南海某油田真空泵腐蝕失效原因分析

陳海兵 于海濤

（中海油能源發(fā)展裝備技術(shù)有限公司，天津 300459）

0 引言

南海油田某平臺(tái)所用真空泵2009年投入使用，2021年10月，發(fā)現(xiàn)真空泵出現(xiàn)故障，嚴(yán)重影響油田的正常生產(chǎn)，隨后維修人員對真空泵進(jìn)行拆解，發(fā)現(xiàn)真空泵葉輪一端腐蝕嚴(yán)重，一端腐蝕不嚴(yán)重。腐蝕嚴(yán)重一端的葉輪根部和邊緣部位有明顯的局部腐蝕坑，腐蝕坑大小不一，分布密集，表面覆蓋紅棕色腐蝕產(chǎn)物。具體如圖1所示。

在油氣田生產(chǎn)運(yùn)營過程中，發(fā)生真空泵葉輪失效，影響海上平臺(tái)正常生產(chǎn)的事件時(shí)有發(fā)生，葉輪腐蝕失效的原因眾多，深入研究葉輪失效原因，根據(jù)失效原因制定針對性措施，避免此類事件再次發(fā)生，總結(jié)此類腐蝕治理的經(jīng)驗(yàn)，為今后葉輪失效原因及預(yù)防措施提供參考依據(jù)[1]。

1 理化性能檢測

針對真空泵理化性能進(jìn)行檢測，分析葉輪腐蝕失效原因，主要包括拉伸性能、化學(xué)成分分析、金相顯微分析、掃描電鏡及能譜分析、腐蝕產(chǎn)物XRD分析[2]。

1.1 拉伸性能分析

金屬材質(zhì)的拉伸試驗(yàn)是測定材料彈性、強(qiáng)度、延性、應(yīng)變硬化和韌度等重要的力學(xué)性能指標(biāo)，是材料的機(jī)械力學(xué)性能，對于銅合金材質(zhì)，通過測定材料在軸向拉伸載荷下的變形程度，確定材料的彈性極限、拉伸率、彈性模量、比例極限、面積縮減量、拉伸強(qiáng)度、屈服點(diǎn)、屈服強(qiáng)度和其他拉伸性能指標(biāo)[3]。

本次試驗(yàn)，在葉輪根部取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣的標(biāo)距內(nèi)直徑為Φ6.25mm、標(biāo)距內(nèi)長度為25±0.10mm，試驗(yàn)溫度為室溫，葉輪拉伸試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 葉輪拉伸試驗(yàn)結(jié)果

一般來說，材料在拉伸過程中，會(huì)經(jīng)歷四個(gè)階段，分別是彈性階段、屈服階段、強(qiáng)化階段和頸縮階段，由上表的葉輪拉伸試驗(yàn)結(jié)果表明，葉輪的拉伸性能滿足ASTM B148-97（2009）標(biāo)準(zhǔn)的要求，可以排除材料本身的機(jī)械性能缺陷造成的腐蝕失效。

1.2 化學(xué)成分分析

采用一定的化學(xué)分析手段，鑒定金屬材質(zhì)由哪些元素組成，并測定各組分間量的關(guān)系，稱為化學(xué)成分分析。為進(jìn)一步明確葉輪的化學(xué)組成，在葉片的中部和邊緣處切取化學(xué)成分分析樣品，并進(jìn)行分析，葉片化學(xué)成分分析結(jié)果如表2所示。

表2 葉片化學(xué)成分分析（WT%）

由表2葉片化學(xué)成分分析結(jié)果可知，葉片中部和邊緣化學(xué)成分含量接近，均符合ASTM B148-97（2009）標(biāo)準(zhǔn)要求，可以排除材料成分均質(zhì)性不足的影響。

1.3 金相顯微組織

金相顯微分析在材料研究領(lǐng)域占有十分重要的地位，是研究材料內(nèi)部組織的重要手段之一，運(yùn)用金相顯微鏡，將分析樣品放大幾十到上千倍來研究材料組織。此次，從葉輪切取金相樣品，將試樣研磨拋光，觀察其金相顯微組織，葉輪的金相組織如圖2所示。

圖2 葉輪金相組織

由圖2葉輪金相組織分析結(jié)果可知，金相顯微組織包括α相和樹突狀的KⅠ和板層狀或球形的KⅢ，晶粒度為5.5，夾雜物為A：0.5細(xì)系，D：1.0細(xì)系。

1.4 掃描電鏡及能譜

掃描電鏡是不同于金相顯微的另一種微觀觀察手段，其原理是利用很窄的高能電子束來掃描樣品，通過光束與物質(zhì)間的相互作用，來激發(fā)各種物理信息，對這些信息收集、放大，再成像以達(dá)到對物質(zhì)微觀形貌表征的目的。

圖3為葉輪局部腐蝕掃描電鏡（SEM）和能譜分析（EDS）的位置，由圖可見，葉輪表面有明顯的局部腐蝕坑，腐蝕坑最大直徑為5.7mm，表面生成的產(chǎn)物較少，表3為能譜分析結(jié)果。

表3 葉輪表面腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果

圖3 葉輪局部腐蝕SEM形貌及EDS分析位置

由表3分析可知，腐蝕產(chǎn)物中除基體中所含元素Al、Cu、Ni和Fe之外，還含有O、Mg、S、Ca、Cl等元素，這些元素主要來源于海水，腐蝕坑底的C、O、Fe和S含量明顯高于葉輪表面的含量。

為進(jìn)一步研究腐蝕發(fā)生位置與金屬元素間的關(guān)系，針對葉輪腐蝕部位上取樣進(jìn)行Cu和Fe元素掃描，掃描結(jié)果如圖4所示。

由圖4分析可知，F(xiàn)e元素在灰色區(qū)域含量高，Cu元素在白色區(qū)域含量高，F(xiàn)e為負(fù)電性金屬，Cu為正電性金屬，在具有腐蝕性的介質(zhì)中，富含F(xiàn)e元素的部位優(yōu)先發(fā)生腐蝕。

圖4 葉輪腐蝕部位掃描照片

2 模擬試驗(yàn)

2.1 高溫高壓模擬實(shí)驗(yàn)

從葉輪上切取36×11mm圓弧片進(jìn)行模擬真空泵實(shí)際工作環(huán)境試驗(yàn)，測試葉輪的平均腐蝕速率及局部腐蝕速率，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4

2.2 氣蝕模擬實(shí)驗(yàn)

從葉輪上切取φ20mm的圓片，依據(jù)GB6383-2009-T《振動(dòng)空蝕試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行空蝕試驗(yàn)。試驗(yàn)儀器采用廣州市新棟力超聲電子設(shè)備有限公司生產(chǎn)的NP-N系列超聲波直插式處理儀?？瘴g試驗(yàn)在超聲波伸縮振動(dòng)空蝕試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，超聲波發(fā)生器輸出功率1kW；工作頻率20kHz；振幅25um。為模擬真空泵的工作環(huán)境，試驗(yàn)介質(zhì)采用3.5%NaCl溶液，溫度保持在（25℃±1℃），空蝕時(shí)間40h。試驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖5 超聲波伸縮振動(dòng)空蝕試驗(yàn)機(jī)

氣蝕模擬試驗(yàn)后，觀察模擬試驗(yàn)的腐蝕形貌和現(xiàn)場的腐蝕形貌相似，表面均出現(xiàn)氣蝕的形貌特征，麻點(diǎn)腐蝕坑，如圖6所示。

圖6 氣蝕模擬試驗(yàn)的腐蝕形貌對比

3 結(jié)語

（1）葉輪發(fā)生腐蝕的原因?yàn)闅馕g和腐蝕交互作用的結(jié)果，但氣蝕為主要原因；

（2）建議合理選擇真空泵制造材料，采用能夠提高真空泵抗腐蝕性能、抗氣蝕性能的方法和技術(shù)進(jìn)行材料處理，如采用滲碳技術(shù)和熱強(qiáng)化處理 技術(shù)；

（3）加強(qiáng)管控真空泵運(yùn)行參數(shù)，合理調(diào)整真空泵參數(shù)，使其盡可能符合離心泵的設(shè)計(jì)要求。