川南頁巖氣地面流程測試管線刺漏原因及機理分析

徐 軍,李世勇,陳世波

1中國石油川慶鉆探工程有限公司鉆采工程技術研究院 2低滲透油氣田勘探開發國家工程實驗室 3中國石油川慶鉆探工程有限公司長慶井下技術作業公司

0 引言

2017年7月到2019年5月上旬，川南頁巖氣自營區塊測試管線共發生22起刺漏事件。刺漏部位有分離器配管、法蘭管線和地面油管等位置，其中分離器配管刺漏最嚴重，刺漏點主要在彎頭和焊縫處。頻繁的刺漏事故，嚴重影響了頁巖氣的正常生產，而且刺漏后造成環境污染、人員傷害及帶來作業現場安全隱患。因此，如何減少由于刺漏導致的失效事故，延長分離器的使用壽命，確保地面測試系統正常運行，對于頁巖氣的穩產與增產具有重要意義。目前，自營區塊針對測試管線的刺漏現象，采取以更換為主的措施，僅有一個平臺采取加注藥劑進行防腐。防腐手段單一，經濟成本較高，且對管線刺漏原因認識還不夠清晰，需開展失效原因分析。

1 試驗檢驗及結果

1.1 宏觀分析

圖1和圖2分別為分離器配管彎頭和變徑管焊縫宏觀腐蝕形貌。由圖1(a)可見，彎頭腐蝕以條形片狀、坑狀特征為主，腐蝕嚴重區主要集中在彎頭的外側，且腐蝕痕跡有顯著的方向性，即存在流體沖刷腐蝕痕跡，即紅色區域。由圖2(a)可見，變徑管管體腐蝕相對輕微，腐蝕嚴重部位在焊縫處，尤其是下部焊縫，出現明顯環向溝槽。采用超聲波測厚儀對剩余壁厚進行測量，可以看出彎頭壁厚減薄嚴重位置在外側，見圖1(b)中陰影部分，最小剩余壁厚為5.9 mm;變徑管壁厚減薄嚴重位置在焊縫位置，最小剩余壁厚為6.3 mm。

圖1 彎頭宏觀腐蝕形貌

圖2 變徑管焊縫宏觀腐蝕形貌

1.2 腐蝕環境及腐蝕介質分析

頁巖氣含二氧化碳0.7%～1.6%，為低含二氧化碳、不含硫化氫氣藏。根據現場調研情況，分別在失效最嚴重和未出現失效情況的分離器內取水樣，進行水質全分析。參照SY/T 0532-2012標準[1]對水介質進行細菌種類及含量測定，兩個分離器內水質離子含量接近，差異較小,如表1所示。腐蝕嚴重分離器內水質的細菌含量反而小于腐蝕輕微分離器內水質的細菌含量。由此可見水質腐蝕性(Cl-、礦化度、細菌)不是造成分離器配管頻繁刺漏的主因。

表1 分離器內水質檢測結果

1.3 材質性能分析

1.3.1 化學成分

彎頭外側和內側、變徑管管體和焊縫化學成分分析結果如表2所示，分析結果表明彎頭和變徑管管體的化學成分均滿足ASTM SA106C高溫用無縫碳鋼公稱管標準要求[2]。變徑管焊縫化學成分中C、Si、Mn等元素成分顯著增加，與母材成分差異較大。元素種類及含量對材質的耐蝕性和機械性能都有影響，例如：隨C元素含量增加，鋼的硬度上升，塑性和韌性降低，耐蝕性降低；Si元素含量增加，則降低鋼的焊接性能；Mn元素含量增加，鋼的抗腐蝕能力減弱，焊接性能降低。由此可見，焊縫的耐蝕性與母材相比有所下降。由于焊縫與母材的化學成分存在一定程度的差異，焊縫處容易形成濃差極化的腐蝕微電池，發生嚴重的電化學腐蝕。

表2 彎頭、變徑管管體和焊縫化學成分分析結果

1.3.2 金相組織

圖3和圖4分別為彎頭外弧側和內弧側的金相組織，彎頭外弧側和內弧側組織均為鐵素體+珠光體，組織分布均勻，沒有偏析現象，也未發現馬氏體等組織，但外弧側晶粒較內側粗大，其耐蝕性降低。

圖3 彎頭外弧側金相組織

圖4 彎頭內弧側金相組織

圖5和圖6分別為變徑管管體和焊縫的金相組織，變徑管管體組織為鐵素體+珠光體；焊縫部位金相組織比管體母材組織更細小，熱影響區組織明顯粗大，抗腐蝕性能降低。

圖5 變徑管管體金相組織

圖6 變徑管焊縫金相組織

1.3.3 電化學性能

分別在變徑管管體和焊縫取2組平行試樣，采用電化學方法測試兩組平行試樣的自腐蝕電位和自腐蝕電流，分析化學成分和組織對腐蝕性能的影響。電化學測試由AMETEK公司生產的M237A恒電位儀完成。動電位極化曲線測量的電位為-1 000～+300 mV，掃描速度為0.166 7 mV/s。試驗介質為現場采出水，試驗溫度30 ℃。圖7為2組母材和2組焊縫試樣極化曲線測試結果。由圖7可見，母材的自腐蝕電位更正，其發生電化學腐蝕的驅動力相對較小，運用極化曲線分析軟件對圖7進行分析，參數擬合結果如表3所示。

圖7 母材和焊縫極化曲線測試結果

由表3可見，焊縫和母材的自腐蝕電位差超過50 mV，當異種金屬相接觸，電位差在50 mV以上時，會導致明顯的電偶腐蝕。因此，焊縫和母材之間會產生電偶腐蝕，焊縫為陽極，優先被腐蝕。根據擬合結果，焊縫的自腐蝕電流密度高于母材，即焊縫的耐蝕性較母材更差。

表3 極化曲線參數擬合結果

1.4 腐蝕形貌及腐蝕產物分析

圖8和圖9分別為彎頭內側和變徑管內壁微觀腐蝕形貌。由圖可見，管內表面腐蝕產物脆存在大量裂紋，對基體無保護作用。取管內壁腐蝕產物進行X射線衍射分析，分析結果表明腐蝕產物主要為FeCO3、FeS和Fe3S4，即管內壁腐蝕為CO2和H2S腐蝕。

圖8 彎頭內測管壁腐蝕產物微觀形貌

圖9 變徑管內壁腐蝕產物微觀形貌

1.5 彎頭內流體軟件模擬

由于彎頭處結構的特殊性，其腐蝕往往會更嚴重[3]。彎頭的腐蝕與流體的運動息息相關，多相流經過彎頭后流速、液相分布、湍動能、壓力的大小分布都發生變化，加速彎頭的腐蝕[4]。利用ANSYS軟件進行管道流體介質模擬分析，重點分析流體介質對管道沖刷作用以及管道的薄弱環節。圖10為彎頭內流體介質模擬分析示意圖。假設液體流動方向如圖10所示，在管內A處流體急轉，A處壓力增大，符合自由渦流理論，即彎頭薄弱點在外側，液相和壓強較大的點主要分布在彎頭外側[5～9]。因此，彎頭外側是腐蝕嚴重區域，流體對此處沖刷效果明顯，腐蝕產物被流體帶走，不斷露出新鮮金屬表面，加劇外側腐蝕。由軟件模擬分析可知，模擬失效部位與實際試樣失效部位吻合。且隨著流速和腐蝕介質腐蝕性的增強，沖刷腐蝕現象會更加明顯。

圖10 彎頭沖刷腐蝕模擬示意圖

2 失效原因及機理分析

2.1 彎頭腐蝕原因及機理

分離器配管彎頭沖刷腐蝕明顯，嚴重部位為彎頭外側。沖刷腐蝕是金屬表面與腐蝕流體之間由于高速相對運動引起的金屬損傷。對彎頭部分作受力分析，彎頭內的流體遵循動量守恒定律。在流體中取1-1′到2-2′界面小單元進行分析，流體對彎頭內壁的壓力R見圖11[10]，Rx′為X軸方向壓力，Ry′為Y軸方向壓力，θ為彎曲角度，p1和p2分別為1-1′和2-2′截面處的壓力。設定彎頭兩端管徑相同，各截面流速和壓力也相同，則：

圖11 彎頭內壁受力分析

Rx′=(cosθ-1)(ρQV+pA)

(1)

Ry′=sinθ(ρQV+pA)

(2)

R=(ρQV+pA)(cosθ-1)2+ sin2θ

(3)

式中：ρ—流體密度,kg/m3；Q—流量,m3/s；V—截面處流速,m/s；A—截面處截面積,m2。

根據式(3)可知，管內壁受到的側壓力隨θ的增大而增大，即直管內流體對管壁無壓力，無沖刷作用，90°彎頭的側壓力最大，沖刷作用也最強。沖力的大小與流體的流速和管內壓力成正比，即介質對管壁的壓力越大，流速就越快，沖力就越大，沖刷作用就越嚴重。在腐蝕介質作用下，腐蝕產物受沖刷作用而剝落，不斷露出新鮮金屬被腐蝕。這樣管內流體對彎頭內管壁長時間的沖刷腐蝕作用，使其壁厚減薄直至發生刺漏[6]。

2.2 焊縫腐蝕原因及機理

變徑管焊縫化學成分與母材差異較大，存在組織不均勻性，導致焊縫發生嚴重溝槽腐蝕。焊縫區溝槽腐蝕，是焊縫及其熱影響區與基體金屬在腐蝕介質中電化學不均勻性引起的局部選擇性腐蝕，其特征為焊縫具有更低的腐蝕電位(見圖7)，優先發生腐蝕。焊縫的電化學不均勻性，是焊接過程中急熱和急冷引起金屬局部的一些化學成分、組織等變化的結果[11]。通過優化焊接工藝，如調制處理，使各元素在不同區域發生擴散和均勻化，從而減小焊縫和母材的原電池電位，降低焊縫溝槽腐蝕敏感性[12]。

2.3 管內壁腐蝕原因及機理

根據上述分析結果，彎頭失效主要原因為沖刷腐蝕失效，焊縫失效主要原因為溝槽腐蝕失效。除以上主因外，管內輸送介質含有腐蝕性氣體也會加劇彎頭和焊縫的腐蝕。根據腐蝕產物XRD分析結果，管內腐蝕產物為FeCO3、FeS和Fe3S4，表明管內壁發生CO2和H2S腐蝕。CO2來源于天然氣組分，但頁巖氣氣質組分中不含H2S，從水質全分析中，所有被測水樣中均含有較高含量的硫化物和SRB，表明硫酸鹽還原菌是硫化氫的主要來源。在無氧或極少氧情況下，SRB利用金屬表面的有機物作為碳源，并利用細菌生物膜內產生的氫，將硫酸鹽還原成H2S，H2S在基體表面形成黑色導電層FeS，黑色導電層將基體與介質連通，將基體Fe失去的電子傳至表面，發生陰極反應，加速管道腐蝕。SRB腐蝕機理為陰極去極化理論，與其對應的電化學反應式如下：

4Fe→ 4Fe2++8e(陽極過程)

(4)

8H2O→ 8OH-+8H+(水的電離)

(5)

8H++8e→ 8H(陰極過程)

(6)

(7)

Fe2++S2-→ FeS(腐蝕產物)

(8)

3Fe2++6OH-→ 3Fe(OH)2(腐蝕產物)

(9)

總反應式為：

4Fe2++SO42-+4H2O→ FeS+3Fe(OH)2+2OH-

(10)

3 結論

(1)失效彎頭和變徑管管體材質化學成分滿足標準要求，金相組織無明顯異常。

(2)分離器配管彎頭失效原因為流體沖刷腐蝕失效。

(3)變徑管焊縫化學成分與管體差異較大，存在組織不均勻性，導致焊縫發生溝槽腐蝕失效。

(4)管內輸送介質含有CO2腐蝕性氣體和硫酸鹽還原菌，從而產生二氧化碳和硫化氫協同腐蝕，加速了彎頭和焊縫的腐蝕失效。