响集输管线安全运行的一个主要问题，与长输管线相比,集输管线的腐蚀问题更加复杂。根据各油田集输管线的失效情况,集输管线的腐蚀一般为电化学腐蚀。管线外壁的防腐涂层破损后，管线金属基体与外部环境相接触，受到土壤、大气及微生物等外部环境影响而发生腐蚀。管线内壁腐蚀主要受油气井采出介质的影响，特别是硫化氢、二氧化碳及氯化物含量较高的油气田，往往会导致集输管线内壁发生严重的腐蚀失效4-6 。1泄漏失效概况王凤仪等：2 0 钢集输管线泄漏原因分析40mm处存在一直径5 mm、深约1.5 mm的蚀坑，如图2所示。51腐蚀34562022年9 月某油田集输管线发生泄漏，泄漏管线的图2 钢管内壁腐蚀坑形貌钢管为2 0#钢无缝管，钢管直径为8 9 mm，壁厚为4.5mm，钢管产品标准为GB/T81632008输送流体用无缝钢管，管线设计压力为6.4MPa，泄漏失效时实际运行压力为1.1MPa,输送介质为凝析油混合液。该管线于2 0 17 年投产，采用钢管外涂层+恒电位仪阴极保护的防腐方式,对该管线井口处采集的凝析油混合液取样进行检测,其中Cl-和HCO；含量分别为335 31mg/L和2 670 mg/L,其酸碱度为 pH6 pH7。22宏观形貌及剩余壁厚测量该管线泄漏穿孔位于管线钢管的底部位置，穿孔部位的内外表面形貌如图1所示。图1穿孔钢管内外壁形貌从图1可见，该管线内壁没有防腐内涂层,其内壁发生了腐蚀。泄漏穿孔呈内大外小的漏斗形,穿孔内壁处直径为18 mm,外壁处直径为10 mm。除腐蚀穿孔外,在钢管底部位置还存在不同尺寸的腐蚀坑，如距穿孔元素C含量0.18GB/T 8163要求0.17 0.233.2拉伸试验在泄漏钢管的腐蚀程度较小的部位截取纵向拉伸试样，用UTM5305材料试验机依据GB/T228.12021标准进行拉伸试验，结果见表3。从表3可见，该泄漏钢管材料的力学性能符合GB/T81632008标准的要求。在泄漏钢管的轴线上随机选择3个垂直截面，在每个截面处测量钢管不同位置上的壁厚,结果见表1。从表1可见，在钢管6 点钟位置的壁厚值较小，即3个截面上6 点钟位置的壁厚测量值均低于钢管的公称壁厚。表1钢管壁厚测量结果mm钟点位置截面10点4.462点4.724点4.736点4.148点4.5810点4.443理化性能及腐蚀产物分析3.1化学成分分析在泄漏钢管上取样，用ARL4460直读光谱仪依据GB/T43362016标准的要求对其化学成分进行分析，结果见表2。从表2 可见，该泄漏钢管材料的化学成分符合GB/T81632008标准的要求。表2 钢管化学成分分析结果（质量分数）SiMn0.240.540.17 0.370.35 0.65截面24.714.544.523.724.834.42PS0.0160.005 60.0300.030表3钢管拉伸试验结果抗拉强度Rm下屈服强度ReL指标/MPa试验值494GB/T8163要求410 530截面34.504.694.734.294.714.47%CrNi0.0320.004 50.250.30/MPa354245Cu0.006 10.20断后伸长率A/%262052.3.3金相试验在泄漏钢管上取样进行金相试验，试验设备为OLS4100激光共聚焦显微镜，试验标准为GB/T132982015和GB/T105612005。经过金相试验，该泄漏钢管材料的非金属夹杂物检验结果为：A类0.5 级、B类0.5 级和D类1.0 级,这些夹杂物均为细系夹杂物。该泄漏钢管的金相组织为铁素体+珠光体,其组织晶粒度为7.0（内壁）8.0（外壁及壁厚中心处)级。钢管内壁、壁厚中心、外壁及腐蚀穿孔附近的金相组织如图3 6 所示。五油管材与仪器2023年10 月图6 钢管腐蚀穿孔处金相组织3.4腐蚀产物分析在泄漏钢管腐蚀坑部位取样,用扫描电镜能谱仪对其内壁的腐蚀产物进行分析。图7 为泄漏钢管内壁蚀坑附近的SEM形貌。从图7 可见，泄漏钢管内表面已经完全被腐蚀产物覆盖，腐蚀产物为疏松状态。对腐蚀产物层进行EDS面扫描分析，结果如图8 所示。从图8 可见，腐蚀产物中主要包括Fe、C l、C a、M g、A l 和Si等元素，其中Cl、C a、M g 主要来源于管内输送的凝析油混合液，图3钢管内壁金相组织Al和Si主要来源于泄漏钢管表面的土壤及灰尘。图7 钢管腐蚀穿孔处SEM形貌400图4钢管壁厚中心金相组织图5 钢管外壁金相组织36032028024020016012080Mg.40Na00在钢管内壁取腐蚀产物进行XRD分析,结果如图9所示。从图9 可见，腐蚀产物主要含有FeOOH、Fe C l,(H,O)4、Fe C O 3、Fe z 0,和Fe,04等。SiCIA1Ca4.738图8 钢管腐蚀产物EDS面扫描结果9.477kev14.21518.92023年第9 卷第5 期/25097-000-8198(FeCl(H,O)j(FeCI)(H,O)-Tetraaquadichlorciron(1)Tetrachloroferrate(I1)Hydrate104泄漏原因分析泄漏钢管材料的理化性能试验结果表明,其材料的化学成分和拉伸性能符合GB/T81632008标准的要求,其金相组织为珠光体+铁素体,组织晶粒度为7 8级。从图1和图3钢管宏观腐蚀形貌及表1中钢管壁厚测量数据可以看出,该钢管的腐蚀及壁厚减小主要集中在钢管内壁底部位置,钢管腐蚀穿孔具有内大和外小的特点，钢管内壁除了腐蚀穿孔外，还存在不同尺寸的腐蚀坑。除穿孔处外泄漏钢管外壁涂层没有发生损坏，因此该钢管的腐蚀主要起源和发生于其内壁。由于管线内凝析油混合液中的水分聚集于泄漏钢管底部，且该凝析油混合液含有较高浓度的电解质,导致了钢管内壁电化学腐蚀的发生。在中碱性环境中,钢管内壁腐蚀的阴极和阳极反应分别为7 ：0,+2H,0+4e40H(a)FeFe2+2eFe?+与阴极反应生成物 OH-反应生成Fe(OH)2,其在有氧的条件下氧化生成FeOOH：Fe2+OH-FeOH-FeOH-+OH-Fe(OH)22Fe(0H)2+1/2022Fe00H+H,0总电化学反应为：2Fe+02+2H,02Fe00H+2H*Fe(OH)为不稳定状态,除一部分氧化成FeOOH外，还会分解生成FeO：Fe(OH)2FeO+H,0此外，一部分FeOOH会逐渐脱去水分,形成Fe2O3：王凤仪等：2 0 钢集输管线泄漏原因分析ld-9.raw Commander SampleID100755053FeOOH-AFeci.(H).-FeCO:-Fe.Co,Fe.CO4-Feo-o7-003-1136Fe0(OH)-Iron(lll)OxideHydroxide-Ht00-006-0711Fe0-IronOxide00-021-0920Fe0-IronOxide97-026-3011Magnetite-Fe,0497-018-2821Siderite-Fe(CO,)2030图9腐蚀产物XRD分析结果在湿润条件下,钢管表面形成的FeOOH成为阴极去极化剂，在表面部位发生阴极还原反应：6Fe00H+2e-2Fe,04+2H,0+20H-因此,在中碱性环境中,其腐蚀产物应主要是铁的氧化物及羟基氧化物 。从现场凝析油混合液检测结果可以看出,该混合液含有较高浓度的HCO，和 Cl-,含量分别为2 6 7 0 mg/L和335 31mg/L,泄漏钢管内壁腐蚀产物中除了含有Fe的氧化物及羟基氧化物外,还包括FeCO，和FeClz（H,O)4,因此凝析油中的HCO；和Cl-也进行了钢管的腐蚀反应。HCO；对碳钢的腐蚀性受浓度影响较大,相关研究表明,当HCO；浓度较低（小于0.1 mol/L,即6 10 0 mg/L)时对碳钢具有侵蚀性，其促进了碳钢的阳极溶解，对碳钢表面的钝化起到抑制作用。但当其浓度超过0.1mol/L后,HCO；会促使碳钢表面生成更厚的腐蚀产物层,形成钝化膜，对碳钢的腐蚀具有保护作用9 。(1)在阳极溶解过程中HCO进行电极反应,其主要反(2)应为：(3)在含有HCO；的反应中,碳钢表面的阴极反应不仅(4)包括式（1)中的氧去极化反应,还包括：(5)0,+4HCO;+4e4CO,2-+2H,0除了HCO；外,凝析油混合液中还含有较高浓度的(6)CI-,Cl-具有半径小、穿透力强和容易被金属表面吸附的特点。Cl-能降低钢管表面钝化膜形成的可能性或加速钝化膜的破坏,从而促进了局部腐蚀的发生。在腐蚀(7)过程中Cl-与阳极溶解的Fe2+在金属表面形成疏松的氯化物盐层,并替代具有保护性的FeCO3膜，从而导致钢402.0/(）5060Fe+HCO;Fe(HCO,)ad+eFe+HCO,FeCO,+H+2e-702Fe00HFe,O,+H,080(8)(9)(10)(11)(12)54管内表面具有较高的点蚀率10 。在钢管内壁腐蚀过程中,铁与腐蚀产物膜的界面双电层结构更容易优先吸附Cl-，使界面处CI-浓度升高且发生富集，CI-富集区域钢管表面钝化膜被破坏而导致腐蚀加速，在钢管内壁金属表面形成点蚀坑，腐蚀坑内金属作为阳极溶解，而腐蚀坑外的金属基体因供氧充足,成为腐蚀原电池的阴极而得到保护。在腐蚀坑的发展过程中，为了保持腐蚀坑内的电荷平衡及腐蚀坑内的自催化作用，CI-透过腐蚀产物膜加速扩散到点蚀坑内，使点蚀坑内的Cl-浓度进一步增加,腐蚀坑内阳极反应生成的Fe2+与OH-反应生成FeOH,沉淀，促使腐蚀坑内电解质溶液逐渐酸化。当Cl-浓度超过一定临界值之后,腐蚀坑内的金属将一直处在活化状态而不会钝化，腐蚀坑不断扩大和加深,最后穿透钢管管壁而使钢管发生泄漏。5结论与建议1)集输管线用2 0#钢管的化学成分及拉伸性能符合GB/T81632008标准的要求,其金相组织为珠光体+铁素体,组织晶粒度为7 8 级。2)泄漏钢管腐蚀主要发生在钢管内壁底部位置，腐蚀穿孔起源于钢管内壁，由钢管内壁向外壁扩展。该管线腐蚀产物中主要包括铁的氧化物、羟基氧化物以及FeCO,和 FeCl,(H,O)4 3)凝析油中含有水分是导致泄漏钢管内壁发生电化学腐蚀的主要原因。另外，凝析油混合液中含有较高浓度的HCO；和CI-，促进了泄漏钢管内壁腐蚀的发生。4)为了保证管线安全，减少管线泄漏事故的发生，五油管材与仪器可以选择凝析油中添加缓蚀剂、采用耐蚀合金、非金属管及内衬管等方法，减缓或避免集输管线内输送介质对钢管的腐蚀。参考文献1李秋扬，赵明华，任学军，等.中国油气管道建设现状及发展趋势J.油气田地面工程,2 0 19,38（S1）：14-17.2钟伟平.油田集输管线的腐蚀原因及防腐措施分析J.全面腐蚀控制,2 0 2 1,35(4）:5 1-5 2,5 9.3】杨静,宋治国，李明元，等.油田地面集输管线腐蚀穿孔分析及防腐措施J.当代化工2 0 2 2,5 1（7）：15 43-15 46.4付晶，朱志平，裴锋，等.砂质土壤中的CI-含量对接地网材2 0 钢腐蚀行为的影响J.材料保护,2 0 13,46（9）：5 7-60,8.5刘贵宾，连宇博,韩创辉，等.长庆油田H转油站集输管线腐蚀原因分析J.石油化工应用，2 0 19,38（12）：10 8-111.6陈绍云，解鲁平,高昌保，等.某气田地面集输管线的腐蚀原因及控制措施J.腐蚀与防护,2 0 2 2,43（1）：7 8-8 1.7陈晓明,张锋,刘明璐，等.不同C1浓度和局部垢沉积下20钢的腐蚀行为J.材料保护,2 0 19,5 2（5）：12-16.8聂向晖，李维星，丰振军，等.Q235B消防水管道泄漏原因分析J.焊管,2 0 2 2,45(9):42-46.9张军,慕立俊,赵文.HCO，对J55钢在1%NaCI溶液中腐蚀行为的影响J.腐蚀科学与防护技术,2 0 10,2 2(3)：188-191.10张雷,国大鹏，路民旭.Cl-含量对J55钢CO,腐蚀行为的影响J.中国腐蚀与防护学报,2 0 0 9,2 9（1）：6 4-6 8.2023年10 月(编辑：葛明君）关于召开石油管材与仪器2 0 2 3年度编委会会议的通知为了提高石油管材与仪器办刊质量和水平，促进各位编委、青年编委、审稿专家、作者和编辑部的交流，石油管材与仪器编辑部定于2 0 2 3年10 月2 5 2 7 日召开“石油管材与仪器2 0 2 3年度编委会会议”，诚挚邀请各位编委、青年编委、优秀审稿专家和优秀作者参加。（石油管材与仪器编辑部）