油田地面管線是油氣輸送系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，但由于其輸送的采出液通常含有水、CO2、H2S、微生物、氯離子等強腐蝕性介質(zhì)，長期以來面臨著嚴峻的腐蝕失效挑戰(zhàn)[1-4]。腐蝕失效不僅直接威脅管道的安全，還可能引發(fā)重大經(jīng)濟損失、生產(chǎn)停滯和環(huán)境污染，對油氣生產(chǎn)活動構(gòu)成嚴重風險。在眾多腐蝕類型中，CO2腐蝕是油田地面管線腐蝕中最為常見的，尤其是在高含水率、高氯離子含量和氣相CO2共存的環(huán)境中，可能導致局部腐蝕和點蝕現(xiàn)象，嚴重時會導致管道穿孔或其他失效問題[5-7]。
目前，已有大量研究揭示了不同工況下碳鋼等材料的腐蝕機理，尤其是CO2腐蝕的基本過程和影響因素[8-10]。趙敏等[11-12]分別對頁巖氣田地面工藝管線及海外高硫高鹽油田地面管線的腐蝕穿孔失效原因及機理展開研究，均發(fā)現(xiàn)硫酸鹽還原菌腐蝕是主要失效原因。劉金璐等[13]研究了地面管道在多元熱流體中的腐蝕失效行為，發(fā)現(xiàn)氧腐蝕對腐蝕速率的影響最大。樊冰等[14]總結(jié)了氯離子對石油管材腐蝕的影響，發(fā)現(xiàn)氯離子含量對管材平均腐蝕速率的影響呈“倒V”趨勢，且Cl-容易誘發(fā)點蝕，溫度和流速升高都會增大點蝕趨勢。趙鵬[15]發(fā)現(xiàn)高含量的Cl-會沿著產(chǎn)物膜缺陷不斷富集，并破壞產(chǎn)物膜，從而促進局部腐蝕，增大點蝕傾向，CaCO3垢層也會協(xié)同促進點蝕，嚴重時導致管道腐蝕穿孔?？偠灾蜌夤艿繡O2腐蝕失效頻繁，腐蝕影響因素較多，失效后果嚴重。雖然CO2腐蝕研究歷史悠久，但是在某些特殊條件下，腐蝕行為和機理仍然存在差異，特別是在復雜的環(huán)境條件下，如氯離子、CO2氣體含量以及高流速等因素共同作用下，腐蝕過程的變化更加復雜。
筆者針對某海上油田地面管線失效案例，通過宏微觀形貌、腐蝕產(chǎn)物成分及金相分析等方法，深入分析了失效原因，探討了CO2與氯離子共同作用下的局部腐蝕機理。以期為油氣田地面管線的腐蝕防控措施提供指導。
1. 概述
某海上油田地面管線服役3 a后發(fā)生穿孔泄漏，失效類型為嚴重的內(nèi)壁局部腐蝕。該管線自2016年開始服役，材料為20號碳鋼，輸送介質(zhì)為含水原油，含水率超過90%，運行壓力為1.2 MPa。管線運行溫度為53~58 ℃，介質(zhì)流速為1.0~1.2 m/s，見圖1。為了明確管線內(nèi)腐蝕穿孔原因，對材質(zhì)、介質(zhì)以及腐蝕產(chǎn)物進行了檢驗分析。
2. 理化檢驗與結(jié)果
2.1 宏觀形貌
由圖2可見：失效管段表面整體覆蓋一層較為疏松的腐蝕產(chǎn)物膜。腐蝕穿孔區(qū)域分布著多個腐蝕坑，大量腐蝕坑聯(lián)結(jié)在一起形成了穿孔。主要穿孔部位黑色腐蝕產(chǎn)物膜脫落，呈紅棕色?？紤]到管道其他部分的腐蝕產(chǎn)物呈灰黑色，且符合典型的CO2腐蝕產(chǎn)物的顏色特征，推測穿孔位置出現(xiàn)紅棕色是由于腐蝕產(chǎn)物在大氣中氧化。
如圖2所示，選取了腐蝕較輕的區(qū)域和腐蝕坑的位置進行取樣表征。其中，1號和2號試樣用于表面形貌分析和腐蝕產(chǎn)物成分分析，3，4，5號試樣則采用環(huán)氧樹脂封裝，經(jīng)過打磨處理后，再進行截面形貌分析及腐蝕產(chǎn)物成分分析。3號試樣截面可明顯觀察到嚴重的局部腐蝕，且蝕坑邊緣呈階梯狀。從4號和5號試樣截面可以看出即便在腐蝕輕微區(qū)域，也分布著較淺的腐蝕坑。
2.2 腐蝕介質(zhì)分析
利用氣相色譜儀、霍尼韋爾氣體檢測裝置以及溶氧儀對該管線輸送介質(zhì)中的氣體種類及含量進行檢測，利用絕跡稀釋法對腐蝕介質(zhì)及腐蝕產(chǎn)物中微生物含量進行檢測，使用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀對采出液中離子含量進行檢測。
輸送氣體主要由CH4及CO2組成，其中CO2體積分數(shù)為0.54%~0.64%，CO2分壓較低。氣體中未檢測到H2S和O2，因此可以排除H2S腐蝕與氧腐蝕引起局部腐蝕穿孔的可能。微生物檢測結(jié)果如表1所示，所有測試樣品均未出現(xiàn)顯色反應，表明采出液和腐蝕產(chǎn)物膜中不含硫酸鹽還原菌（SRB）、腐生菌（TGB）以及鐵細菌（FB）。因此，可以進一步排除微生物腐蝕引起穿孔的可能。采出液礦化度為31 043 mg/L，由表2可見，氯離子質(zhì)量濃度達到18 950 mg/L，采出液為高礦化度和高含氯介質(zhì)。進一步結(jié)合水化學分析軟件對水質(zhì)結(jié)垢傾向進行計算，碳酸鈣結(jié)垢傾向指數(shù)為3.7，硫酸鈣結(jié)垢傾向指數(shù)為1.3，其余垢型結(jié)垢傾向指數(shù)均低于1。當結(jié)垢傾向指數(shù)大于1時，表示水質(zhì)有一定的結(jié)垢傾向。因此，該水質(zhì)有碳酸鈣和硫酸鈣結(jié)垢傾向，但結(jié)合宏觀形貌觀察，整體結(jié)垢傾向仍較低，排除垢下腐蝕可能性。
| 微生物種類 | SRB | TGB | FB |
|---|---|---|---|
| 采出液 |
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| 腐蝕產(chǎn)物膜 |
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| 離子種類 | K++Na+ | Ca2+ | Mg2+ | Cl- |
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|---|---|---|---|---|---|---|
| 離子質(zhì)量濃度/（mg·L-1） | 10 403 | 510 | 137 | 18 950 | 533 | 511 |
2.3 失效管道材質(zhì)分析
在失效管段腐蝕輕微區(qū)和腐蝕坑邊緣位置分別取樣，將試樣逐級打磨至5000號砂紙后，依次用丙酮除油、去離子水沖洗、無水乙醇脫水、N2吹干。采用火花放電原子發(fā)射光譜法進行化學成分檢測。試樣表面拋光后用4%（體積分數(shù)）硝酸酒精進行侵蝕，利用LEICA DM 2500M顯微鏡對不同位置管材金相組織進行觀察。
如表3所示，管材的化學成分符合GB/T 699-1999《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》中對20號碳鋼的要求。腐蝕較輕微區(qū)與腐蝕坑邊緣的金相組織均為典型的鐵素體-珠光體組織，不存在晶粒異常粗大和晶界處有夾雜物的現(xiàn)象，組織均勻。管材金相組織和化學成分分析結(jié)果表明失效管材無嚴重缺陷，排除管材原因?qū)е碌母g穿孔。
