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作者： 劉有利，熊睿，李妍，朱萬林（海洋石油工程股份有限公司 設(shè)計公司，天津300451）摘要：本文針對海洋平臺儀表氣不銹鋼管線出現(xiàn)的腐蝕情況，通過光學(xué)顯微鏡、SEM對平臺實際運行腐蝕管線進(jìn)行表面觀察，通過EDS分析腐蝕表面元素含量等，了解到儀表氣不銹鋼管線腐蝕失效是由點蝕孔穿透造成，腐蝕方向為由外向內(nèi)。針對腐蝕失效進(jìn)行了科學(xué)的分析，同時提出了合理的建議。 關(guān)鍵詞：儀表氣管線、點腐蝕、海洋工程一、背景簡介隨著我國油氣開發(fā)的不斷壯大，海洋油氣平臺的安全是油氣開發(fā)的保障。海洋平臺上有復(fù)雜的管線系統(tǒng)，如何保護(hù)這些管線不受到惡劣海洋環(huán)境的腐蝕是目前亟待考慮和解決的問題。由于平臺維修的局限性，對管線材料的耐蝕性能提出了更高的要求。儀表氣系統(tǒng)作為海洋平臺必備的系統(tǒng)對整個平臺的安全運行起到了舉足輕重的作用，常見的儀表氣管線主要用于儀表氣連接；作為動力源控制現(xiàn)場閥門；用于井口區(qū)易熔塞管線回路；探測井口區(qū)火災(zāi)；用于現(xiàn)場儀表測量的取壓管路連接；用于儀表氣連接作為暖通系統(tǒng)風(fēng)機風(fēng)閘的動力源[1,2]。通常儀表氣管線的管徑較小，采用316不銹鋼作為儀表氣管線的材質(zhì)是國內(nèi)外常見的做法。雖然奧氏體不銹鋼316L具有優(yōu)良的耐蝕性，并且已經(jīng)廣泛應(yīng)用在海上平臺之上。然而近幾年我們注意到，國內(nèi)外已經(jīng)有不少316不銹鋼在海洋大氣環(huán)境工況下發(fā)生腐蝕的案例。其失效可能由于不同的工作環(huán)境，不同的工程設(shè)計，安裝和維護(hù)等因素引起。此外，隨著對腐蝕機理研究的深入，也發(fā)現(xiàn)雜散電流，特別是屏蔽不良的電器線路附近，也會誘發(fā)不銹鋼材質(zhì)的局部腐蝕。本文通過對某平臺儀表氣管線腐蝕情況的詳細(xì)實驗探究，對該儀表氣管線腐蝕機理和腐蝕因素進(jìn)行分析，最后提出合理的改進(jìn)措施和建議，防止后續(xù)再出現(xiàn)類似情況，為以后工程運行，設(shè)計等 提供參考。二、實驗及儀器下列儀器設(shè)備被用于測試實驗：1，立體顯微鏡 (Leica M165C, Leica Application Suit V4.3.0)2，光學(xué)顯微鏡(Zeiss AxioCamERc5s, AxioVs40x64 V4.9.1.0)3，掃描電鏡(Zeiss Sigma VP, SmartSEM V5.06) /EDS元素能譜分析儀elemental analysis (Oxford, Aztec 2.2)4，化學(xué)精度分析儀器：HFIR, XRF, EXTR樣品取自從海洋平臺上已經(jīng)腐蝕的儀表氣管線。該平臺為南海新建某平臺，投產(chǎn)時間不到一年就發(fā)生管線腐蝕穿孔。切下出現(xiàn)腐蝕處的管段，式樣經(jīng)過V2A H3PO4試劑處理，以在微觀觀察時能清晰的顯示出晶界和晶相。SEM分析使用EHT=15KV，光圈倍數(shù)為30m，在獲取SEM照片時的掃描速度為9。進(jìn)行微觀形貌分析時，樣品并未通過溶劑清洗。三、實驗結(jié)果討論3.1 表面形貌觀察圖2是腐蝕儀表氣管線的外觀情況，可以看到管線表面的腐蝕坑非常多，成點狀，比較獨立。圖3是切開儀表氣管線后，看到管線內(nèi)部的腐蝕情況。可以看出管體內(nèi)部僅有的腐蝕坑是從管體外的點蝕坑穿透形成的，而內(nèi)管壁并未發(fā)現(xiàn)其他任何點蝕坑。說明該儀表氣管線不存在內(nèi)腐蝕的情況。這與我們知道的實際情況基本相符：儀表氣管線中通入的為潔凈的儀表氣，基本不存在腐蝕源。3.2 斷面形貌觀察圖4，管線點蝕斷面的形貌圖Figure.4cross-sectional view of a large pit propagted from outer tube wall to inner tube wall圖4是管線腐蝕坑斷面的形貌，通過觀察可以看到，點蝕坑的發(fā)展從外表面非常迅速的向內(nèi)壁發(fā)展，通過這種發(fā)展形貌可以判斷是典型的點腐蝕。不銹鋼的抗腐蝕機理，主要是不銹鋼表面形成的鈍化層保護(hù)鋼材本體。鈍化層的形成主要是由鋼材中所含Mo的含量決定的。Mo與空氣中的氧氣接觸，形成氧化物建立了鈍化層。其他合金元素，比如Cr，Ni等，也會對金屬的鈍化層建立和防腐起到一定的作用。當(dāng)不銹鋼表面存在濃度極高的點蝕源時，鈍化層被逐漸破壞，暴露的表面來不及形成新的鈍化層，因而造成鋼材直接被腐蝕穿透。這就是典型的點蝕形成機理，通常表面鈍化層被破壞的原因有很多，包括外部因素，內(nèi)部材料缺陷（材料的機械性能，砂眼等）及金屬含量不能達(dá)到ASTM A269標(biāo)準(zhǔn)的要求（ASTM A269中明確規(guī)定，316L中Mo的成分應(yīng)該大于2.0w.t.%）。任何一種因素都能導(dǎo)致鈍化層被破壞。而Cl，S等腐蝕性元素與不銹鋼中的鐵快速反應(yīng)，更加速了點蝕破壞。管壁被許多較大的點蝕坑穿透，是導(dǎo)致管線失效的重要原因[3]。3.3 晶相分析通過V2A 和H3PO4處理后，樣品內(nèi)雜質(zhì)基本被洗凈，在光學(xué)顯微鏡下能明顯的看到清晰的晶界。如果腐蝕由金屬內(nèi)部引起，通常會觀察到異質(zhì)晶相的存在[4]，然而管線材質(zhì)的晶相良好并未發(fā)現(xiàn)有害晶相，因此可以排除從材料內(nèi)部引起管線失效。3.4 SEM/EDS元素分布分析Table 1 Outer tube wall corrosion product elemental content w.t. %SpectrumFeOCrMoSClNiSi2237.342.711.1/3.42.3/0.72328.254.99.81.42.52.2/0.82536.843.610.2/4.71.21.70.72634.245.19.6/5.11.4/0.72723.945.920.52.84.31.7/0.6Table 2 Inner tube wall corrosion product elemental content w.t. %SpectrumFeOCrMoSClNiSi4940.038.914.91.62.41.0/0.55033.048.513.11.82.11.1/0.55149.930.913.71.61.71.4/0.85240.234.916.22.92.51.1/0.55340.234.916.22.92.51.11.40.5通過EDS元素能譜儀對樣品表面特定部位的化學(xué)元素分析，可以清楚的了解相關(guān)區(qū)域元素分布情況。分析報告顯示管線材質(zhì)屬于3R60級別，通過與基準(zhǔn)卡片對比，該樣品的鋼號為542213，是非常優(yōu)異的材質(zhì)。表1和表2可以看到典型的腐蝕產(chǎn)物含有較高的O，F(xiàn)e，Cl和S等元素。點蝕是一種局部腐蝕，從最初的腐蝕產(chǎn)物引起的損害持續(xù)對不銹鋼表面氧化膜破壞，從而造成腐蝕穿孔。通常能對不銹鋼表面氧化膜造成這種腐蝕的環(huán)境因素多為酸性的，富含氧的和高氯離子含量的溶液，尤其是在海水中[5]。在世界范圍中也有大量的報道316L級別的不銹鋼在特定的海洋環(huán)境中被腐蝕的案例。.圖7 管體表面元素含量分析Figure. 7 The EDS analysis for each elementon outer tube wall通過圖7具體的元素含量分析表，可以看到管體表面存在大量的氯元素，外來的氯元素多由海洋環(huán)境的水氣帶入。海洋潮濕的大氣環(huán)境極易在管線上積累富含氯離子的微小液滴，通過圖1現(xiàn)場實際照片，這類管線表面經(jīng)常能發(fā)現(xiàn)有液滴存留。奧氏體不銹鋼對氯離子非常敏感，尤其是微小液滴中含有氯離子將極其容易破壞不銹鋼表面的氧化膜，而造成穿孔腐蝕。四、結(jié)論及建議通過對儀表氣管線的腐蝕情況分析，我們得出結(jié)論：1，儀表氣管線的失效是從管線外引起的；2，儀表氣管線的內(nèi)部不存在腐蝕情況；3，通過對管線外壁的元素分析，海洋大氣環(huán)境中存在的較多氯、硫等元素將增加儀表氣管線失效的風(fēng)險；4，腐蝕引發(fā)的主要因素是海洋大氣環(huán)境中較高的游離氯離子，附著在不銹鋼表面，形成局部高濃度的微小液滴，導(dǎo)致不銹鋼從外部點蝕，最終造成管線失效。為避免腐蝕，對儀表氣管線管線表面應(yīng)做好保護(hù)措施，避免出現(xiàn)機械損傷；保持管線表面潔凈，避免積存水汽，在平臺的日常操維手冊中應(yīng)增加儀表管清潔要求；必要時候采用更高材質(zhì)等級的管線替代腐蝕管線。如康菲石油公司部分平臺已用317L管線取代316L管線，近幾年印尼、泰國等國際石油公司也采用6Mo作為儀表管的材料。我國石油公司能否借鑒國外公司的經(jīng)驗還需設(shè)計方和平臺操作方進(jìn)行后續(xù)相關(guān)的工程驗證。參考文獻(xiàn)[1]楊楠，夏紅影.海洋石油平臺儀表氣管道設(shè)計初探.《中國科技博覽》.2014 (24)[2]肖建仁.海上平臺儀表氣管線管道設(shè)計的相關(guān)研究.《化工管理》. 2015(08)[3]陳漢明,羅坤杰,關(guān)矞心.SEC不銹鋼儀表管泄漏原因分析.《全面腐蝕控制》.2016（01）：53-56[4]高士武，郭東旭，任克亮，等.金屬腐蝕產(chǎn)物膜生長演化機理研究.《固體力學(xué)學(xué)報》.2013(S1)[5] 崔志峰,韓一純,莊力健,蔣金玉.在Cl-環(huán)境下金屬腐蝕行為和機理.《石油化工腐蝕與防護(hù)》. 2011(04)
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