某油田采油樹出口管段腐蝕問題分析

李志奇

（中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津 300459）

0 引言

采油樹是一種油田井口裝置，主要用于開采石油，它連接井下各層套管和工藝管，穩(wěn)定良好的運(yùn)行保障了油田的穩(wěn)定生產(chǎn)。隨著油田運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，采油樹作為油田采油環(huán)節(jié)到輸送處理環(huán)節(jié)承上啟下的重要組件卻腐蝕事件頻發(fā)。主要包含大氣環(huán)境下的氧腐蝕，高壓高流速引起的沖蝕，酸性介質(zhì)造成的硫化氫、二氧化碳腐蝕等。本文對(duì)某油田采油樹出口管段的腐蝕失效開展了原因分析。

1 腐蝕分析

1.1 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研

本次腐蝕失效管件為某油田C7井的油嘴出口彎頭，該井為電潛泵井，介質(zhì)形態(tài)為油氣水混合，該井日產(chǎn)液量598.7方。呲漏位置位于C7井采油樹油嘴下游第一道法蘭環(huán)焊縫處，如圖1所示。

1.2 基礎(chǔ)分析

1.2.1 基礎(chǔ)資料收集

失效位置位于C7井油嘴下游第一道法蘭環(huán)焊縫處，漏點(diǎn)位置如圖2所示。管線內(nèi)介質(zhì)為油、氣、水混合物，操作壓力約為2.3MPa，操作溫度約為45℃。該管線于2009年投入使用，截止至失效日已服役近11年。

1.2.2 宏觀形貌分析

失效管件位于井口處，由兩個(gè)彎頭一個(gè)三通以及一段直管焊接而成，用線切割將失效管件剖開，失效管件內(nèi)壁宏觀形貌如圖3所示，整個(gè)管件共有5道焊縫，其中位于主管上的焊縫腐蝕嚴(yán)重，焊縫金屬損失較多，在焊道內(nèi)有肉眼可見的小圓球。位于三通支管上的焊縫未發(fā)生腐蝕，對(duì)各焊縫進(jìn)行編號(hào)，按照流體方向依次編為WS1、WS2、WS3、WS4，支管焊縫為WS5。三通整個(gè)內(nèi)壁呈嚴(yán)重的蜂窩狀腐蝕形貌，但是支管處沒有蜂窩狀形貌，三通編號(hào)為T1。彎頭和直管內(nèi)壁無(wú)明顯腐蝕。

1.2.3 尺寸測(cè)量分析

采用壁厚千分尺對(duì)失效彎頭橫截面處進(jìn)行壁厚測(cè)量，從檢測(cè)結(jié)果可以看出檢測(cè)點(diǎn)3壁厚最小，測(cè)量結(jié)果為11.960mm，兩側(cè)壁厚逐漸增大，其中檢測(cè)點(diǎn)1處壁厚測(cè)量結(jié)果為16.621mm。

表1 壁厚測(cè)量結(jié)果

1.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)方案如表2所示。

表2 試驗(yàn)方案

1.4 化學(xué)成分分析

采用SPECTRO LABLAVM11直讀光譜儀開展失效管件的成分分析，檢測(cè)結(jié)果如表3所示，檢測(cè)結(jié)果表明，三通、彎頭、直管段材質(zhì)相近，基本符合20#鋼化學(xué)成分要求。5條焊縫材質(zhì)相近，但是化學(xué)成分與基體差異較大，焊縫中C元素含量低，Mn元素含量高。

表3 化學(xué)成分分析結(jié)果

1.5 金相分析

依據(jù)GB/T 13298-2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》，對(duì)失效管件開展金相組織分析，侵蝕液為4%硝酸酒精。從金相組織分析結(jié)果來(lái)看，三通、彎頭、直管金相組織為鐵素體+珠光體，1#焊縫和5#焊縫熱影響區(qū)出現(xiàn)了魏氏組織，韌性較差。

金相分析結(jié)果如表4所示。

表4 金相分析結(jié)果

1.6 SEM+EDS分析

在1#焊縫處取樣（WS1），采用OXRORD EVO-18多功能掃描電鏡對(duì)1#焊縫進(jìn)行微觀形貌分析。在觀察之前未對(duì)試樣表面進(jìn)行清洗，1#焊縫腐蝕坑處形貌如圖6為600倍形貌。微觀形貌可以看出，腐蝕坑表面附著一些顆粒物，顆粒物形狀不規(guī)則，呈亮白色；腐蝕坑表面呈冠狀形貌，冠狀球體與基體相連，特別規(guī)整。

對(duì)腐蝕坑表面進(jìn)行EDS分析，檢測(cè)結(jié)果如表5所示，其中點(diǎn)8為腐蝕坑表面物，點(diǎn)9和點(diǎn)10為腐蝕坑表面亮白色不規(guī)則顆粒物，點(diǎn)11為腐蝕坑表面。檢測(cè)結(jié)果表明，表面顆粒物成分相近，其中鐵元素含量在34%～42%之間，雜質(zhì)元素較多，可能為焊縫內(nèi)的夾雜物或者流體沖刷攜帶的顆粒物。點(diǎn)11處鐵元素含量為70.62%，氧元素含量為8.07%，主要元素組成為C、O、Fe、Si、Mn、Mo，是基體的主要組成元素，但其中C、O含量較高，因此，腐蝕坑表面含有少量的氧化產(chǎn)物。

表5 1#焊縫腐蝕坑表面EDS檢測(cè)分析結(jié)果

圖7為2#焊縫附近母材的100倍形貌，從圖中可以看出，基體表面覆蓋一層致密的物質(zhì)，基體中還嵌入了一些顆粒物。從結(jié)構(gòu)上可以看出，顆粒物為夾雜物的可能性較大。對(duì)母材表面、內(nèi)部顆粒物進(jìn)行EDS分析，分析結(jié)果如表6所示，分析結(jié)果表明，母材表面致密覆蓋層中鐵元素含量較低，含有一定的氧元素和鈣元素，可能是腐蝕產(chǎn)物和垢樣混合物形成的覆蓋層；顆粒物中鐵元素含量較低，含有一定的硅、鈣元素，從顆粒物的元素組成及微觀結(jié)構(gòu)判斷，顆粒物是嵌在基體中的雜質(zhì)。

表6 1-2表面顆粒物EDS檢測(cè)分析結(jié)果

圖8為2#焊縫焊道內(nèi)低倍形貌，可以看出被腐蝕發(fā)焊縫表面是蜂窩狀，在表面覆蓋了一層腐蝕產(chǎn)物。圖9是2#焊縫焊道內(nèi)另一處低倍形貌，從圖中可以看見焊縫表面有鼓包形貌，還有鼓包破裂后留下的凹坑形貌。從圖9（b）可以明顯看出，在焊縫表面附著的圓球是空心的。這與宏觀上焊縫內(nèi)可見的小圓球應(yīng)是同一物質(zhì)，只是尚未脫落而已。位焊縫表面小圓球掃描電鏡下的形貌，邊上是破裂后的小圓球，小圓球是空心的，很容易碎。對(duì)小圓球的外表面和內(nèi)表面進(jìn)行EDS分析，分析結(jié)果如表7和表8所示，從分析結(jié)果可以得出，小圓球外表面元素組成與基體相近，鐵元素含量較高，小圓球內(nèi)表面鐵元素含量較外表面明顯偏低，其中Mn元素的含量偏高，從焊接方面及圓球的結(jié)構(gòu)和元素組成判斷，圓球是焊接過程中形成的焊渣。

表7 球形顆粒物表面EDS檢測(cè)分析結(jié)果

表8 球形顆粒物內(nèi)部EDS檢測(cè)分析結(jié)果

采用對(duì)4#焊縫進(jìn)行清洗，清洗液為加入了白貓洗衣液的溶液，溫度60℃。清洗后在掃描電鏡下進(jìn)行觀察分析，4#焊縫是連接直管與三通的，三通表面為蜂窩狀形貌，三通表面蜂窩深度大，往4#焊縫方面深度逐漸較小。對(duì)4#焊縫附近的蜂窩進(jìn)行放大觀察，600倍形貌如圖10所示，表面有蝕孔和坑，1000倍形貌如圖11所示，微觀形貌也是蜂窩狀，基體內(nèi)有多處孔洞。

2 結(jié)論及建議

2.1 原因分析

2.1.1 焊縫失效原因分析

化學(xué)成分檢測(cè)結(jié)果表明，失效管件中的彎頭、三通、直管化學(xué)成分相近，根據(jù)平臺(tái)材質(zhì)選型習(xí)慣以及各元素組成及含量對(duì)比，彎頭、三通、直管的材質(zhì)為20#鋼。失效管件中共有5道焊縫，焊縫材質(zhì)相近，5道焊縫選用的焊條為同一焊條。但是焊縫的化學(xué)成分和母材的化學(xué)成分差異較大，焊縫中碳含量較低，Mn含量較高，Mn元素可提高焊縫的韌性。根據(jù)低碳鋼焊條選用原則，20號(hào)鋼焊接一般選用J422、J426、J427，對(duì)比焊條的化學(xué)成分，尤其是Mn元素的含量，推測(cè)焊接選用的焊條為J426或者J427，J426和J427焊條中Mn含量較高，含量要求≥1.25%。在焊條選用方面采用的是等強(qiáng)原則。由于沒有收集到施工過程中的焊接工藝信息，此部分信息為根據(jù)化學(xué)成分結(jié)果及焊接原則分析的結(jié)果。

金相檢測(cè)結(jié)果表明母材組織（彎頭、三通、直管）為鐵素體+珠光體，從金相組織來(lái)看，彎頭、三通、直管未做過熱處理。從焊縫組織分析結(jié)果來(lái)看，1#焊縫和5#焊縫熱影響區(qū)組織為魏氏組織，性能較差。

1#～4#焊縫發(fā)生了腐蝕，而5#焊縫未發(fā)生腐蝕，與其接觸介質(zhì)有關(guān)，因?yàn)橹鞴芫€內(nèi)的介質(zhì)是油和水，三通支管內(nèi)的介質(zhì)時(shí)天然氣。1#～4#焊縫在接觸油水時(shí)，焊縫發(fā)生了優(yōu)先腐蝕。焊縫、金屬母材以及焊接過程中產(chǎn)生的熱影響區(qū)由于熔化過程，導(dǎo)致了焊縫切面上金屬成分與顯微結(jié)構(gòu)的差別，造成熱影響區(qū)、母材、焊縫電位的不同，產(chǎn)生了惰性最小元素優(yōu)先溶解作用；其次，在焊條選用方面，焊條成分與母材成分差異巨大，也是形成焊縫及其熱影響區(qū)優(yōu)先腐蝕的原因。在焊縫表面發(fā)現(xiàn)了圓形的焊渣，對(duì)焊縫質(zhì)量造成了影響，這也是造成焊縫處及其附件優(yōu)先腐蝕的原因。以上三種因素，造成了焊縫及熱影響區(qū)與母材電化學(xué)電位的差異，造成了焊縫處的優(yōu)先腐蝕。

2.1.2 三通失效原因分析

失效管件內(nèi)的介質(zhì)是油氣水，氣是從三通支管處匯入的，在三通處形成了氣泡，是三通發(fā)生了空泡腐蝕，且空泡腐蝕的界線相當(dāng)清晰，從支管入口處開始，三通兩側(cè)焊縫處截止。空泡腐蝕的表現(xiàn)形貌類似于點(diǎn)蝕，但蝕坑的分布比點(diǎn)蝕坑密集得多，且表面往往變得十分粗糙，呈蜂窩狀或海綿狀。空泡腐蝕的宏觀特征可歸納為五點(diǎn)，即外形輪廓似馬蹄或動(dòng)物頭骨，腐蝕坑內(nèi)部形如盆地，穿孔在盆地底部且孔很小，斜面上布滿擠出棱，腐蝕坑表面無(wú)明顯腐蝕覆蓋物。從宏觀形貌上，三通內(nèi)表面的形貌與空泡腐蝕特征完全吻合。

2.2 結(jié)論

（1）經(jīng)材質(zhì)鑒定，彎頭、三通、直管材質(zhì)相同，可能為20號(hào)鋼；

（2）焊縫滲漏處失效原因是由于在焊縫處發(fā)生了優(yōu)先腐蝕；

（3）現(xiàn)場(chǎng)施工中采用的焊接原則是等強(qiáng)匹配原則，所選用的焊條成分與母材成分差異較大；其次在焊縫表面發(fā)現(xiàn)了圓球狀的焊渣，是造成焊縫優(yōu)先腐蝕的原因；

（4）三通失效原因是發(fā)生了空泡腐蝕。

2.3 建議

（1）焊接施工過程中焊條的選用要考慮等條件原則；其次要嚴(yán)格把控焊接質(zhì)量，焊接前要有焊接工藝評(píng)定報(bào)告；

（2）空泡腐蝕要引起高度重視。可以通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，盡量避免管道內(nèi)徑的突然變化來(lái)解決，或者對(duì)管道表面做涂層處理，如涂覆碳化鎢或陶瓷等。