某气井采气管线穿孔失效原因分析及对策研究

Analysis and Countermeasures of Perforation Failure of Gas Production Pipeline in a Gas Well

摘要: 某气井采气管线发生穿孔失效，对站场正常生产造成影响，通过化学成分分析、XRD分析、XPS分析、扫描电镜分析、冶金质量分析、金相组织分析等方法对其失效原因进行分析，结果表明：高含量的Cl离子气田水沉积导致点蚀，最后引起焊缝处穿孔；夹杂物聚集 + 高含量的Cl离子气田水沉积导致点蚀，从而引起基体腐蚀坑洞。根据造成腐蚀穿孔的原因，提出了具体对策。

Abstract: The perforation failure of a gas production pipeline in a gas well affected the normal production of the station. The failure causes were analyzed by chemical composition analysis, XRD analysis, XPS analysis, scanning electron microscope analysis, metallurgical quality analysis, metallographic structure analysis and other methods. The results showed that high content of Cl-gas field water deposition led to pitting, and finally caused weld perforation. The accumulation of inclusions + deposition of high content of Cl-gas field water leads to pitting corrosion, which causes matrix corrosion. According to the causes of corrosion perforation, specific countermeasures are put forward.

1. 引言

某气井采气管线气液混输，输送介质包括未经处理的原料气和气田水，日输水量50~60方，气田水为弱酸性，pH值为6~8，矿化度120 g/L，Ca²⁺浓度4000~4500 mg/L， ${\text{Cl}}^{-}$ 浓度20,000~70,000 mg/L，水型为氯化钙水型。管线为L360QS无缝钢管，管线腐蚀穿孔形貌如图1、图2所示，发生失效的部位为底部焊缝和管材基体，均位于6点方向。

针对采气管线失效，目前最常采用的方式为对失效样品进行理化检测等，以明确失效原因并制定针对性预防措施。本次对失效管段进行了一系列分析及检验，以找出管线腐蚀穿孔的原因，防止此类事故再次发生 [1] 。

Figure 1. Macroscopic morphology of perforation in weld

图1. 焊缝处穿孔宏观形貌图

Figure 2. Macroscopic topography of pipe body cavity

图2. 管体坑洞宏观形貌图

2. 样品制备

2.1. 金相样品和扫描电镜样品

用锯弓用手工锯断取样，在此附近取样，样品分成2类：腐蚀物表面形貌样品和室温冷镶嵌样品。为了避免加热温度对腐蚀产物的影响，采用冷镶嵌。用金相砂纸磨样，金刚石抛光膏进行机械抛光，然后进行金相和扫描电镜分析。最后采用2%硝酸酒精腐蚀抛光面金相组织分析。

2.2. XRD样品

在管段腐蚀情况较多的位置附近刮取粉末样，用研磨器研磨后过筛进行XRD物相分析。

2.3. XPS样品

取腐蚀坑洞深度较深的位置用锯弓手工锯断取样，样品大小为5 × 5 × 3 mm。

2.4. 化学成分样品

将锯下的管段外侧未受腐蚀的表面截取30 mm × 30 mm规格样品，采用直读光谱仪进行化学成分测试。

样品编号及详细信息如表1所示。

Table 1. Experimental sampling information

表1. 实验取样信息

3. 理化检测

3.1. 化学成分分析

使用直读光谱仪对取样管段进行化学成分分析，结果如表2所示。结果表明：3个取样位置即管体、焊缝附近以及焊缝的化学成分均小于标准GB/T9711.3所要求值，满足该标准，而且P的含量远低于标准，C的含量也低于标准，材质比较好。

Table 2. Chemical composition analysis of corroded pipe

表2. 腐蚀管线化学成分分析结果

3.2. XRD分析

在管体腐蚀坑表面(编号1-5#)、焊缝穿孔位置附近(编号3-7#)刮取粉末，经过干燥并用玛瑙研磨器研磨后过筛制取粉末进行XRD分析，结果如图3、图4所示。结果表明：二者均含有FeS、Fe₂O₃、C，焊缝穿孔位置附近还含有部分FeCO₃和CaCO₃。

Figure 3. XRD results of pitting pit surface (1-5#)

图3. 管体点蚀坑表面(1-5#) XRD结果

Figure 4. XRD results near the perforation of the weld (3-7#)

图4. 焊缝穿孔位置附近(3-7#) XRD结果

3.3. XPS分析

在管体腐蚀坑附近(编号1-6#)、焊缝穿孔位置两侧(编号3-8#、3-9#)各取一个5 mm × 5 mm × 3 mm的块状样品表面进行XPS分析，其结果如图5、图6、图7所示。结果表明：这些样品表面的主要成分均为Fe₂O₃、FeS、FeCO₃，与XRD结果相符；同时含有少量FeCl₃、S、Fe₂(SO₄)₃，这可能是管道介质中的H₂S和CO₂引起腐蚀的结果。

Figure 5. Tube body corrosion pit near (1-6#) XPS results

图5. 管体腐蚀坑附近(1-6#) XPS结果

Figure 6. Weld hole location near (3-8#) XPS results

图6. 焊缝穿孔位置附近(3-8#) XPS结果

Figure 7. Weld hole location near (3-9#) XPS results

图7. 焊缝穿孔位置附近(3-9#) XPS结果

3.4. 扫描电镜分析

焊缝穿孔附近坑洞中腐蚀层表面有片状、不规则形状和晶体状，不均匀腐蚀严重。EDS点扫检测到不规则的腐蚀物含有C、O、Cl和S，面扫发现晶体状主要含硫，结合其形貌可以推测为单质S。检测到穿孔处腐蚀产物有很高的S (3.63%)和Cl (22.25%)。这说明Cl造成的点蚀非常严重。而管体坑洞处含量低，低于焊缝坑洞附近的含量，分别是Cl为3.04%，S为1.65%。这也说明在焊缝处容易导致点蚀，点蚀坑洞发生后大量 ${\text{Cl}}^{-}$ 富集，进一步加剧不均匀腐蚀。

3.5. 冶金质量分析

对焊缝处抛光观察夹杂物，夹杂物都是点状硅酸盐类，焊缝中夹杂物尺寸约为30 μm，偏大，说明焊接过程中排渣不是很好。对基体中夹杂物进行分析发现夹杂物也是球状硅酸盐类，但是偏聚严重，一些地方尺寸较小10 μm左右，一些地方35 μm左右，说明冶金质量不是太好，尽管S、P含量低，除渣效果不理想。

3.6. 金相组织分析

采用硝酸酒精对抛光后样品腐刻，焊缝组织为针状铁素体 + 晶界铁素体 + 魏氏组织，热影响区组织为铁素体 + 针状铁素体，基体为珠光体 + 铁素体。这3个区域的组织都属于正常组织。

4. 分析

对于湿气管线而言，内腐蚀是导致管线失效的主要形式 [2] ，而焊缝是整条管线的薄弱环节，由于焊接操作和自身性能特点等原因，在服役过程常常会先于管体发生腐蚀破坏，影响生产 [3] [4] 。

基于以上分析及检测结果，该管线腐蚀穿孔原因总结为以下几个方面。

(1) 焊缝穿孔位置和管体坑洞位置为管线6点方向，说明此处聚集较多气田水，为腐蚀发生提供了较好的介质环境。水中 ${\text{Cl}}^{-}$ 含量高达20,000~70,000 mg/L，pH4~6属于弱酸性，同时伴有酸性H₂S、CO₂气体，腐蚀环境较为苛刻。高的 ${\text{Cl}}^{-}$ 在6点位导致了点蚀，而焊缝组织不如基体组织耐蚀性好，所以在焊缝处优先发生点蚀，由于6点位沉积气田水，这加剧了腐蚀速度。

(2) EDS检测到穿孔处腐蚀产物有很高的S (3.63%)和Cl (22.25%)。这说明Cl造成的点蚀非常严重。而管体坑洞处含量低，低于焊缝坑洞附近的含量，分别是Cl为3.04%，S为1.65%。这也说明在焊缝处容易导致点蚀，点蚀坑洞发生后大量 ${\text{Cl}}^{-}$ 富集，进一步加剧不均匀腐蚀。

(3) 管体冶金质量不是很好，夹杂物为点状(球状)，但是不均匀，有的尺寸达到35 μm左右。在6点位处如果有聚集的大夹杂物，会产生 ${\text{Cl}}^{-}$ 引起的点蚀。

总结说来，6点位的高含量的 ${\text{Cl}}^{-}$ 气田水沉积导致点蚀，最后引起焊缝处穿孔。基体腐蚀坑洞是因为夹杂物聚集+高含量的 ${\text{Cl}}^{-}$ 气田水沉积导致点蚀最后失效。

5. 结论与建议

5.1. 结论

(1) 该管线焊缝和管体基体组织正常，管体、焊缝附近以及焊缝的化学成分均小于标准GB/T9711.3对L360QS材质的要求值，满足该标准，而且P的含量远低于标准，C的含量也低于标准，管体材质比较好，焊接所用的焊条(丝)选择合理，但冶金质量不是很好，夹杂物为点状(球状)，但是不均匀，有的尺寸达到35 μm左右。在6点位处如果有聚集的大夹杂物，会产生 ${\text{Cl}}^{-}$ 引起的点蚀。

(2) 6点位的高含量的 ${\text{Cl}}^{-}$ 气田水沉积导致点蚀，最后引起焊缝处穿孔。基体腐蚀坑洞是因为夹杂物聚集 + 高含量的 ${\text{Cl}}^{-}$ 气田水沉积导致点蚀最后失效。

5.2. 建议

针对该类似采气工艺管线，一是控制管线气田水沉积；二是完善管线缓蚀剂防腐工艺，如：增加清管预膜装置，定期开展缓蚀剂预膜；或者使用具有优良耐磨性能的内腐蚀控制技术 [5] ，如：内涂层管线或内衬陶瓷等。