蔡 锐1,乔德康2,郗文博2,张轮亭2,李 尤2,陈 浩2

(1.中国石油集团工程材料研究院有限公司 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.中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司,天津 300452)

摘 要:某油田单井水套加热炉盘管在服役期间发生腐蚀泄漏。采用宏观观察、化学成分分析、 金相检验、扫描电镜及腐蚀产物分析等方法对该盘管的腐蚀原因进行分析。结果表明:该盘管腐蚀 原因主要是其在高温水浴中的溶解氧腐蚀,同时伴随着因金属过热在垢下产生的汽水腐蚀。

关键词:加热炉;盘管;腐蚀;溶解氧;垢下

中图分类号:TG171 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)09-0052-03

水套加热炉是目前较为常用的原油、天然气水 浴加热设备。采用水套加热炉进行加热,可以提高 油气井产出物的流动性,使油气集输系统正常运行, 是高密度、高含蜡、高凝固点、高黏度的重质超稠油 常用的一种加热方式。水套加热炉盘管内部为油、 气、水介质,外部是未经软化处理的油田生产用水, 且其长期处于高温环境中,因此盘管内外腐蚀环境 十分恶劣,腐蚀失效事故频繁发生。水套加热炉发 生腐蚀会导致油气生产停产、油气产量降低和油气 泄漏等,必须加以重视和预防[1]。 某油田单井水套加热炉被拆开后,发现其盘管 腐蚀极其严重,腐蚀盘管的宏观形貌如图1所示。 该加热炉壳体的设计压力为0.4 MPa,工作压力为 0.1MPa,加热炉盘管的设计压力为14.0MPa,工作压力为6.4 MPa,材料为20 # 钢,工作介质为原油、 天然气和地层水。主盘管的进口温度为30℃,出口 温度为70 ℃,副盘管的进口温度为30 ℃,出口温 度为60 ℃。选取其中一段典型的腐蚀盘管,采用 宏观观察、化学成分分析、金相检验、扫描电镜及腐蚀产物分析等方法对其腐蚀原因进行了分析,并提 出了相应的防护措施。

1 理化检验

1.1 宏观观察

对该盘管的腐蚀部位进行宏观观察,结果如图2所示。由图2可知:盘管外壁腐蚀极其严重,整体 壁厚减薄十分明显,多处已发生腐蚀穿孔;盘管穿孔 部位的管径明显小于未穿孔部位,表明该盘管腐蚀 穿孔主要是其外壁的腐蚀所致;盘管外壁附着有大 量的黑色及黄色腐蚀产物,呈层片状,极易剥落;腐 蚀产物较脆,截面呈黑色。

1.2 金相检验

在该盘 管 腐 蚀 严 重 的 部 位 取 样,依 据 GB/T 13298—2015 《金 相 组 织 检 验 方 法 》,GB/T 6394—2017 《金属平均 晶 粒 度 测 定 方 法》对 其 进 行金相 检 验,结 果 如 图 3 所 示。 由 图 3 可 知,盘 管的晶 粒 度 等 级 为 8.5 级,盘 管 以 外 壁 腐 蚀 为 主,管体及 腐 蚀 坑 周 围 部 位 的 组 织 无 异 常,均 为 铁素体+珠光体。

1.3 化学成分分析

依据 GB/T4336—2016《碳素钢和中低合金钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法(常规 法)》,采用 ARL4460型直读光谱仪对该盘管进行 化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知,盘管 的化学成分符合 GB/T24591—2019 《高压给水加 热器用无缝钢管》的要求。

1.4 扫描电镜分析

采用扫描电镜(SEM)对该盘管外表面的腐蚀 产物进行观察,结果如图4所示。由图4可知,盘管 表面存在明显的腐蚀产物,十分致密,并存在明显的 孔洞。

1.5 腐蚀产物分析

采用能谱仪(EDS)对该盘管外表面的腐蚀产物 进行分析,结果如表2所示。由表2可知,腐蚀产物 主要含有铁和氧元素,并含有少量的钙、镁、钠、碳、 氯等元素。 将盘管表面剥落的腐蚀产物研磨成粉末,采用 X射线衍射仪(XRD)对粉末进行分析,结果如图5 所示。由图 5 可 知,盘 管 表 面 的 腐 蚀 产 物 主 要 为 Fe3O4 及 Fe2O3

2 综合分析

水套加热炉包括锅筒、盘管、火筒和烟管等部 件,其中盘 管 是 加 热 炉 的 核 心 传 热 部 件。炉 膛 水 具有硬度高,pH 偏低和钙、镁离子含量高的特点, 盘管内为油田采出物。该腐蚀盘管的宏观观察及 金相检验结果表明,盘管以外壁腐蚀为主,内壁腐 蚀程度相对较轻。XRD 分析结果表明,盘管表 面 的腐蚀产物主要为 Fe3O4 及 Fe2O3。综合上述理 化检验结果 可 判 断,加 热 炉 盘 管 的 腐 蚀 形 式 主 要 为溶解氧腐蚀。 碳钢的溶解氧腐蚀过程首先生成 Fe(OH)2,生 成的亚铁离子通常情况下很不稳定,遇到氧原子时 极易氧化生成 Fe(OH)3,其再经过脱水生成 Fe2O3 和 FeO(OH)。Fe2O3 和 FeO(OH)均为疏松多孔 的物质,并且与基体附着的能力差,无保护作用,所 以氧腐蚀一般都可以无障碍地持续进行,对材料造 成腐蚀破坏。 加热炉盘管外接触的炉膛水温度较高,可达到70~80 ℃。当炉膛水温度升高时,氧原子向金属表 面的扩散速率增大,导致腐蚀速率增大。同时,地层 水中的离子浓度越高,溶液的导电性就越好,氯离子 也会破坏腐蚀产物膜的完整性,从而进一步加剧氧 腐蚀过程。现场水质分析结果如表3所示。

此外,氧化铁垢的形成还会进一步促进腐蚀。 氧化铁作为电化学腐蚀的阴极,在加热条件下,垢下 氧化铁膜遭到破坏,使裸露的金属碳钢变为阳极,并 在水中发生腐蚀[2]。 此外,因金属过热在垢下还会发生汽水腐蚀。 氧化铁垢的腐蚀形态主要表现为:较大面积的 结垢腐蚀,氧化铁垢呈黑褐色鱼鳞状,垢下金属大部 分遭到腐 蚀,这 与 该 盘 管 腐 蚀 产 物 截 面 形 貌 是 一 致的。

3 结论及建议

该加热炉盘管腐蚀主要是高温水浴中的溶解氧 腐蚀而导致的,同时伴随着在垢下因金属过热而产 生的汽水腐蚀。 为减缓加热炉盘管的腐蚀,建议定期清洗加热 炉盘管,并采用在水浴中加入缓释阻垢剂、除氧剂或 对盘管外表面进行渗铝等措施进行防护处理。 参考文献: [1] 徐鑫,杨敏.单井水套加热炉盘管腐蚀机理分析[J]. 石化技术,2020,27(10):240-241. [2] 李建宾,钦祥斗.Q245R钢锅炉管爆管原因[J].理化 检验(物理分册),2020,56(10):42-46.