L320原油輸送管道靜置段的腐蝕機理

2019-07-27 03:48:54孔韋海艾志斌王萌萌2費勤楠

腐蝕與防護 2019年7期

孔韋海,艾志斌,胡盼,萬章,張強,王萌萌2,費勤楠

(1. 合肥通用機械研究院有限公司，國家壓力容器與管道安全工程技術研究中心，安徽省壓力容器與管道安全技術重點實驗室，合肥230031;2. 中國石化管道儲運有限公司，徐州 221008)

原油管輸系統作為一種經濟安全的原油輸送方式，近10年來受到大力發展。隨著原油的深度開采和質量的不斷劣化，管道的服役環境越來越苛刻，原油輸送管道因腐蝕導致失效的現象時有發生，已成為威脅管道安全的重大因素之一。馬惠寧輸油管道發生內腐蝕穿孔泄漏事故[1]，塔河油田某站外輸管線在管道底部集中發生多處穿孔泄漏事故[2]，南京輸油處所轄長興、儀征和石埠橋輸油站發生多起站內管網腐蝕穿孔事故[3]。這些事故都發生于低運輸量段、低壓段等久置不用的靜置管道，失效形式多為局部腐蝕穿孔。原油的泄漏不僅會給安全生產帶來威脅，更會對環境和人員造成危害。

基于此，為探明原油輸送管道靜置段的主導腐蝕因素和腐蝕機理，本工作選取某輸油場站內Φ610 mm的L320輸油管道靜置段失效件作為研究對象，通過對其進行現場調研、理化檢驗、掃描電鏡觀察(SEM)、X射線衍射(XRD)，分析了管道的主導腐蝕因素，并通過實驗室模擬工況試驗對主導腐蝕因素進行驗證，通過電化學方法分析其腐蝕機制，期望能為輸送管道的同類腐蝕失效分析和防腐蝕措施制定提供理論參考。

1 試驗

試驗材料取自某輸油場站某靜置段L320輸油管道，采用SpectroMAXx直讀光譜儀、SHT4505電液伺服萬能試驗機和XJG-05型金相圖像分析儀對材料的化學成分、力學性能和金相組織進行測試。采用ZEISS Supra40場發射電子掃描顯微鏡和D8 Advance X射線衍射儀(Cu靶Kα，步長0.02°)進行腐蝕產物形貌、成分和物相分析。

電化學測試采用Zahner Zennium E型電化學工作站，采用三電極體系，輔助電極為鉑電極，參比電極為飽和的甘汞電極(SCE)。試樣表面(工作面積為1 cm2)經耐水砂紙(200～1 000 號)逐級打磨，將制備好的試樣浸入丙酮溶液中進行超聲波清洗，取出吹干后放入干燥皿中備用。試驗溶液為飽和H2S+ CO2(<50 mg/L)+5%(質量分數)NaCl溶液，為更好地模擬材料在沉積水中的腐蝕，避免極化對腐蝕體系的影響，間隔3～5 d僅對試樣進行開路電位(OCP)和電化學阻抗譜(EIS)測試。電化學阻抗譜測試施加的正弦波電位階躍信號為10 mV，頻率掃描范圍為50 mHz～100 kHz。

2 結果與討論

2.1 現場調研

調研表明:管道內壁有大量含較強腐蝕性介質的原油沉積水，沉積部位主要在管道內壁下部，與管道發生腐蝕減薄和穿孔失效的部位相同，說明該L320管道的腐蝕減薄穿孔與原油沉積水有較大關系[1-4,7]。

(a) 內壁宏觀腐蝕形貌

(b) 內壁局部腐蝕形貌

2.2 理化性能

表1是L320試樣的化學成分和力學性能實測值及其對應標準GB/T 9711—2017《石油天然氣工業管線輸送系統用鋼管》中的要求。由表1可見：該管道的化學成分、屈服強度和抗拉強度均符合標準要求。

表1 L320試樣的化學成分、力學性能及其對應的標準要求Tab. 1 Chemical composition, mechanical properties of L320 specimen and correspanding standard values

由圖2可見：失效件的顯微組織為多邊形鐵素體-珠光體組織(PF+P)，晶粒均勻細小，夾雜物和金相組織未見異常。

圖2 失效管段的顯微組織形貌Fig. 2 Microstructure of the failed pipeline

失效管段的內腐蝕是由于腐蝕介質作用于管道引起的，介質與材料是腐蝕機理研究中不可分割的部分。L320鋼管的化學成分、力學性能和金相組織等均符合標準要求，這表明腐蝕穿孔失效并非材料本身問題。

2.3 腐蝕產物形貌和成分分析

(a) 腐蝕產物形貌

(b) EDS分析結果圖3 腐蝕產物形貌和EDS分析結果Fig. 3 SEM image (a) and EDS analysis results (b) of corrosion products

圖4 腐蝕產物XRD譜Fig. 4 XRD pattern of corrosion products

從腐蝕產物的成分可知，在含有H2S和CO2的沉積水中，兩種氣體在水中發生電離反應[10-11]：

(1)

(2)

(3)

(4)

碳鋼在沉積水中發生的電化學反應：

(5)

(6)

(7)

由式(1)～(7)可見：L320輸油管道中的沉積水直接導致了腐蝕，且其主導因素為沉積水中CO2的溶解與H2S的電離后與金屬基體發生了電化學反應。

2.4 電化學試驗結果

由圖5(a)可見：試樣表面存在腐蝕產物時，隨著浸泡時間的延長，Nyquist圖的半徑越來越小，即阻抗值隨浸泡時間的延長而減小，這說明在該體系中，隨浸泡時間的延長，腐蝕傾向加劇，即腐蝕速率增加。

為確定腐蝕速率的增加與腐蝕產物之間的關系，試樣在模擬溶液中靜置26 d后，將試樣表面的腐蝕產物用軟刷去除，隨后在相同的環境中繼續電化學試驗，見圖5(b)。由圖5(b)可見：去除腐蝕產物后，試樣的電化學阻抗譜的半徑明顯大于有腐蝕產物時的，說明去除腐蝕產物后阻抗增大，腐蝕傾向減弱，腐蝕速率下降，即腐蝕產物的存在加速腐蝕。由圖5(b)還可見：去除腐蝕產物后，隨著浸泡時間的延長，腐蝕產物逐漸生成，電化學阻抗譜半徑減小，這進一步證明腐蝕產物加速試樣的腐蝕。

(a) 去除腐蝕產物前

(b) 去除腐蝕產物后圖5 試樣在模擬沉積水環境中浸泡不同時間后的電化學阻抗譜Fig. 5 EIS of L320 samples immersed in simulated sedimentary water for different times with(a) and with out (b) corrosion products