分享：某输油管道腐蚀穿孔原因

吉 楠1,廖 臻2,朱 辉2,李丽锋1

(1.中国石油集团石油管工程技术研究院,石油管材及装备材料服役行为与结构安全国家重点实验室,西安 710077; 2.中国石油天然气股份有限公司 新疆油田油气储运分公司,克拉玛依 831100) 

摘 要:某油田在巡线过程中发现输油管道有泄漏现象,通过宏观分析、化学成分分析、金相检 验和腐蚀产物分析等方法,结合服役工况,对输油管道腐蚀穿孔的原因进行了分析。结果表明:环 焊缝防腐补口的密封失效而导致的外层腐蚀是输油管道腐蚀穿孔的主要原因,同时土壤中的 Cl - 加速了腐蚀穿孔的发生。 

关键词:输油管道;泄漏;外层腐蚀;防腐补口;穿孔 中图分类号:TG172.9 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2021)01-0061-05

石油开采后往往需要进行异地输送,其距离可 达数千公里。管道输送作为一种经济、高效且安全 的输送手段,在我国国民经济的发展中起着十分重 要的作用。已通过质量标准控制的管道投入运行 后,随着使用年限的增长,其发生各种失效事故的概 率也在不断增加。由于输油管道多埋于地下,管控 难度较大,一旦发生失效事故,造成原油泄漏,不仅 会对油田造成巨大的经济损失,同时也会对周边环 境造成污染[1-6]。因此对输油管道失效泄漏事故进 行分析与研究,确保输油管道运行安全,显得尤为 重要。 某油田在巡线时发现管道泄漏,发生泄漏的埋 地管线规格为?114mm×4.5mm,材料为20钢,设 计工作压力为4.0MPa。防腐保温采用聚乙烯保护 层-硬质聚氨 酯 保 温 层-环 氧 煤 沥 青 防 腐 层 3 层 结 构,防腐补口方式采用热收缩带防腐-浇注聚氨酯泡 沫保温-热收缩套防水。该管线于2011年投运,服 役9a(年)后发生泄漏。为找到输油管道的泄漏原 因,笔者对该泄漏输油管道进行了宏观分析、力学性 能试验、金相检验、腐蚀表面微观形貌及腐蚀产物分 析等,明确了管道泄漏的原因,以期为现场安全管理 提供帮助。

1 理化检验 1.1 宏观分析 

对泄漏埋地管道取样后进行观察,其宏观形貌如图1所示。可见在管道外表面的环焊缝补口区附 近有一处明显的穿孔,位于管道底部的6点钟位置, 孔径为20mm。穿孔附近的管道外表面被黑色和 红褐色的物质覆盖,同时在管道外表面防腐补口区 以外,可见蓝色的环氧煤沥青防腐涂层。

将穿孔附近的管道外表面打磨处理后对其进行 观察,宏观形貌如图2a)所示。可见除穿孔外,管道 外表面还存在着大量大小、深浅不一的腐蚀坑,局部 腐蚀坑尺 寸 较 大,其 中 最 大 的 一 处 腐 蚀 坑 直 径 约 12mm。将管段沿轴向剖开后,可见在其内表面覆 盖有致密的黑色垢层,如图2b)所示。去除垢层后, 在内表面除穿孔外,未见明显腐蚀痕迹。

1.2 壁厚测量 

使用超声测厚仪对泄漏管道进行壁厚测量,可 知环焊 缝 防 腐 补 口 区 以 外 的 壁 厚 最 大 测 量 值 为5.08mm,最小测量值为4.29mm,壁厚未见明显减 薄;环焊缝防腐补口区以内的管道壁厚发生明显减 薄,壁厚最小值出现在穿孔附近,为1.74mm,仅相 当于公称壁厚的39%。

1.3 化学成分分析

从泄漏输油管道的管体上截取块状样品,使用直 读光谱仪进行化学成分分析,结果如表1所示。可见 该失效输油管道的化学成分符合 GB/T8163—2018 《输送流体用无缝钢管》对20钢的要求。

1.4 拉伸性能试验 

在泄漏输油管道上沿纵向截取全壁厚板状拉伸 试样,并进行室温拉伸试验,试样宽度为20mm,标 距为50mm,试验结果如表2所示。可见该失效输 油管道的拉伸性能符合 GB/T8163—2018的技术 要求。

1.5 金相检验 

分别在泄漏管道的管体未失效位置和穿孔附近 取样,依据 GB/T13298—2015《金属显微组织检验 方法》、GB/T6394—2017《金属平均晶粒度测定方 法》及 GB/T10561—2005《钢中非金属夹杂物含量 的测定 标准评级图显微检验法》的技术要求对试样 的显微组织、晶粒度和非金属夹杂物进行观察并评 级。分析结果表明,管体未失效部位和穿孔处的显 微组织均为铁素体+珠光体,晶粒度等级为9.5级, 非金属夹杂物分别为硫化物(A)1.5级,氧化铝(B) 0.5级,球状氧化物(D)0.5级,如图3所示。管道外 表面腐蚀坑形貌如图4所示,可见腐蚀坑内存在连 续、较厚的腐蚀产物,腐蚀坑附近的显微组织与其他 区域的相同,均为铁素体+珠光体。 

1.6 微观分析

分别对泄漏管道穿孔及外表面的腐蚀坑进行扫描电镜(SEM)及微区能谱(EDS)分析。在输油管 道的内、外 表 面 穿 孔 处 均 可 见 明 显 的 腐 蚀 产 物, SEM 形貌如图5和图6所示。分别在穿孔边沿(图 5中区域1)、穿孔内(图5中区域2)、管体未失效部 位(图5中区域3)选取一定的区域,及管体未失效 部位与发生腐蚀失效交界的边缘(图5中位置4)取 点进行微观能谱分析,结果如表3所示。可知穿孔 处腐蚀产物以铁和氧元素为主,同时含有一定比例 的氯元素,越接近基体氯元素含量越高。管体外表 面腐蚀坑底的能谱分析结果如图7所示,可知外表 面腐蚀坑底被腐蚀产物覆盖,且较为疏松,主要由铁 和氧等元素组成,也含有一定量的氯元素。 

对防腐补口表面所覆盖的黑色及褐色腐蚀产物 进行 X射线衍射(XRD)分析,结果如图8所示,可 见外表面腐蚀产物主要是 Fe3O4,FeO(OH),SiO2。

2 分析与讨论 

2.1 材料理化性能分析 

理化性能测试结果表明,泄漏输油管道材料的 化学成分和拉伸性能符合 GB/T8163—2018的技术要求,管体及腐蚀坑处的显微组织未见异常,所以 材料性能不是造成此次失效事故的主要原因。

2.2 穿孔原因分析 

根据泄漏输油管道的宏观形貌可知,穿孔位于管 道的防腐补口区域,管体的外表面腐蚀较为严重,表 面覆盖有大量的腐蚀产物,将腐蚀产物清理后可见大 量深浅不一的腐蚀坑,而且此区域的壁厚减薄也较为 明显,最小测量值仅为管道公称壁厚的39%,管道内 壁状况完好,未见有明显的腐蚀痕迹,由此可以判断, 管道穿孔主要是外表面腐蚀引起的。 通过观察发现,防腐补口区域以外的钢管外表面 环氧粉末防腐层完好,无明显腐蚀特征,壁厚也没有 减薄现象,由此进一步判断,造成管道防腐补口区外 表面发生腐蚀的原因主要在于防腐补口处的涂层发 生漏点,这与防腐补口密封不严或防腐层破损有关。 根据穿孔附近腐蚀产物的能谱分析结果可知, 泄漏输油管道表面腐蚀产物中含有大量的氧和铁元 素,且在穿孔附近氯元素含量也较高,所以判断腐蚀 与 Cl - 有关。 防腐补口处防腐层失效会导致外部土壤与管壁 直接接触,土壤中的腐蚀物质会沿防腐层破损处渗 入防腐 层 与 管 壁 的 空 隙 中,发 生 局 部 腐 蚀。根 据 EDS及 XRD的分析结果可知,管道外表面的腐蚀 产物 主 要 由 Fe3O4,FeO(OH),SiO2 组 成,其 中 SiO2 为与腐蚀产物结合在一起的土壤的主要成分, 而 Fe3O4,FeO(OH)均为含水的铁的氧化物,说明 管道外表面腐蚀的主要类型为氧的去极化腐蚀[7], 腐蚀机理如下[8-11]。 阳极反应为 Fe-2e - → Fe 2+ (1) 阴极反应为 O2 +2H2O+4e - →4OH - (2) 总反应为 Fe+O2 +2H2O+2e - → Fe 2++4OH - (3) Fe 2+ 随后发生水解,反应为 Fe 2++2H2O → Fe(OH)2 +2H + (4) 亚铁离子通常情况下很不稳定,被进一步氧化 成三价的铁离子,反应为 4Fe 2++6H2O+O2 →4FeO(OH)+8H + (5) FeO(OH)即为 Fe2O3·H2O,通常处于腐蚀产 物的外层,失水后形成红棕色的 Fe2O3,这与 EDS 及 XRD分析结果吻合。 外层腐蚀发生后,最初生成的腐蚀产物会覆盖 在金属表面,形成一层腐蚀产物膜,会对输油管道起 到一定保护作用。与此同时,由于腐蚀产物膜较为 疏松,在一定区域,土壤中的腐蚀介质还会不断地渗 入,与管道外表面的金属基体接触,导致管道外表面 的点蚀得以持续进行。同时,从穿孔处的能谱分析 结果可知,其腐蚀产物中主要含有铁和氧,同时还有 一定量的氯元素。因为 Cl - 的穿透性较强,对腐蚀 产物膜有破坏作用,会降低腐蚀产物膜对基体的保 护能力,这就使得管道局部腐蚀程度不断加剧,最终 导致穿孔[12-14]。

3 结论及建议 

输油管道发生泄漏主要是外表面腐蚀引起的穿孔导致的。环焊缝防腐补口的密封失效而导致的外 表面腐蚀是造成管道腐蚀失效的主要原因,同时土 壤中的 Cl - 加速了腐蚀穿孔的发生。 在管道完整性管理中,应加强防腐补口失效风 险控制,主要包括:(1)根据管道输送温度及所处环 境,合理选择防腐补口方式及材料;(2)防腐补口材 料应经国家计量认证的检测机构或国外第三方检测 机构质量评定检验合格;(3)制定严格的防腐补口工 艺,施工应由具有业主认定防腐资质的施工单位承 担,补口操作人员应根据所使用产品的特点进行防 腐施工培训并取得上岗证,方可进行补口施工操作; (4)在运行过程中,应定期开展防腐层直接检测评 价,并及时对防腐层破损管段开挖修复;(5)对于具 备开展内检测条件的管道,可根据内检测结果和适 用性评价结果开挖验证,并对防腐层破损管段及时 修复。 

来源：材料与测试网