段塞流捕集器三通管線穿孔失效分析

李志奇，楊陽，柴圓圓

［1.中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津 300459；2.中海油（天津）管道工程技術有限公司，天津 300452；3.海油來博（天津）科技股份有限公司，天津 300450］

0 引言

在海洋油氣資源開采的過程中，氣液混輸組合管線極易發生段塞流現象，段塞流的瞬時性和波動性會造成管線的接頭、三通、支柱等構件損傷，對管道和下游設備產生不良影響。張洋洋等［1］研究發現，溫度、壓力對管道腐蝕影響很大，管道腐蝕程度因流型轉變而加劇，其中段塞流的腐蝕破壞影響最大。高凌霄等［2］發現嚴重段塞流的周期波動給生產設施帶來巨大的交變載荷，最終引起腐蝕掛片支架斷裂。周立臣［3］以文昌油田群為研究對象，分析嚴重段塞流發生的條件，以及不同條件下段塞流對出口閥門、捕集器等設備的沖擊。抑制段塞流常采用的方法有節流法、氣舉法、分離器控制等［4-7］。

某海上集輸中心平臺管線存在水平、傾斜、垂直等多種管型，并且管道較長，有較嚴重的段塞問題，平臺通過采用技術較成熟的容器式段塞流捕集器消除段塞流。近期，段塞流捕集器水相出口管線的三通位置出現穿孔失效的問題，為了查找管線穿孔原因，選取失效位置進行分析，通過宏觀分析、微觀分析、理化性能檢測及流體沖蝕模擬評估等方法，明確腐蝕發生的主要原因，并制定行之有效的預防和改進措施。

1 宏觀及微觀分析

1.1 宏觀檢查及分析

段塞流捕集器水相出口管線的失效件如圖1（a）所示，分別以入口1、入口2和出口代表3個通路。在三通出口位置存在2 處漏點，2 處漏點分別為6.20 mm×4.28 mm 橢圓形穿孔和直徑為2.16 mm 的圓形穿孔，外壁表面無明顯的附著物，未發現其他明顯的腐蝕缺陷。對穿孔的三通位置進行縱向解剖，進一步觀察三通管體內壁形貌特征。入口1 和入口2 的焊縫和母材未見明顯壁厚減薄特征；出口位置壁厚減薄較明顯，內壁形貌如圖1（b）所示，穿孔位于介質雙向匯聚的出口側管體，穿孔所在管體部位母材大面積壁厚減薄且延伸至環焊縫，壁厚減薄位置未見明顯的腐蝕產物或沉積物附著，存在典型的沖刷性溝槽的特征。

圖1 三通管線失效部位宏觀形貌

1.2 微觀形貌分析

穿孔部位內壁表面利用一定濃度的“鹽酸+緩蝕劑”進行清洗，采用德國Zeiss EVO 18 型掃描電鏡對穿孔位置進行微觀形貌觀察。如圖2（a）所示，穿孔附近存在0.2 mm×0.5 mm 的縮松，可清晰地觀察到漏點位于腐蝕凹坑區域內，并且腐蝕凹坑的壁厚減薄明顯，屬于面積型壁厚減薄后局部位置優先穿孔特征，為典型的內腐蝕形貌。進一步放大穿孔附近的微觀形貌后，如圖2（b）所示，可以觀察到明顯的珠光體組織層片狀特征，以及逐層沖刷腐蝕形貌特征。

圖2 穿孔位置內壁形貌

2 理化性能分析

2.1 化學成分分析

針對三通入口1、入口2 和出口側（腐蝕位置）母材分別取樣。采用SPECTRO LAB M11 直讀光譜儀，按照鋼鐵產品化學分析的標準測試方法（ASTM A751—20）進行材質化學成分分析，結果顯示進、出口處母材的各元素含量均滿足《碳素結構鋼》（GB/T 700—2006）對Q235D 鋼的技術要求，2個入口和出口位置的母材化學成分組成基本一致，未見明顯差異。

2.2 金相分析

采用ZEISS Observer A1m 金相倒置顯微鏡分別對入口1、入口2 和出口側（腐蝕位置）母材進行金相分析，結果顯示，3處母材金相組織均為“鐵素體+珠光體”，未見明顯差異，焊縫、熔合線位置鐵素體的尺寸不均勻，有少量的貝氏體和魏式組織（如圖3所示）。

圖3 出口側管線母材金相分析

3 腐蝕模擬試驗

為進一步研究內部介質水樣對管材腐蝕程度的影響，本研究現場取內部介質水樣，并設計腐蝕模擬試驗，試驗條件與現場工況參數保持一致。具體設置如下：溫度為55 ℃，壓力為1.5 MPa，環境氣體為N2+CO2，CO2含量為0.28%，流速為1.5 m/s，實驗時間為7 d，實驗水質為現場取樣。

掛片試樣取自三通管體出口側（“母材+焊縫”），分別用320#、600#、800#和1200#砂紙打磨，將試樣清洗、除油、冷風吹干后測量尺寸并稱質量，再將試樣相互絕緣后安裝在特制的試驗架上，放入高壓釜內的腐蝕介質環境中。試驗結束后，將掛片放入由1 L稀鹽酸、20 g三氧化二銻及50 g氧化亞錫配制的酸洗液中劇烈攪拌，直至掛片腐蝕產物被清除。將酸洗后的掛片進行沖洗、中和處理，再次沖洗、脫水后，用電子天平稱質量，再計算結果。按照公式（1）計算掛片平均腐蝕速率Vcorr：

其中：Vcorr為均勻腐蝕速率（mm/a）；m為實驗前試片質量（g）；mt為實驗后試片質量（g）；S1為試片的總面積（cm2）；ρ為試片材料的密度（g/cm3）；t為實驗時間（h）。

按照公式（2）計算最大點蝕速率Vt：

其中：Vt為最大點蝕速率（mm/a）；ht為試驗后試片表面最深點蝕深度（mm）；t為實驗時間（h）。

實驗結果顯示，試驗后掛片表面均被一層灰黑色物質覆蓋，經微區化學成分分析，得出其主要元素為C、O、Fe。進一步觀察掛片表面，未見明顯點蝕坑，整體呈現均勻腐蝕的特征，將掛片酸洗并中和酸堿度后，焊縫位置與母材位置未見明顯腐蝕差異，隨后對掛片稱質量并計算腐蝕速率，可得平均腐蝕速率為0.048 1 mm/a。參考《Control of Internal Corrosion in Steel Pipelines and Piging System》（NACE SP0106）中關于碳鋼材質的生產設備及管道的內腐蝕程度劃分，可知掛片平均腐蝕的程度均為中度腐蝕。

4 流體沖蝕模擬與評估

根據平臺生產信息，段塞流捕集器來液為某段混輸海管輸送介質，目前僅作為捕集器，不進行來液的分離工作。三通處管線規格為7.62 mm，設計管道外徑為88.9 mm、壁厚取值為7.62 mm，三通處流量為水相與油相出口流量共2 138.8 m3/d，含水率為90%。

4.1 沖蝕評估計算

采用《海上生產平臺管道系統設計和安裝的推薦做法》（API RP 14E）中對管道臨界沖蝕速率的計算方法：

其中：Ve為臨界磨蝕速度（m/s）；C為經驗常數，對于無固體流體且使用緩蝕劑控制腐蝕的連續運行管道，取值為150；ρm為氣液混合密度（kg/m3）?？梢允褂孟铝袑С龉接嬎悖?/p>

其中：P為操作壓力（psi）；Sl為標準狀況下的液體相對密度；R為在標準狀況下的氣體/液體比率；T為操作溫度（o）；Sg為在標準狀況下的氣體相對密度；Z為氣體壓縮系數，無量綱。

目前，臨界沖蝕流速為3.87 m/s，在三通處流量為2 138.8 m3/d的條件下，三通有沖刷腐蝕風險。根據計算，在管線的管徑規格及其他條件不變的情況下，水相與油相出口的共同流量在不大于1 424.64 m3/d時，三通處無沖蝕風險；若保持目前水相與油相出口共同流量為2 138.8 m3/d，則需三通及后續管道內徑不小于90.63 mm。

4.2 三通內流場模擬

為失效管線建立管道幾何模型（如圖4所示），在模擬計算中，2 個入口均設置為速度入口，速度均按實際工況設置為2.91 m/s，出口設置為自由流動出口，湍流模型選擇RNG k-ε。

圖4 管線幾何模型及流速分布圖

采用《海上生產平臺管道系統設計和安裝的推薦做法》（API RP 14E）中對管道臨界沖蝕速率的計算方法為Ve=C/ρ0m.5。其中：C 為經驗常數，對于無固體流體且使用緩蝕劑控制腐蝕的連續運行管道，取值150；ρm為氣液混合密度（kg/m3），其計算公式為

其中：P為操作壓力（psi）；Sl為標準狀況下的液體相對密度；R為在標準狀況下的氣體/液體比率；T為操作溫度（°）；Sg為在標準狀況下的氣體相對密度；Z為氣體壓縮系數，無量綱。

由模擬計算可知，管線內流速最大位置位于三通位置，圖4中圈內的拐角接口處最大值為8.24 m/s，最大流速遠超API RP 14E 計算得到的臨界沖蝕流速3.87 m/s。根據管線內流速分布，介質沖刷管壁的位置與三通壁厚減薄較嚴重的位置重合，三通實際穿孔點位于模擬沖蝕高風險區域內，因此沖蝕為三通發生穿孔泄漏的主要原因。

5 失效原因分析

段塞流捕集器三通管線的母材材質滿足《碳素結構鋼》（GB/T 700—2006）對Q235D 鋼的技術要求，排除由于材質問題引起的腐蝕失效。經過腐蝕模擬實驗驗證可知，管線內部介質對管材不會造成局部腐蝕，并且平均腐蝕的腐蝕程度為中度腐蝕，結合失效穿孔部位未見明顯沉積物或結垢，排除由于介質腐蝕性影響導致的局部失效。

三通的2個入口管路未見明顯沖蝕和結垢，原因是流速平穩，并且層流對管壁的腐蝕并不明顯；而在出口側，介質流速急劇增大形成湍流，湍流的磨蝕更嚴重，不僅加速了去極化劑的供應，還附加了流體對表面的切應力，這個切應力可以將已經形成的腐蝕產物剝離并由流體帶走。此外，在輸送流體的管道內，如果流體按水平垂直方向運動，管壁的腐蝕是均勻減薄的，但是在三通中流體突然改變方向的地方，其壁厚減薄要比其他部位的管壁更迅速，這是由于高速流體不斷沖刷管壁表面造成沖刷腐蝕。

三通管線的穿孔位于介質雙向匯聚的出口側管體，經沖蝕評估計算，在當前運行工況下介質雙向匯聚部位的局部流速大于臨界沖蝕速率，經過長期的沖刷腐蝕，最終導致管體局部穿孔。

6 結論

經過上述檢測與分析，本文得出如下結論：①三通管線的母材符合《碳素結構鋼》（GB/T 700—2006）對Q235D鋼的技術要求。②管線內部介質的腐蝕性影響不會造成管材發生局部腐蝕。③三通管線的穿孔位于介質雙向匯聚的出口側管體，屬于內腐蝕特征。④在當前運行工況下，介質雙向匯聚部位的局部流速大于臨界沖蝕速率，經過長期的沖刷腐蝕導致穿孔。

建議在后續三通結構設計時，進行沖蝕評估或流動狀態模擬，避免管線內介質流速大于臨界沖蝕流速。此外，排查類似工況條件下的三通結構管線的壁厚狀況，應重點關注介質雙向匯聚部位，做到提前預防。