对湿天然气管道泄漏失效的原因分析

2020-05-25李再春

化工管理 2020年13期

李再春

(天津新星科能源技术有限公司，天津 300384)

0 引言

天然气管道是输送天然气最主要的方式，但由于天然气具有易燃易爆等特性 ,一旦管道泄漏有可能引起爆炸火灾等事故。含有H2S 和CO2的湿天然气管道是腐蚀风险和后果最大的一种，因此有必要对发生泄漏的湿天然气管道进行失效分析，为湿天然气腐蚀防护提供依据[1-2]。

某油田生产分离器至燃气进气分离器之间的管道发生泄漏，泄漏孔直径约1mm。此段管道内部输送气体为湿天然气，管道工作压力为120PSI，工作温度60℃。泄漏点位于水平管道爬升段下部弯头面对气体流向一侧的焊缝区域，弯头为SCH40 系列45°弯头，公称直径200mm，公称壁厚8.18mm。管道中存在微量的CO2和H2S，CO2含量为5ppm，H2S 含量为10ppm。

1 理化检验及结果

1.1 宏观形貌及壁厚

斜管下部及部分弯头焊缝存在大面积严重腐蚀，呈现向上收束状；斜管上部存在离散的严重腐蚀坑点；其他焊缝位置存在中度腐蚀痕迹，参见图1。

图1 泄漏管段内部腐蚀样貌

通过超声波测厚检测，未腐蚀区域壁厚都大于8.50mm，腐蚀区域最小值为3.73mm，出现斜管下部。

1.2 管道材质成分

失效管道的材质标准为ASTM A234-WPB，对标准中要求的元素进行光谱分析，除Si 含量略高于标准值外，其他成分均符合标准要求。

1.3 SEM形貌及EDS谱

对腐蚀表面进行超声清洗除尘和表面松散物，采用扫描电镜及能谱仪腐蚀表面进行形貌观察及微区成分分析。腐蚀表面呈现不规则的坑洼玻璃状样貌，根据能谱分析结果显示，腐蚀产物中存在超过金属本体材质成分含量的C、S和O元素，参见图2。

1.4 X射线衍射谱

采用X 射线衍射检测，进一步分析腐蚀产物元素价态和化合组成。从XRD 分析结果来看，腐蚀产物中存在铁的硫化物，参见图3。

图2 泄漏区腐蚀表面SEM形貌及EDS谱

图3 腐蚀产物的X射线衍射图谱

2 分析与讨论

失效管道的介质中存在H2S 和CO2等酸性气体共存，通常情况下，当二氧化碳分压/硫化氢分压小于20 时，硫化氢腐蚀将起到主导作用，在管道中两种气体含量都在1～10ppm 之间，另外硫化氢的溶解度更高，因此当二者同时存在时以硫化氢腐蚀为主。在XRD 分析中也证明存在铁的硫化物。因此可以判断，管道的腐蚀存在H2S 腐蚀。干燥的酸性气体对金属材料无腐蚀破坏作用，只有溶解在水形成电解质中才具有电化学腐蚀性，因此管道中一定存在液态水。

管道内存在高速流动的气体，气液界面在相间的摩擦剪切作用下，气体会携液向前流动，而靠近管壁的液体在自身重力作用下回流，这就使得液体并不会直接被带离弯头，而是开始平铺于弯头下游倾斜向上的管段，倾斜向上管段内的液体层越向上，厚度越小直至消失，但其液相净流量为零，此过程为ZNLF( zero-net liquid flow)流动，此过程会持续到弯头处原本积聚的液体全部平铺于倾斜向上的管段内[3-4]。在宏观形貌检查时发现，管道下弯头和向上爬升段的腐蚀痕迹也充分证明了管道内正是存在ZNLF 流动。

H2S 气体在水中具有非常高的溶解度，管道中的液态水持续溶解气流中的H2S，由于液态水无法离开弯头低洼处，电解质环境的酸性越来越强，腐蚀性非常高。因此不但在底部液体浸润区有明显的腐蚀，甚至被液体喷溅的上部区域也有明显的腐蚀坑。

腐蚀产生铁的硫化物是复杂的腐蚀产物，通常是一种有缺陷的结构，它与钢铁表面的黏结力差，易脱落，易氧化，电位较低，于是作为阴极与钢铁基体构成一个活性的微电池，对钢基体继续进行腐蚀。在流体冲刷的情况下，剥落的腐蚀产物会被带离金属表面，重新裸露的金属表面会继续被腐蚀，在长期的往复作用下，管道壁厚不断减薄最终穿孔泄漏[5]。