20號鋼無縫鋼管腐蝕穿孔失效原因分析

叢 深,馮 洪,段曉鵬,宋恩鵬,靳 權,王 康

(1.中國石油集團工程材料研究院有限公司 陜西 西安 710077;2.青海油田物資裝備有限公司 甘肅 敦煌 736200; 3.長慶油田公司第六采氣廠 陜西 西安 710018)

0 引 言

隨著對能源的需求量增加,對油氣集輸提出了更高的要求,輸油氣管材主要向 X80、X100和X120 等高鋼級發(fā)展。由于 20號鋼價格低,有一定常溫和中高溫強度,含碳量較低,有較佳塑性和韌性,其冷熱成型和焊接性能良好,因此在油氣田中主要用作熱采鍋爐、煉化裝置、污水回注、油氣集輸支線的原材料。據(jù)統(tǒng)計,西部某油田地面管道近 90% 失效是腐蝕引起的,其中發(fā)生腐蝕失效的鋼管材料主要是低碳鋼[1-2]。

本文針對供輸站的無縫鋼管腐蝕穿孔,結合現(xiàn)場工況條件與實驗室試驗結果,綜合分析了鋼管腐蝕失效原因,以預防油田地面集輸系統(tǒng)管道的腐蝕失效。

1 失效鋼管宏觀形貌分析

現(xiàn)場檢驗人員對西部某油品供輸站檢查時發(fā)現(xiàn)無縫鋼管穿孔泄漏,發(fā)生泄漏失效的無縫鋼管共有4根,其材料材均為20號鋼。

從油田的油品供輸站截取4根含有泄漏孔洞的鋼管樣品進行失效分析,該4根鋼管樣品的宏觀形貌如圖1所示。圖1中由上至下編號依次為1#、2#、3#和4#,其中1#與2#樣品規(guī)格為Φ168 mm×5 mm,3#樣品規(guī)格為Φ60 mm×3.4 mm,4#樣品規(guī)格為Φ80 mm×5 mm。根據(jù)油田現(xiàn)場提供的資料可知,失效無縫鋼管輸送介質為航空煤油與0#柴油,且均為埋地管線。

圖1 無縫鋼管樣品形貌

送檢1#～4#失效無縫鋼管外壁宏觀形貌如圖2～圖5所示。由圖2和圖3可知,1#與2#無縫鋼管管體外表面腐蝕嚴重,存在很多黃色銹斑和腐蝕坑。由圖4與圖5可知,3#與4#無縫鋼管外表面發(fā)生了輕微腐蝕,其外表面顏色為黃褐色。2#和3#鋼管外表面腐蝕坑內局部物質呈深褐色,在2#和3#管體外表面穿孔部位及腐蝕坑取樣,放置于超景深顯微鏡下觀察。由圖3(b)與圖4(b)腐蝕坑局部放大形貌圖可知,腐蝕坑呈“外大內小”形狀,由此可以判斷穿孔是由外表面向內表面擴展。

圖2 1#鋼管外表面宏觀形貌

圖3 2#鋼管外表面宏觀形貌

圖4 3#鋼管外壁宏觀形貌

圖5 4#鋼管外壁宏觀形貌

從圖4(b)可知,腐蝕穿孔呈圓弧狀,穿孔最大直徑為5 mm。將3#失效鋼管沿縱向剖開后,其內表面宏觀形貌如圖4(c)所示。從圖4(c)可知,管體內壁沒有發(fā)現(xiàn)腐蝕坑及腐蝕產物。對腐蝕坑進行3D形貌掃描,掃描形貌如圖4(d)所示。

2 試驗與分析

2.1 化學成分

從腐蝕穿孔鋼管的管體部位取樣,依據(jù)GB/T 4336—2016《碳素鋼和中低合金鋼火花源原子發(fā)射光譜分析方法(常規(guī)法)》標準用ARL 4460直讀光譜儀對其進行化學成分進行分析,結果見表1。從表1可見,腐蝕穿孔鋼管樣品的化學成分分析結果均符合GB/T 12459—2017《鋼制對焊無縫管件》的要求。

表1 化學成分分析結果(質量分數(shù)) %

2.2 拉伸性能

從腐蝕穿孔鋼管的管體部位取縱向拉伸試樣,用UTM5305材料試驗機依據(jù)GB/T 228.1—2010標準要求進行拉伸試驗,結果見表2。從表2可見,腐蝕穿孔鋼管樣品的拉伸試驗結果表明,3#樣品的伸長率不符合GB/T 12459—2017《鋼制對焊無縫管件》的要求,3#樣品的其他拉伸性能指標符合該標準的要求。1#、2#和4#的拉伸性能均符合GB/T 12459—2017《鋼制對焊無縫管件》的要求。

表2 拉伸試驗結果

2.3 布氏硬度

從腐蝕穿孔鋼管的管體部位取樣,用BH3000布氏硬度計依據(jù)GB/T 231.1—2018標準要求進行布氏硬度試驗,結果見表3。從表3可見,腐蝕穿孔鋼管的布氏硬度試驗結果符合GB/T 12459—2017《鋼制對焊無縫管件》的要求。

表3 布氏硬度試驗結果

2.4 金相分析

在腐蝕穿孔鋼管1#～4#失效鋼管的管體部位截取金相試樣,依據(jù)GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》、GB/T 6394—2002《金屬平均晶粒度測定方法》及GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定方法》,用OLS4100激光共聚焦顯微鏡對試樣的金相組織、晶粒度、和非金屬夾雜物進行試驗分析,結果見表4,管體金相組織圖如圖6～圖9所示。從表4可見,腐蝕穿孔鋼管的管體材料的金相組織均為珠光體+鐵素體,其材料含有少量的非金屬夾雜物。

表4 腐蝕穿孔鋼管金相組織分析結果

圖6 1#管體金相組織

圖7 2#管體金相組織

圖8 3#管體金相組織

圖9 4#管體金相組織

2.5 腐蝕微觀形貌及能譜分析

從腐蝕穿孔鋼管1#～4#失效鋼管的外表面腐蝕坑處取樣,用TESCAN VEGA II掃描電子顯微鏡及其附帶的XFORD INCA350能譜分析儀對外表面的腐蝕產物進行微觀形貌觀察及能譜分析。腐蝕產物微觀形貌如圖10～13所示。從圖10～13可見,1#～4#樣品外表面腐蝕產物層為疏松形狀,腐蝕產物為塊狀或顆粒狀。

圖10 1#外表面腐蝕產物微觀形貌

圖11 2#外表面腐蝕產物微觀形貌

圖13 4#外表面腐蝕產物微觀形貌

1#～4#樣品腐蝕坑區(qū)域腐蝕產物能譜分析位置如圖14所示,能譜分析結果見表5。1#～4#管體外表面腐蝕坑區(qū)域腐蝕產物分析結果表明,無縫鋼管外壁腐蝕產物主要由O、Fe、S、Cl、Si、Ca、C等元素構成。

表5 外表面腐蝕產物能譜分析結果

圖14 1#～4#管體外壁腐蝕坑腐蝕產物能譜分析結果

2.6 腐蝕產物XRD物相分析

從4#腐蝕穿孔鋼管腐蝕坑處選取腐蝕產物,結合EDS能譜分析結果,采用X射線衍射儀對腐蝕產物的物相進行分析。腐蝕坑處腐蝕產物宏觀形貌如圖15(a)所示,XRD分析結果如圖15(b)所示。從圖15(b)可見,4#失效鋼管腐蝕坑處腐蝕產物主要由Fe3O4、Fe2O3和FeOOH組成。

圖15 腐蝕產物XRD分析結果

3 腐蝕穿孔失效原因分析

根據(jù)腐蝕穿孔無縫鋼管的理化性能試驗分析結果,腐蝕穿孔無縫鋼管材料的化學成分和布氏硬度試驗結果均符合GB/T 12459—2017《鋼制對焊無縫管件》標準的要求。拉伸試驗結果表明,3#樣品的伸長率不符合GB/T 12459—2017《鋼制對焊無縫管件》的要求,3#樣品的其他拉伸性能指標符合該標準的要求。1#、2#和4#的拉伸性能均符合GB/T 12459—2017《鋼制對焊無縫管件》的要求。腐蝕穿孔鋼管的管體材料的金相組織均為珠光體+鐵素體,其材料含有少量的非金屬夾雜物。

從宏觀形貌分析可知,腐蝕穿孔無縫鋼管管體外表面腐蝕嚴重,管體外表面存在多處腐蝕坑,管體外表面及穿孔部位表面物質呈黃色,腐蝕坑內表面局部物質呈深褐色,腐蝕坑為外大內小形狀,且經觀察管體內表面只發(fā)生了輕微腐蝕[3-5],由此可以判斷鋼管管壁上穿孔的方向是由外表面向內表面。

鋼管腐蝕坑處掃描電鏡觀察及能譜分析結果表明,穿孔處和非穿孔處鋼管外表面均有腐蝕坑,腐蝕坑內充滿了腐蝕產物,腐蝕產物結構為疏松形狀,腐蝕產物為塊狀或顆粒狀。 腐蝕產物主要由O、Fe、S、Cl、Si、Ca、C等元素構成,同時腐蝕坑處腐蝕產物的XRD分析結果表明,無縫管外壁腐蝕產物主要由Fe3O4、Fe2O3和FeOOH組成,均為鋼管的氧腐蝕產物,因此,腐蝕穿孔無縫鋼管的外表面腐蝕主要是氧腐蝕。

據(jù)油田現(xiàn)場提供的資料[6-8],該批無縫鋼管為成品油站埋地管線,且使用已超過20年,材質牌號為20號鋼,鋼管外表面未作任何防腐處理,長期暴露于土壤并與之接觸?？諝庵械难鯕庖匀芙庋醯男问酱嬖谟谕寥酪簯B(tài)介質中,并在無縫管外表面發(fā)生如下化學反應:

陽極化學反應:Fe-2e→Fe2+

陰極化學反應:O2+2H2O+4e-→4OH-

總化學反應:2Fe+O2+2H2O→2Fe2++4OH-

以上化學反應生成腐蝕產物Fe(OH)2,但亞鐵離子通常情況下為不穩(wěn)定狀態(tài),遇到氧時會氧化生成FeOOH和Fe(OH)3,其化學反應式為:

4Fe2++6H2O+O2→4FeOOH+8H+

4Fe2++8OH-+2H2O+O2→4Fe(OH)3

4FeOOH和4Fe(OH)3會發(fā)生脫水和進一步氧化為Fe3O4和Fe2O3。

以上化學反應發(fā)生后,在無縫管外壁形成微小的腐蝕坑,坑外覆蓋有腐蝕產物。一般情況下,生成的腐蝕產物FeOOH和Fe3O4都是疏松多孔形狀,基體附著力差,導致局部區(qū)域腐蝕產物剝落,使基體處于裸露狀態(tài),從而使鋼管外表面重新暴露在含溶解氧的土壤介質中,加速化學腐蝕和溶解,促進了局部腐蝕的發(fā)生,并形成了腐蝕坑[9-11]。該鋼管在使用過程中腐蝕坑的深度向內表面方向逐漸增加,最終導致無縫鋼管發(fā)生了腐蝕穿孔失效。

4 結 論

1)腐蝕穿孔無縫鋼管的化學成分分析和布氏硬度試驗結果均符合GB/T 12459—2017《鋼制對焊無縫管件》標準的要求。3#樣品的伸長率不符合GB/T12459—2017《鋼制對焊無縫管件》的要求,3#樣品的其他拉伸性能指標符合該標準的要求。1#、2#和4#樣品的拉伸性能均符合GB/T12459—2017《鋼制對焊無縫管件》的要求。腐蝕穿孔鋼管的管體材料的金相組織均為珠光體+鐵素體,其材料含有少量的非金屬夾雜物。

2)腐蝕穿孔無縫鋼管的失效形式為外表面局部腐蝕導致的腐蝕穿孔,腐蝕穿孔的主要原因是由于腐蝕失效的無縫鋼管使用時間較長,該無縫鋼管的外表面與含溶解氧的土壤直接接觸,使該無縫鋼管的外表面發(fā)生了溶解氧腐蝕,并形成了腐蝕坑,該鋼管在使用過程中腐蝕坑的深度向內表面方向逐漸增加,最終導致無縫鋼管發(fā)生了腐蝕穿孔失效。