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油田集输管线腐蚀行为分析

放大字体  缩小字体发布日期:2012-08-29  浏览次数:752
核心提示:腐蚀是影响管道系统可靠性及使用寿命的关键因素。随着油田开发的不断深入,原油生产中高的含水量和较强腐蚀性的污水是造成管道容器腐蚀破坏的主要因素之一。
 

1 前言

腐蚀是影响管道系统可靠性及使用寿命的关键因素。随着油田开发的不断深入,原油生产中高的含水量和较强腐蚀性的污水是造成管道容器腐蚀破坏的主要因素之一。随着我国石油天然气工业勘探开发的发展,特别是近十年来,含硫化氢、二氧化碳、氯离子及含水等多种腐蚀介质的油气田的出现,腐蚀问题越来越引起人们的关注。油气田的腐蚀不仅给油气田的正常开发和国民生产造成了巨大的经济损失,同时也造成环境污染,并且威胁着人身安全。根据某些不完全统计,每年由于金属腐蚀所造成的经济损失占国民经济总产值的2%~ 4%,我国所占的比例更大。有统计资料表明:东部9个油田各类管道腐蚀穿孔达2万次/年,更换管道数达400千米/年,油田容器腐蚀平均穿孔率0.14次/(台.年),平均更新率为1.790'/0,因腐蚀造成的经济损失约为2亿元/年。所以在油田采油系统中,集输管道作为原油输送的主要装置,提高其耐腐蚀性能非常重要。因此,对油田集输系统进行腐蚀行为研究具有非常重要的现实意义。

本文主要针对乾安油田单井含水不断的增高,水质极其恶劣,致使产出水在油管线下部污水积聚区腐蚀穿孔。由于管线的腐蚀又造成净化含油污水水质不合格,这种不合格水再次注入地下形成恶性循环,加速了腐蚀穿孔,严重影响了正常生产。通过对管道的腐蚀现象、腐蚀机理的研究,寻求最佳的防护措施,为设计提供参考数据和理论依据。

2试验

 


 

在产生腐蚀的管线钢表面截取实验试样,规格为( 10mm×10mm×4mm)。利用X-射线衍射仪对试样进行相组成分析,所用设备为日本理学D/max-rA转耙X射线多晶体衍射仪(功率18KW),电压50KV,电流150mA。扫描范围:10-90,步长2/min。

利用M061型金相显微镜观察腐蚀管线钢的金相组织,金相试样的制备方法为:粗砂纸打磨一细砂纸打磨一机械抛光一清洗一腐蚀一吹干,其中腐蚀剂为4%硝酸酒精溶液。利用扫描电子显微镜和激光扫描共焦显微镜观察管线试样表面腐蚀坑形貌及测定腐蚀坑深度。利用离子色谱仪检测腐蚀水液中各离子含量如表1所示。水液中含有较多的Cl-、SO2、和HIS。

3结果与讨论

3.1 腐蚀产物成分分析

 


 

图l所示为腐蚀管道试样XRD图谱。由XRD检测结果可知,管线钢内壁表面的腐蚀产物主要由Fe2(S04)3组成,还伴有少量的Fe2O。和FeS等产物的存在。表明管道中主要是由于含氧和氯离子污水及H2S溶于水溶液后对管线钢产生的腐蚀。

3.2腐蚀管道试样金相组织分析

图2所示为经过粗细砂纸打磨、抛光、清洗、腐蚀后在金相显微镜下观察测试的金相组织照片。

 


 

如图所示,腐蚀主要发生在金相组织的铁素体区和晶界缺陷处,腐蚀严重的地方甚至出现少量的裂纹。因此,管道点蚀穿孔部多在缺陷处产生,而Cl-的存在是产生点腐蚀的最主要的因素,且管道缺陷也是引起腐蚀的重要因素。

3.3管道试样表面腐蚀形貌观察

 


 

图3(a)和(b)所示为腐蚀管道试样不同部位表面扫描电子显微镜形貌。从图中可以看出试样表面已经发生了全面腐蚀,局部区域出现较为严重的点蚀坑,甚至穿孑L现象,比较符合大量Cl一存在条件下的点腐蚀特征,即腐蚀集中于金属表面很小范围内,并深入到金属内部的蚀孑L状腐蚀形态,与水质中大量Cl一存在的检测结果相符合。在管道壁上腐蚀产物以积垢形式存在,且结构疏松,与基体的附着力很差。对基体组织没有保护作用。

3.4管道试样腐蚀表面三维微观形貌

 


 

腐蚀管道试样激光共聚焦形貌如图4(a)一(d)所示,所用试样取自油田集输系统管道现场腐蚀环境下腐蚀90天后的管线钢。由图(a),(b)可见,为腐蚀较小部位二维和三维形貌照片,腐蚀程度较小,腐蚀坑比较浅,利用扫描电镜测量腐蚀试样横断面可得到最大腐蚀孑L深度约为0.13mm,计算腐蚀速率为0.53mm/a,属于较高的点腐蚀等级。图(c),(d)为腐蚀严重部位的二维和j维形貌照片,可见腐蚀程度较大,腐蚀坑较深,表面伴有大量的腐蚀坑及微裂纹,同样可测得最大腐蚀坑深约为0.47mm,腐蚀速率1.91mm/a,基本接近严重的点腐蚀等级,可见在大量Cl存在的水质中,输水管线产生较大的点腐蚀倾向。

3.5腐蚀机理分析

首先,当管道中腐蚀介质中有Cl-离子存在时,由于CI离子半径较小易渗入钝化膜,并且氯离子是极强的去钝化剃剐,Cl一离子的极性强于02。离子和OH-离子的极性,Cl-离子优先于02-离子和OH-离子被钢吸附。在阳极区铁发生腐蚀生成铁离子,当中存在一定浓度的CI-时,在腐蚀电池产生的电场作用下,氯离子不断向阳极区迁移、富集。Fe“和Cl-生成可溶于水的FeCl2,然后向阳极区外扩散,与本体溶液或阴极区的OH-生成Fe (OH)2,遇孔隙液中的水和氧很快又转化成其他形式的锈。FeCl2生成Fe (OH)2后,同时放出Cl-,新的cr又向阳极区迁移,带出更多的Fe。Cl-不构成腐蚀产物,在腐蚀中也未被消耗,如此反复对腐蚀起催化作用。可见Cl-对钢材的腐蚀起着阳极去极化作用陋1,加速钢材的阳极反应,促进钢材局部腐蚀,这是氯离子侵蚀钢材的特点。

其次,干燥的硫化氢与二氧化碳一样都不具有腐蚀性,溶解于水中的硫化氢具有腐蚀性。含硫化氢的水溶液能电离,碳钢在含有硫化氢的水溶液中会引起氢的去极化腐蚀,碳钢的阳极产物铁离子与水中的硫离子相结合生成FeS、Fe:(S04),等,同时由于氧和Cl-的存在同时生成Fe2O。和FeCl2等产物,其中硫化铁的溶度体积很小,是一类难容沉淀物,在水溶液中表现为大量黑色的悬浮物。

在阳极和阴极主要发生如下反应:

 


 

4结论

1)通过对现场腐蚀管道腐蚀产物进行XRD检测分析可知,腐蚀产物主要以Fe:(S04)3为主,还有部分Fe304、FeCIi和FeS。

2)通过腐蚀表面扫描电镜和激光共聚焦相貌分析可知,在有Cl-离子和H:S存在的介质环境中,试样表面产生不同程度的均匀腐蚀,表面伴有大量的腐蚀坑及微裂纹,最大腐蚀坑深达到0.47mm以上。严重地方甚至使管道壁发生穿孔,最大的腐蚀速率为1.88mm/a。

3)引起腐蚀的主要原因是由于Cl-和HIS的存在,Cl-对钢材的腐蚀起着阳极去极化的作用,能加速钢材的阳极反应,促进钢材的局部腐蚀。此外,HIS起到了一定的协同作用,生成疏松易碎无保护性的硫化物层,加速钢材的腐蚀。

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