JZ20-2-3油气井油管腐蚀失效分析.pdf

第4 6卷第 3期 2 0 0 9年 6月 化工设备与管道 P R O C E S S E Q U I P ME N TP I P I N G Vo 1 ． 4 6 No ． 3 J u I L2 o o 9 J Z 2 0 - 2 ． 3油气井油管腐蚀失效分析 倪玲英 ， 陈明 1 ．中国石油大学 华东 石油工程学院，山东 青岛2 6 6 5 5 5 ； 2 ．中海石油 中国 有限公司天津分公司， 天津3 0 0 4 5 2 摘要 通过对J Z 2 0 2 3油气井油管材质的化学成分分析、 腐蚀产物的测定、 腐蚀形貌分析及流体介质成分等分析 讨论， 得出了J Z 2 0 ． 2 - 3 油气井油管主要是二氧化碳腐蚀的结论， 为指导油管防腐工程实践提供了可靠的依据。 关键词油管； 二氧化碳腐蚀； 失效分析； 腐蚀产物 中图分类号 T Q 0 5 0 ． 9 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 9 3 2 8 1 2 0 0 9 0 3 - 0 0 6 1 - 0 3 F a i l u r e An a l y s i s o f C o r r o s i o n Oc c u r r e d i n Oi l P i p e Us e d in J Z 2 0 - 2 - 3 Oi l Ga s We l l NI Li ng． y i n g。 ， CHEN M i ng J ．P e t r o l e u m E n g i n e e r i n g C o l le g e ， P e t r o le u m U n i v e m i t y ， Q i n g d a o 2 6 6 5 5 5 ，C h i n a ； 2 ．T i a n j i ng B r a n c h ， C h i n a P e t r o ， T i a n j i n 3 0 0 4 5 2 ，Chi n a Ab s t r a c t I n t h i s a r t i c l e ， w i t h r e s p e c t t o t h e ma t e r i a l u s e d f o r the o i l p i p e i n J Z 2 0 - 2 - 3 o i l g a s w e l l ，t h r o u g h the a n a l y s i s o f t h e c h e mi c a l c o mp o s i t i o n，t h e me asu r e me n t o f c o r r o s i o n p r o d u c t s a n d the an aly s i s o f t h e c o r r o s i o n for m an d t h e fl u i d c o mp o s i t i o n ，i t W as c o n c l u d e d t h a t t h e o i l p i pe i n J Z 2 0 - 2 - 3 o i l g as w e l l h a d b e e n c o r r o d e d b y C O2 ．T h i s c o n c l u s i o n s u p p l i e s t h e r e l i a b l e s u p p o r t t o t h e d e s i g n o f an t i c o r r o s i o n f o r o i l p i pe ． Ke y wo r d s o i l p i pe ；C O2 c o r r o s i o n；f a i l u r e analy s i s ；c o r r o s i o n p r o d u c t J Z 2 0 2 - 3油气井于 1 9 9 1年 1 O月投产 ， 运行不 到 1 O 年， 发现该井隔水导管环板处发生天然气泄 漏， 油管发生了腐蚀穿孔。为了彻底解决该井隔水 导管漏气问题， 2 0 0 1 年 1 1 月对该气井进行大修作 业。作业过程发现该气井起出的油管多处发生腐蚀 穿孔， 管壁冲蚀严重。 油管严重腐蚀主要发生在靠近井口的部位， 腐蚀 穿孔开始于第二根油管位于节箍上约 1 m到第五根 油管位于节箍上约 1 ． 5 m范围内， 如图 1 所示。管壁 腐蚀最严重位于第四根油管 ， 断口位于节箍下 0 ． 5 m 和 4 ． 2 m处， 断口处管壁腐蚀严重， 呈蜂窝状。 从宏观腐蚀形貌可以看出， 油管腐蚀主要从内壁 开始， 由内向外不断腐蚀， 使管壁减薄直至穿孔泄漏。 由于管壁减薄造成强度下降， 从而引起掉井。对送检 的油管观察可见， 管壁减薄非常严重， 且减薄严重不 均， 部分区域只剩管壁一层金属薄皮。在管壁上发现 多处由内部点蚀开始造成的管壁穿孔。 出此范围， 油管不论由上而下还是 由下而上至 井口， 内壁腐蚀都相对逐渐减弱， 由穿孔到坑蚀， 由 坑蚀到点蚀， 油管由上而下到第 5 0根油管还存在点 蚀坑， 乃至到第 1 0 1 根油管仍然可以观察到点蚀现 象。此外 ， 由油管第一个断 口处而下可见明显的腐 蚀沟槽 。 点蚀 、坑蚀 腐蚀 穿孔 点蚀 、坑蚀 第 一 根 _ _1 I l m ] ， l 第二 根 t 1 ． 1 ’ __『 第 三根 1 0 ． 5 m 节 箍 ＼ II - _ L● ， 断 口 - 阡十 I l3 ．7 m 断 口一 上 _j l_ 5m ] ， 第 五根 ] 图 1 油管腐蚀情况 收稿 日期 2 0 0 9 -01 1 9 作者简介 倪玲英 1 9 6 4 一 ， 女， 浙江平湖人 ， 教授 ， 硕士生导师。现 在中国石油大学 华东 石 油工程学 院从事教 学和科研 工作 。 6 2 化工设备与管道 第4 6卷第3期 该气井 采用 3 1 ／ 2英 寸 N 8 0油管 1英 寸 0 ． 0 2 5 4 m ， 其壁厚 为 6 ． 4 5 m m。天然气 的密 度为 0 ． 7 1 6 8 ， 天然气中 C O 含量 无空气计摩尔百分含 量 为 0 ． 3 0 ％ ， H S含量可不考虑。该气井 除 1 9 9 6 年加过乙二醇之外， 未采用加药剂处理。 该气井基本生产参数主要为井口压力 2 0 MP a 左 右， 井口温度5 0～ 6 0 o C， 日产液4 0～ 4 5 m ， 13 产油3 9 ～ 4 5 m ， 13产水 0 ． 6～ 2 ． 0 m ， 13产气 2 01 0 m 。 1 失效样品的测试与分析 腐蚀的类型、 腐蚀因素和腐蚀程度 ， 我们从现场截取 部分失效油管样品 ， 分别进行 了失效样 品的理化性 能 强度 、 成分 、 组织结构等 测试 ， 对腐蚀失效部位 从宏观 、 微观特征方面进行分析 ， 并对油管服役历史 和环境因素进行分析 ， 以确定油管失效原因。 1 ． 1 化学成分分析 从送检油管管壁上取样进行化学成分分析， 结 果见表 1 。对照美 国石油学会标准 A P I S p e c 5 C T可 见 ， S 、 P含量没有超标 ， 化学成分满足标准要求。 为 了弄清油管发生腐蚀失效 的主要原因， 确定 表 1 化学成分分析 结果 ％ 元素 c s i Mn P S C r Mo N i V T i N i 检测结果0 ． 2 4 0 ． 3 1 1 ． 0 5 0 ． 0 2 1 0 ． 0 O 9 0 ． 1 5 0 ． 0 1 2 0 ． 0 2 1 0 ． 0 0 8 0 ． 0 2 9 0 ． O l A P I S p e c 5 C T标准规定 ≤0 ． 0 3 40 ． 0 3 1 ． 2 力学性能测试 果如表 2所示。对照美 国石油学会 标准 A P I S p e c 在送检油管管壁上取样 ， 进行力学性能测试 ， 结 5 C T可见 ， 机械性能满足标准要求。 表 2力学性能测试结果 1 ． 3金相组织分析 由送检样管上取样进行金相分析， 夹杂物分析 结果为 A 1 ． 0 ， B 0 ． 5， D 0 ． 5 。其金相组织如 图 2 所示。分析过程中发现 ， 内壁表面及 内壁蚀坑 内均 有腐蚀产物。 图 2基体组织5 0 0 1 ． 4 扫描电镜观察结果 从送检管样上取样进行扫描电镜观察 ， 结果如 图 3所示。试样表面存在一层块状腐蚀产物 ， 将块 状产物放大结果如图4所示。 1 。 5 腐蚀产物分析 对试样表面腐蚀产物进行能谱分析， 结果如表 3所示。由分析结果可见， 腐蚀产物绝 大多数为 F e 的氧化物和少量的 F e C O ， 。 同样 ， 对试样表面腐蚀产物进行 x - 射线衍射分 图3 试样表面腐蚀产物的扫描电镜观察结果 图 g 试样表面块状腐蚀产物 析的结果也证实试样表面腐蚀产物是大量的F e O ， 和少量的 F e C O 混合物 见 图 5 。F e O ， 是金属在 空气中氧化产物或是 F e C O 在空气中的分解或氧化 的产物 ， 只有 F e C O 来 自于油管材料 与 C O 发生腐 蚀反应生成的腐蚀产物。图 5中还观察到 F e的衍 2 0 0 9年 6月 倪玲英， 等． J Z 2 0 - 2 - 3油气井油管腐蚀失效分析 6 3 射峰也较高 ， 这是由于腐蚀产物膜很薄 ， 在试样表面 进行 x 一 射线衍射能谱分析时， x 一 射线很容易打到基 体上 ， 造成衍射图上出现 F e的峰 ， 且强度很大， 导致 在能谱图上和定量分析中单质 F e的含量很高。 表 3 1 0 0 ℃水介质中试样表面腐蚀产物能谱分析结果 ‘ l ⋯ ． F e 一 2 ⋯ - F e 2 03 3 ⋯ F e CO3 一 一 1 1 I ． 3 ⋯ ． 儿 图5 1 0 0 ℃水介质中试样表面腐蚀 产物 X - 射线衍射分析结果 2 结论 从失效样品的宏观形貌和油管的服役环境 ， 可 以确定油管的腐蚀为高温高压环境 中的 C O 腐蚀。 主要依据有如下几点 1 油管材料的化学成分及力学性能分析结果 未见异常， 均符合 A P I 相关标准， 表明材料本身不存 在问题 ； 2 从油管服役的介质和工况环境来看 ， 天然 气中含有较高的 C O ， 产出水 中含有氯离子而且腐 蚀温度在6 0℃以上， 具备了油管产生C O 腐蚀的基 本条件 ； 3 从失效样 品的腐蚀产物的结构和成分分析 结果可以看出， 油管腐蚀产物为 F e C O ， 扫描电镜和 金相观察表明金属表面被 F e C O 覆盖， 它是油管材 料与 C O 作用的生成物 ； 4 从失效油管的腐蚀形貌来看， 腐蚀坑底部 较平， 但边缘比较尖锐、 突出， 总体分布呈现筛孔状， 这也是 C O 腐蚀的典型形貌。 综合以上四点特征， 可以确定 J Z 2 0 - 2 3 油气井 油管的腐蚀主要是由C O 腐蚀引起的管壁减薄和穿 孔 。要预防此类事 故的发生 ， 应尽快 采取有效 的 C O 腐蚀防护措施， 以控制和减缓腐蚀的发生。 上接 第 6 0页 的导热性能远比水差 ， 因此与汽泡接触的取热管内 壁温度高于与水接触的取热管内壁温度。当汽泡破 裂时 ， 水瞬间冲向原与汽泡接触的取热管内壁处 ， 对 该处进行 了急冷 ， 在汽泡反复的产生和破裂 的作用 下， 即热疲劳的作用下， 取热管内壁将会产生热疲劳 裂纹。外取热管断 口上存在多疲劳源即疲劳台阶， 有些区域 出现轮胎痕 ， 这些都是热疲劳失效的典型 特征。外取热管断 口上还普遍存在着疲劳条带 ， 同 时有些区域也存在着韧窝花样 ， 这些也从另一方 面 印证了热疲劳失效的存在。 取热管外壁焊有大量的翅片， 应力集中系数大 ， 特别是裂纹产生处 ， 取热管 的结构形式由光管突变 为带有翅片的管子 ， 该处有较大 的应力集 中系数。 由于 1 5 C r M o焊接性 能差 ， 取热管翅片 的焊接及焊 后热处理质量不易保证 ， 因此存在着较高水平的收 缩应力和焊接残余应力。而且取热管内操作压力较 高， 所以热裂纹的应力水平比较高。 在热疲劳及高应力的共同作用下， 热疲劳裂纹 由产生到扩展， 进而贯穿取热管管壁。 4 采取的措施及效果 根据 以上分析 ， 采取以下 2项措施 1 外取热管共 1 9组 ， 制造工艺原来是整个管 束制造完毕后 ， 再进行热处理。现制造工艺改为每 一 组制造完后进行 消除应力热处理 ， 从而避免前期 制造的管束， 还未进行热处理就出现微小的裂纹。 2 外取热管束由直形翅片管 见图 1 改为螺 旋形翅片管， 改变了翅片管外部烟气的流动， 降低了 烟气对翅片的冲击力。如图 2所示。 图 2改造后外取热器 外取热器于 2 0 0 4年 2月更换后投入运行， 连续 运行至今， 情况良好 ， 未发现异常现象。 弘 舳 骝 H 7