秦俊岭 高大义 赵起锋 徐 慧 朱玉长 靳 健 狄志刚 廖伍彬

（1. 中海油常州涂料化工研究院有限公司，江苏 常州 213016；2.中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，江苏 苏州 215123）

0 背景介绍

海洋油田的生产设施受海洋环境和复杂的工况条件影响，外腐蚀和内腐蚀都面临严峻考验。如果管线或罐体腐蚀穿孔泄漏，将会带来严重和恶劣的环境生态破坏[1,2]。因此，海洋油田对生产设施的腐蚀控制非常严格，对腐蚀失效问题也非常重视。

本案例是南海某油轮气浮选管线弯头腐蚀穿孔的失效分析。穿孔样品如图1所示的一段6寸气浮选管线弯头，位于外排水缓冲罐内部。

图1 6寸气浮选管线

该外排水缓冲罐内部结构如图2所示。图2中也说明了弯头外侧和弯头内侧的位置。

图2 6寸气浮选管线结构示意图

6寸气浮管线中的流体是微气泡发生器产生的溶气水，其流向是从罐子底部进入，穿过第一级堰板进入微气泡悬浮室。溶气水是由生产水和氮气混合构成，生产水与氮气的比值大约是10:1。气浮管线外部是处理后的外排生产水。水温55℃左右。

图3是生产水的水质分析报告，水质基本中性，水中的主要腐蚀性物质是Cl-、SO42-、HCO3-等盐类。

图3 水质分析报告

该气浮管线大约使用8个月左右穿孔，历次穿孔位置一致，均在弯头外侧位置。

1 腐蚀因素分析

通过腐蚀背景信息的调查分析，可以发现几类显而易见的腐蚀因素：

（1）Cl-离子腐蚀：含量在20000mg/L左右；

（2）HCO3-离子腐蚀：含量中等，400mg/L左右；

（3）气泡水中O2的腐蚀：气泡水中所充氮气为非高纯氮，含有微量的氧气；

（4）气泡水冲刷腐蚀：气泡水对弯头处的冲刷；

（5）水中H2S的腐蚀：从腐蚀产物有一点臭鸡蛋气味推测水中应溶解有H2S，但根据水的类型，H2S含量应不高[3]；

确定了基本的腐蚀因素之后，拟从腐蚀形貌观察、基材成分分析、腐蚀产物成分分析、金相分析等角度，探究气浮管线弯头产生腐蚀穿孔的成因。

2 腐蚀形貌观察

图4是样品到达实验室时的照片。图4也说明了弯头外壁和弯头内壁的位置。

图4 气浮选管线弯头外侧外壁和内壁的形貌

气浮管线弯头外侧腐蚀穿孔。根据气浮管线设计资料，管线材质为碳钢，外涂防腐漆（环氧富锌涂料）。腐蚀现象特点为弯头外侧管壁优先发生局部腐蚀，腐蚀孔已穿透管壁，且腐蚀孔口径外大内小，说明腐蚀穿孔是由外向内。弯头外侧外壁有头盖骨形状的穿孔和凹坑。沿腐蚀孔斜面成梯田状，上面有凸棱和小凹坑。这是一种典型的空泡腐蚀宏观特征[4-6]。

从弯头内部看，靠近腐蚀穿孔位置的内表面相对光滑，没有覆盖过多腐蚀结垢产物。而在弯头内侧内壁，覆盖了较多的腐蚀结垢产物。说明弯头外侧内壁受到的流体冲刷强度比弯头内侧内壁大，导致该表面粘附的腐蚀产物少。

3 分析测试

3.1 分析测试方法

为分析弯头腐蚀穿孔的原因，将对材质成分、腐蚀产物、金相组织进行分析。选取的测试部位如图5所示。

图5 弯头测试前外观照片（A、B区域为基材成分测试区域）

所用到的测试设备如表1所示。

表1 测试设备

3.2 基材成分分析

按照标准采用电感耦合等离子体发射光谱仪和CS分析仪对管道基材成分进行测试，所选测试区域如图5中A、B区域，测试结果如表2所示。各元素含量符合标准GB/T 14164-2013中要求含量，材质为碳钢，这也和气浮选管线设计资料相符。

3.3 腐蚀产物成分分析

分别选取弯头内壁腐蚀物、外壁腐蚀物进行EDS成分测试，如图6～图9所示。

EDS测试结果表明内壁腐蚀物中主要含有Cl和O元素，并含有少量的S元素，外壁腐蚀物中主要含有O、S元素及少量 Cl元素。具体元素含量分别如表3和表4所示。

表2 基材化学成分分析结果（%）

图6 弯头外壁表面腐蚀物EDS成分分析位置

图7 弯头外壁表面腐蚀物EDS成分分析能谱图

图8 弯头内壁表面腐蚀物EDS成分分析位置

图9 弯头内壁表面腐蚀物EDS成分分析能谱图

表3 弯头外壁表面腐蚀物EDS成分分析测试结果 (wt%)

表4 弯头内壁表面腐蚀物EDS成分分析测试结果 (wt %)

基本可判定腐蚀产物是铁的氧化物、氯化物和硫化物。外壁腐蚀产物中含有Zn，推测来自外壁环氧富锌涂层。气浮选管线内外壁均浸在高含Cl-的生产水中，但外壁腐蚀产物较少，Cl-含量也较低，说明外壁的腐蚀产物因某种外力被剥离。

3.4 金相组织分析

分别在弯头上选取靠近腐蚀穿孔位置、远离腐蚀穿孔位置制取金相样品，采用3D数码显微镜对所取样品进行金相组织观察，如图10和图11，可以看出所选两个区域的金相组织主要为铁素体和珠光体，也就是说弯头基材金相组织均匀，无异常。

图10 腐蚀孔边缘区域金相显微组织图

图11 远离腐蚀孔区域金相显微组织图

图12 腐蚀孔侧壁截面金相组织（晶粒变形）

然后对腐蚀孔斜面的亚表面做金相分析，如图12所示，发现在腐蚀孔斜面的金相组织出现金相变形，似沿某种力的方向拉伸而成流线型。另外从图13观察，腐蚀孔的斜面也存在明显的光滑流线型形貌。这是一种典型的空泡腐蚀微观特征[5]。

图13 腐蚀孔斜面的金属流线形貌

4 结果与讨论

通过对腐蚀背景、分析测试结果的分析测试，可以发现：

（1）生产水对碳钢有一定的腐蚀性，造成6寸气浮管线内壁腐蚀结垢和点蚀；

（2）6寸气浮管线弯头内侧内壁腐蚀结垢产物多，而弯头外侧内壁腐蚀结垢产物少，说明弯头外侧内壁受到流体冲刷作用；

（3）6寸气浮管线弯头外侧外壁腐蚀宏观形貌表现为空泡腐蚀特征，腐蚀孔成头盖骨形和马蹄形，穿孔外大内小，沿腐蚀孔斜面有梯田状的凸棱和小凹坑；

（4）6寸气浮管线弯头外侧外壁腐蚀微观形貌也表现为空泡腐蚀特征，沿腐蚀孔斜面的晶粒变形，并伴有沿特定方向的流线形特征。

因此，可推断6寸气浮管线弯头腐蚀穿孔的全过程分为两个阶段。腐蚀的第一阶段，在气浮管线内部，随着溶气水对管内壁的持续腐蚀，管壁表面结垢。在弯头外侧内壁，受到水流的冲刷，腐蚀产物会被水流剥离，造成该处内表面腐蚀更快。而且由于水中有Cl-等，可造成局部的点蚀，时间久了可造成从内到外的穿孔，但此时穿孔的直径较小。腐蚀的第二阶段，溶气水从第一阶段造成的穿孔中溢出，气泡在穿孔处不断膨胀破裂，冲击金属表面，金属表面受气泡破裂力的反复作用，逐层剥落金属表面，形成梯田状的凸棱和小凹坑，直至管壁减薄穿孔。气泡破裂的冲击力也使表面至亚表面的金相组织发生了塑性变形，从微观形貌上观察成流线组织特征[5,6]。

综上所述，结论如下：

（1）管线腐蚀孔外形似漏斗，腐蚀孔表面上的棱、凹坑等形貌符合空泡腐蚀的宏观特征；腐蚀孔亚表面的金相流线形组织符合空泡腐蚀的微观特征；

（2）管线发生腐蚀穿孔主要是空泡腐蚀失效所致。腐蚀过程分为两个阶段：第一阶段，管线内表面因多种电化学腐蚀、冲刷腐蚀等形成局部腐蚀穿孔，气泡泄漏；第二阶段，大量气泡在泄漏处的外表面破裂，对外表面形成强烈的空泡腐蚀，导致穿孔扩大。

鉴于该气浮管线腐蚀穿孔的重要原因是空泡腐蚀，防止从内壁局部腐蚀穿孔而造成气泡溢出是关键。因此建议应从材质选择和防腐工程的角度去解决[7]。比如，气浮管线选择比碳钢耐蚀性好的材料，或对气浮管线内涂柔性陶瓷涂料。本案例比较典型，探究其腐蚀穿孔的原因，对腐蚀防护有一定的指导意义。