海洋平臺(tái)儀表氣管線腐蝕研究

  一、背景簡(jiǎn)介：

  隨著我國(guó)油氣開(kāi)發(fā)的不斷壯大，海洋油氣平臺(tái)的安全是油氣開(kāi)發(fā)的保障。海洋平臺(tái)上有復(fù)雜的管線系統(tǒng)，如何保護(hù)這些管線不受到惡劣海洋環(huán)境的腐蝕是目前亟待考慮和解決的問(wèn)題。由于平臺(tái)維修的局限性，對(duì)管線材料的耐蝕性能提出了更高的要求。儀表氣系統(tǒng)作為海洋平臺(tái)必備的系統(tǒng)對(duì)整個(gè)平臺(tái)的安全運(yùn)行起到了舉足輕重的作用，常見(jiàn)的儀表氣管線主要用于儀表氣連接；作為動(dòng)力源控制現(xiàn)場(chǎng)閥門(mén)；用于井口區(qū)易熔塞管線回路；探測(cè)井口區(qū)火災(zāi)；用于現(xiàn)場(chǎng)儀表測(cè)量的取壓管路連接；用于儀表氣連接作為暖通系統(tǒng)風(fēng)機(jī)風(fēng)閘的動(dòng)力源[1,2]。通常儀表氣管線的管徑較小，采用316不銹鋼作為儀表氣管線的材質(zhì)是國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的做法。

  雖然奧氏體不銹鋼316L具有優(yōu)良的耐蝕性，并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用在海上平臺(tái)之上。然而近幾年我們注意到，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少316不銹鋼在海洋大氣環(huán)境工況下發(fā)生腐蝕的案例。其失效可能由于不同的工作環(huán)境，不同的工程設(shè)計(jì)，安裝和維護(hù)等因素引起。此外，隨著對(duì)腐蝕機(jī)理研究的深入，也發(fā)現(xiàn)雜散電流，特別是屏蔽不良的電器線路附近，也會(huì)誘發(fā)不銹鋼材質(zhì)的局部腐蝕。

  本文通過(guò)對(duì)某平臺(tái)儀表氣管線腐蝕情況的詳細(xì)實(shí)驗(yàn)探究，對(duì)該儀表氣管線腐蝕機(jī)理和腐蝕因素進(jìn)行分析，最后提出合理的改進(jìn)措施和建議，防止后續(xù)再出現(xiàn)類似情況，為以后工程運(yùn)行，設(shè)計(jì)等 提供參考。

  二、實(shí)驗(yàn)及儀器：

  下列儀器設(shè)備被用于測(cè)試實(shí)驗(yàn)：

  1，立體顯微鏡 (Leica M165C, Leica Application Suit V4.3.0)

  2，光學(xué)顯微鏡(Zeiss AxioCamERc5s, AxioVs40x64 V4.9.1.0)

  3，掃描電鏡(Zeiss Sigma VP, Smart SEM V5.06) /EDS元素能譜分析儀elemental analysis (Oxford, Aztec 2.2)

  4，化學(xué)精度分析儀器：HFIR, XRF, EXTR

  樣品取自從海洋平臺(tái)上已經(jīng)腐蝕的儀表氣管線。該平臺(tái)為南海新建某平臺(tái)，投產(chǎn)時(shí)間不到一年就發(fā)生管線腐蝕穿孔。切下出現(xiàn)腐蝕處的管段，式樣經(jīng)過(guò)V2A H3PO4試劑處理，以在微觀觀察時(shí)能清晰的顯示出晶界和晶相。SEM分析使用EHT=15KV，光圈倍數(shù)為30m，在獲取SEM照片時(shí)的掃描速度為9。進(jìn)行微觀形貌分析時(shí)，樣品并未通過(guò)溶劑清洗。

  三、實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論：

  3.1 表面形貌觀察

  圖2是腐蝕儀表氣管線的外觀情況，可以看到管線表面的腐蝕坑非常多，成點(diǎn)狀，比較獨(dú)立。

  圖3是切開(kāi)儀表氣管線后，看到管線內(nèi)部的腐蝕情況。可以看出管體內(nèi)部?jī)H有的腐蝕坑是從管體外的點(diǎn)蝕坑穿透形成的，而內(nèi)管壁并未發(fā)現(xiàn)其他任何點(diǎn)蝕坑。說(shuō)明該儀表氣管線不存在內(nèi)腐蝕的情況。這與我們知道的實(shí)際情況基本相符：儀表氣管線中通入的為潔凈的儀表氣，基本不存在腐蝕源。

  3.2 斷面形貌觀察

  圖4是管線腐蝕坑斷面的形貌，通過(guò)觀察可以看到，點(diǎn)蝕坑的發(fā)展從外表面非常迅速的向內(nèi)壁發(fā)展，通過(guò)這種發(fā)展形貌可以判斷是典型的點(diǎn)腐蝕。

  不銹鋼的抗腐蝕機(jī)理，主要是不銹鋼表面形成的鈍化層保護(hù)鋼材本體。鈍化層的形成主要是由鋼材中所含Mo的含量決定的。Mo與空氣中的氧氣接觸，形成氧化物建立了鈍化層。其他合金元素，比如Cr，Ni等，也會(huì)對(duì)金屬的鈍化層建立和防腐起到一定的作用。

  當(dāng)不銹鋼表面存在濃度極高的點(diǎn)蝕源時(shí)，鈍化層被逐漸破壞，暴露的表面來(lái)不及形成新的鈍化層，因而造成鋼材直接被腐蝕穿透。這就是典型的點(diǎn)蝕形成機(jī)理，通常表面鈍化層被破壞的原因有很多，包括外部因素，內(nèi)部材料缺陷（材料的機(jī)械性能，砂眼等）及金屬含量不能達(dá)到ASTM A269標(biāo)準(zhǔn)的要求（ASTM A269中明確規(guī)定，316L中Mo的成分應(yīng)該大于2.0w.t.%）。任何一種因素都能導(dǎo)致鈍化層被破壞。而Cl，S等腐蝕性元素與不銹鋼中的鐵快速反應(yīng)，更加速了點(diǎn)蝕破壞。管壁被許多較大的點(diǎn)蝕坑穿透，是導(dǎo)致管線失效的重要原因[3]。

  3.3 晶相分析

  通過(guò)V2A 和 H3PO4處理后，樣品內(nèi)雜質(zhì)基本被洗凈，在光學(xué)顯微鏡下能明顯的看到清晰的晶界。如果腐蝕由金屬內(nèi)部引起，通常會(huì)觀察到異質(zhì)晶相的存在[4]，然而管線材質(zhì)的晶相良好并未發(fā)現(xiàn)有害晶相，因此可以排除從材料內(nèi)部引起管線失效。 

  3.4 SEM/EDS 元素分布分析

通過(guò)EDS元素能譜儀對(duì)樣品表面特定部位的化學(xué)元素分析，可以清楚的了解相關(guān)區(qū)域元素分布情況。分析報(bào)告顯示管線材質(zhì)屬于3R60級(jí)別，通過(guò)與基準(zhǔn)卡片對(duì)比，該樣品的鋼號(hào)為542213，是非常優(yōu)異的材質(zhì)。

  表1和表2可以看到典型的腐蝕產(chǎn)物含有較高的O，F(xiàn)e，Cl和S等元素。點(diǎn)蝕是一種局部腐蝕，從最初的腐蝕產(chǎn)物引起的損害持續(xù)對(duì)不銹鋼表面氧化膜破壞，從而造成腐蝕穿孔。通常能對(duì)不銹鋼表面氧化膜造成這種腐蝕的環(huán)境因素多為酸性的，富含氧的和高氯離子含量的溶液，尤其是在海水中[5]。在世界范圍中也有大量的報(bào)道316L級(jí)別的不銹鋼在特定的海洋環(huán)境中被腐蝕的案例。

  通過(guò)圖7具體的元素含量分析表，可以看到管體表面存在大量的氯元素，外來(lái)的氯元素多由海洋環(huán)境的水氣帶入。海洋潮濕的大氣環(huán)境極易在管線上積累富含氯離子的微小液滴，通過(guò)圖1現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際照片，這類管線表面經(jīng)常能發(fā)現(xiàn)有液滴存留。奧氏體不銹鋼對(duì)氯離子非常敏感，尤其是微小液滴中含有氯離子將極其容易破壞不銹鋼表面的氧化膜，而造成穿孔腐蝕。

  四、結(jié)論及建議

  通過(guò)對(duì)儀表氣管線的腐蝕情況分析，我們得出結(jié)論：

  1，儀表氣管線的失效是從管線外引起的；

  2，儀表氣管線的內(nèi)部不存在腐蝕情況；

  3，通過(guò)對(duì)管線外壁的元素分析，海洋大氣環(huán)境中存在的較多氯、硫等元素將增加儀表氣管線失效的風(fēng)險(xiǎn)；

  4，腐蝕引發(fā)的主要因素是海洋大氣環(huán)境中較高的游離氯離子，附著在不銹鋼表面，形成局部高濃度的微小液滴，導(dǎo)致不銹鋼從外部點(diǎn)蝕，最終造成管線失效。

  為避免腐蝕，對(duì)儀表氣管線管線表面應(yīng)做好保護(hù)措施，避免出現(xiàn)機(jī)械損傷；保持管線表面潔凈，避免積存水汽，在平臺(tái)的日常操維手冊(cè)中應(yīng)增加儀表管清潔要求；必要時(shí)候采用更高材質(zhì)等級(jí)的管線替代腐蝕管線。如康菲石油公司部分平臺(tái)已用317L管線取代316L管線，近幾年印尼、泰國(guó)等國(guó)際石油公司也采用6Mo作為儀表管的材料。我國(guó)石油公司能否借鑒國(guó)外公司的經(jīng)驗(yàn)還需設(shè)計(jì)方和平臺(tái)操作方進(jìn)行后續(xù)相關(guān)的工程驗(yàn)證。

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