組分 | 摩爾分數(shù)/% | 組分 | 摩爾分數(shù)/% |
---|---|---|---|
CH4 | 89.85~87.40 | C6H14 | 0.02~0.09 |
C2H6 | 1.15~1.23 | C7H16 | 0.01~0.05 |
C3H8 | 0.11~0.14 | H2S | 3.0~4.5 |
C4H10 | 0.04~0.06 | CO2 | 5.6~6.2 |
![]() |
0.02~0.03 | N2 | 0.2~0.3 |
分享:L360QS鋼管線的腐蝕原因
在油氣田的開發(fā)與油氣生產(chǎn)中,管道腐蝕不僅給工程造成巨大的損失,也會造成環(huán)境的污染甚至威脅生命安全。因此,油氣儲運工程中管道腐蝕預(yù)防和治理成為了目前的研究重點[1]。對油氣儲運腐蝕與防護危害較大的介質(zhì)多為酸性,如H2S、CO2和Cl-。CO2分壓越高,腐蝕介質(zhì)的pH越低,氫的去極化作用越強,腐蝕反應(yīng)速率就愈大。但是,鋼管表面容易形成Fe2+飽和溶液層,促進具有一定保護性的腐蝕產(chǎn)物膜FeCO3與FeS的形成,這有可能抵消CO2分壓升高本身對腐蝕的推動力,使腐蝕速率下降。隨著CO2分壓繼續(xù)增高,腐蝕產(chǎn)物膜因內(nèi)應(yīng)力過大而發(fā)生破裂,腐蝕速率繼續(xù)增大[2-8]。已有研究也證明[9],L360QS鋼的H2S/CO2腐蝕速率隨CO2分壓增大而增加,表面腐蝕產(chǎn)物膜不夠完整,部分膜發(fā)生脫落,膜的保護性降低。
Cl-的影響可分為兩個方面[10]:一方面,Cl-的存在可降低金屬表面鈍化膜形成的可能性,且對已形成的鈍化膜起到加速破壞作用,從而促進金屬的局部腐蝕;另一方面,Cl-的存在使CO2在水基介質(zhì)中的溶解度降低,從而降低金屬的腐蝕速率。當(dāng)Cl-質(zhì)量濃度較低(低于5 000 mg/L)時,上述第二方面起主導(dǎo)作用,在碳鋼表面形成的致密腐蝕產(chǎn)物膜膜與基體結(jié)合力強,碳鋼腐蝕速率較低,耐蝕性好;但當(dāng)Cl-質(zhì)量濃度增加一倍(至10 000 mg/L)時,碳鋼在含H2S/CO2介質(zhì)中形成的腐蝕產(chǎn)物膜致密性明顯降低,膜的保護性下降,導(dǎo)致碳鋼腐蝕速率增大;進一步提高溶液中Cl-質(zhì)量濃度,由于CO2溶解度下降,溶液pH升高,CaCO3沉淀傾向增大,抑制了金屬腐蝕,腐蝕速率明顯下降,但發(fā)生垢下腐蝕及局部腐蝕的傾向增大。
L360QS鋼廣泛應(yīng)用于高含硫氣田原料氣集輸管道工程中,具有高韌性、高強度、抗脆斷以及抗硫化物應(yīng)力開裂和抗氫致誘導(dǎo)開裂的特點。筆者針對某L360Q鋼集輸管線的現(xiàn)場服役環(huán)境,采用一系列理化檢驗方法,分析了L360QS鋼管線的腐蝕原因。
1. 理化檢驗與結(jié)果
1.1 工作環(huán)境
該管線的工作環(huán)境為H2S、CO2和Cl-共存的環(huán)境,原料氣組分及氣田水組分分別如表1和表2所示。由表1可知,原料氣中存在一定量的H2S及CO2,而在H2S、CO2共存體系中,材料的腐蝕速率對CO2分壓依賴性較強[11]。由表2可知,氣田水中的Cl-質(zhì)量濃度較高。
項目 | 變化范圍 | 平均值 |
---|---|---|
密度/(g·cm-3) | 1.06~1.13 | 1.108 |
總礦化度/(g·L-1) | 90~200 | 110 |
ρ(Cl-)/(mg·L-1) | 70 858~126 592 | 98 725 |
![]() |
675~708 | 691.5 |
ρ(HCO3-)/(mg·L-1) | 830~1 857 | 1 343.5 |
ρ(Ca2+)/(mg·L-1) | 6 012~11 423 | 8 717.5 |
ρ(Mg2+)/(mg·L-1) | 365~2 432 | 1 398.5 |
ρ(Na++K+)/(mg·L-1) | 37 320~67 109 | 52 214.5 |
1.2 宏觀觀察
圖1為失效L360QS鋼管線內(nèi)壁的宏觀形貌,可見黑色腐蝕產(chǎn)物膜,附著力較強。
1.3 化學(xué)成分分析
采用Spectro M10型直讀光譜儀對L360QS鋼管線的化學(xué)成分進行分析,結(jié)果如表3所示。結(jié)果顯示,L360QS鋼管線的化學(xué)成分滿足標(biāo)準要求,鋼中存在少量的Cu和Cr元素,可以確保其具有一定的耐蝕性,少量Nb和Mo可在一定程度上提高該鋼的強韌性。
元素 | 質(zhì)量分數(shù)/% | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
C | Mn | Si | Cu | Cr | Ni | Nb | Mo | Al | Fe | |
實測值 | 0.088 4 | 1.39 | 0.239 | 0.069 | 0.037 | 0.023 7 | 0.022 6 | 0.010 8 | 0.033 4 | 余量 |
標(biāo)準值 | ≤0.16 | ≤1.65 | ≤0.45 | ≤0.5 | ≤0.3 | ≤0.3 | ≤0.05 | ≤0.15 | ≤0.10 | 余量 |
1.4 顯微組織觀察
試樣取樣部位及分析區(qū)域如圖2所示。將該管線沿徑向剖開,得到三個互成120°的縱截面(a、b和c面)管壁,即管壁1、2和3;從管壁1的a面、管壁2的b面和管壁3的c面隨機位置切割10 mm×15 mm、33 mm×15 mm試樣各一塊。將試樣縱截面和其中一個橫截面打磨拋光并侵蝕,分別使用XJG-05型光學(xué)顯微鏡(OM)和ZEISS EVO18型掃描電鏡(SEM)對其顯微組織進行觀察,并使用SEM配備的Carl ZEISS EVO 40X型能譜分析儀(EDS)對腐蝕產(chǎn)物成分進行分析。
如圖3所示,L360QS鋼試樣橫縱截面的顯微組織均為典型的鐵素體(白色)+貝氏體,組織分布較均勻。仔細觀察發(fā)現(xiàn),在同一位置,縱截面的鐵素體晶粒尺寸比橫截面的鐵素體晶粒尺寸大,這主要是板材的軋制加工導(dǎo)致的。
圖4為L360QS鋼試樣的SEM形貌,其結(jié)果與圖3基本一致,微觀組織均是由鐵素體和貝氏體組成,分布較均勻;鐵素體與貝氏體基本呈等軸狀,且在管線不同厚度方向上晶粒尺寸基本一致,這可能是因為管線厚度較小,不會出現(xiàn)厚管因冷速不均勻造成厚度方向上微觀組織分布不均勻的現(xiàn)象。另外,在鐵素體和貝氏體晶界上存在白色微小顆粒,在內(nèi)壁該現(xiàn)象更明顯。經(jīng)初步判斷,該白色顆??赡転槲龀鑫锘螂s質(zhì),這些物質(zhì)的存在將顯著影響該管線的耐蝕性。

1.5 掃描電鏡及能譜分析
對L360QS鋼管線1-a面試樣橫縱截面的腐蝕產(chǎn)物膜成分進行分析。由圖5可知,L360QS鋼管線兩相的邊緣有白色微小顆粒,對其進行EDS點掃描可知,該處雜質(zhì)元素(Mo和Si等)偏聚。在管外壁Ca2+、Mg2+的存在也對腐蝕產(chǎn)生較大影響,主要影響包括:其含量增加使水基介質(zhì)的硬度增大,腐蝕介質(zhì)的離子強度增大,從而CO2在水溶液中溶解常數(shù)增大;在其它條件不變的情況下[12],Ca2+、Mg2+含量增加導(dǎo)致CO2在水溶液中的溶解量減少,同時由于Ca2+、Mg2+含量增大,溶液中結(jié)垢傾向增大,從而發(fā)生垢下腐蝕以及不完整腐蝕產(chǎn)物膜與缺陷處暴露的基體金屬間的電偶腐蝕。這兩方面的影響均會導(dǎo)致全面腐蝕速率降低,局部腐蝕傾向增大[13-20]。
為進一步了解L360QS鋼管線的元素分布情況,對其進行面掃描分析,結(jié)果如圖6所示??梢钥闯?Si、Mn、Fe、Cu元素分布相對較均勻,珠光體中C元素含量較高。
利用EDS對L360QS鋼管線基體及腐蝕產(chǎn)物膜進行線掃描,結(jié)果如圖7所示。可以看出,腐蝕產(chǎn)物膜厚度為30~50 μm。如圖7(a)所示,Fe、C元素含量在界面和腐蝕產(chǎn)物膜處波動較大,在界面和腐蝕產(chǎn)物膜中形成了鐵的不同化合物,此外,O含量在靠近界面的基體和腐蝕產(chǎn)物膜處也發(fā)生波動,說明腐蝕過程中出現(xiàn)了氧化現(xiàn)象。如圖7(b)所示,不同位置Fe、S元素含量變化很大,C、Si含量變化較小。圖7(c)所示的元素含量變化規(guī)律與圖7(a)類似,腐蝕產(chǎn)物膜中Fe、C含量在界面附近波動最大,其次是Si、O含量。
根據(jù)腐蝕產(chǎn)物分析結(jié)果,結(jié)合實際服役環(huán)境可知,L360QS鋼管線在H2S、CO2和Cl-共存的環(huán)境中形成的腐蝕產(chǎn)物主要是FeCO3與FeS等。根據(jù)圖7可知,L360QS鋼管線在H2S和CO2共存體系中的腐蝕受H2S的影響較大。由于服役溫度較高,在L360QS鋼管線表面形成一層FeS保護膜,隨著腐蝕介質(zhì)中CO2含量的升高,腐蝕介質(zhì)偏酸性,氫去極化作用增強,疊加Cl-的破壞作用,FeS產(chǎn)物膜遭到破壞,促進了FeCO3腐蝕產(chǎn)物膜的形成。此外,當(dāng)H2S和CO2共存環(huán)境中還存在Cl-、Ca2+、Mg2+時,會降低金屬表面鈍化膜形成的可能性,并加速已形成的鈍化膜的破壞,從而促進金屬的全面腐蝕。
2. 結(jié)論
(1)該油氣田用管線鋼出現(xiàn)腐蝕主要原因是管道中存在H2S和CO2共存腐蝕體系,另外Cl-、Ca2+、Mg2+的存在加劇了腐蝕。
(2)該管線鋼腐蝕產(chǎn)物膜先形成FeS,再形成FeCO3,在H2S和CO2共存腐蝕體系中H2S對腐蝕過程起主導(dǎo)作用。
文章來源——材料與測試網(wǎng)
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